淺層氣井防氣竄固井技術(shù)

覃 毅，吳永超，劉振通，高 飛，宋元洪，湯正輝，李利軍，劉方義，畢 毅

(1.渤海鉆探工程有限公司第一固井分公司，河北任丘 062252；2.渤海鉆探工程有限公司油氣井測試分公司，河北廊坊 065007)

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淺層氣井防氣竄固井技術(shù)

覃 毅1，吳永超2，劉振通1，高 飛1，宋元洪1，湯正輝1，李利軍1，劉方義1，畢 毅1

(1.渤海鉆探工程有限公司第一固井分公司，河北任丘 062252；2.渤海鉆探工程有限公司油氣井測試分公司，河北廊坊 065007)

淺層氣井固井防竄是國內(nèi)外固井作業(yè)不斷探索研究的技術(shù)難題之一。結(jié)合多年來在不同地區(qū)的氣井固井作業(yè)經(jīng)歷對淺層氣固井技術(shù)進行了分析，歸納得出一系列淺層氣固井的防竄技術(shù)措施。

淺層氣固井 防氣竄 多凝階梯密度 水泥漿體系 膠凝強度 前置液

由于氣層埋藏深度淺，上覆地層疏松，地層承壓能力低，容易漏失；井下壓力平衡、油氣層壓穩(wěn)等措施無法建立，發(fā)生氣侵時上竄速度快、反應(yīng)時間短，且地層承壓能力低；井下壓穩(wěn)、防漏、防竄等措施受限，加上淺層氣異常高壓井油氣活躍，鉆井、固井過程中油氣上竄速度快；氣侵、溢流、井噴等表象特征反應(yīng)短暫，時間緊促致地面控制措手不及，這些因素都難以保證固井質(zhì)量。所以淺層氣井固井防竄是國內(nèi)外固井作業(yè)不斷探索研究的技術(shù)難題之一。

1 固井技術(shù)難點

淺層氣地層承壓能力低，井下易漏，通常采用低密度水泥漿體系，低密度水泥漿漿體中的固相成分密度差大，漿體穩(wěn)定性差；固相顆粒間的空隙度大，液固比高，游離水多，失水控制難度大；低密度水泥漿強度發(fā)展慢，候凝失重過渡時間長，漿體防竄能力差。

淺層氣井地層淺，前置液、水泥漿與井壁接觸時間短，對井壁油污的分散、剝離、攜帶效果差；地層承壓能力低，固井施工排量小，環(huán)空難以形成紊流或有效層流，頂替效率低，對井壁的沖刷、置換能力差，井眼得不到良好凈化，環(huán)空泥漿滯留及井壁油污、虛泥餅等影響水泥膠結(jié)強度和界面質(zhì)量，套管外環(huán)空留有微隙，氣體運移導(dǎo)致環(huán)空氣竄，井口帶壓現(xiàn)象，例如哈薩克斯坦的阿一旦油氣田，塔里木瑪扎塔格油氣田[1]，環(huán)空氣竄，井口環(huán)空帶壓現(xiàn)象尤為突出。

超淺氣層固井，水泥漿封固段短，固井難以發(fā)揮多凝壓穩(wěn)水泥漿體系優(yōu)勢；缺乏有效的井口壓力補償和控制手段，固井一旦發(fā)生環(huán)空氣竄，控制難度大，易導(dǎo)致環(huán)空溢流，環(huán)空井噴風險。在委內(nèi)瑞拉Anaco氣田[1]，地表80 m以下分布著多套不同壓力體系氣層，儲層復(fù)雜, 其特征為具有高、低壓氣層/氣窩同時存在, 高含H2S和CO2；地層有微裂縫及漏失層, 地層孔隙壓力與破裂壓力接近，鉆井、固井作業(yè)中井漏、井噴事故時有發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示, 該氣田開發(fā)初、中期有2/3的氣井未能成功開采, 原因是淺層氣竄嚴重。

2 防氣竄固井水泥漿技術(shù)

2．1 水泥漿體系基本性能要求

控制失水量，保證水泥漿的穩(wěn)定性，降低游離水；水泥漿實現(xiàn)直角稠化(RAS)，縮短稠化過渡期，提高水泥漿防竄能力，水泥漿靜態(tài)凝膠強度48～240 Pa發(fā)展期小于15 min, 水泥漿防竄系數(shù)SPN<3。

2．2 水泥漿體系穩(wěn)定性

改善低密度水泥漿穩(wěn)定性，可通過加入一定量的懸浮劑，提高基液黏性，阻止固相材料的漂浮和沉淀。顆粒間游離液的黏滯力增強，增大氣體在顆粒間的運移阻力，可提高了漿體防氣竄能力。在水泥漿中加入懸浮劑，對改善低密度水泥漿穩(wěn)定性，提高漿體防氣竄能力，起到了良好效果。

2．3 防氣竄水泥漿體系

2．3．1 膠乳/成膜型防氣竄水泥漿體系

固井水泥漿配方中優(yōu)選加入BCT-800L(AF)膠乳防氣竄劑和FSAM成膜型防氣竄外加劑，配制成膠乳/成膜型防氣竄水泥漿體系[2-3]。配方：嘉華G級水泥+2.5%晶格膨脹劑DZP +0.03%氮氣膨脹劑(ZP-2)+5%膠乳FSAM/BCT-800L(AF)+2%降失水劑(DZJ-Y)+1.2%分散劑DZS+0.034%緩凝劑(DZH-1)+0.3%消泡劑DZX+水。性能為:密度(ρ)：1.96 g/cm3，稠化時間125 min，中壓失水量(FL)：19 mL，流動度：22 cm，強度為18.9 MPa/(24 h)，水泥漿防竄系數(shù)SPN<3。機理：膠乳是一種含適量表面活性劑的微小聚合物顆粒乳狀懸浮液，乳膠中的小粒徑顆粒填充于水泥漿固相顆粒間的微空隙，堵塞通道，降低滲透率，減小水泥體積收縮，改善界面膠結(jié)；其中的表面活性成分對侵入的氣體起到一定的束縛和分散作用；膠乳中的聚合物分子在水泥漿固相顆粒間及水泥漿與井壁間形成有一定彈性、韌性和靜膠凝強度的非滲透膜，阻止氣體侵入和環(huán)空運移上竄，起到了較好的防氣竄效果。

2．3．2 基體抗侵水泥漿體系

固井水泥漿配方中加入防竄劑BCG-200L，形成基體抗侵水泥漿體系。配方：CEMENTO“B”水泥+5%微硅+13%減輕劑(BXE-600S)+2%降失水劑(BXF-200L)+3%防氣竄(BCG-200L)+1.5%分散劑(CF40S)+0.02消泡劑(ALP-62)。性能為：ρ：1.73 g/cm3，稠化時間263 min，F(xiàn)L：15 mL，流動度：22 cm，強度：15 MPa(24 h)，水泥漿防竄系數(shù)SPN<3。BCG-200L防竄劑是一種適合于低密度水泥漿的增黏聚合物水泥漿外加劑，可提高水泥漿黏度和觸變性，增強漿體內(nèi)聚力，靜膠凝強度發(fā)展快，改善水泥漿稠化曲線狀態(tài)，能夠迅速度過靜膠凝強度48～240 Pa的氣竄風險區(qū)間，降低氣侵幾率，從而達到防止竄流的目的。

2．3．3 膨脹型水泥漿體系

在固井水泥漿中加入低溫膨脹劑QF625[3]或ZP-2和DZP膨脹劑形成膨脹型水泥漿體系[4]。配方：嘉華G級水泥+2.5%堵漏劑ZD+5%FSAM+1.5%ZJ-5+3%DZS+0.03%DZH-1+0.3%膨脹劑QF625(或ZP-2+DZP)+0.3%DZX +水。性能為：ρ：1.93 g/cm3，稠化時間138 min，F(xiàn)L：34 mL，流動度：23 cm，24 h抗壓強度35.4 MPa，水泥漿防竄系數(shù)SPN<3，化驗條件66 ℃,21 MPa。作用機理：隨著水泥漿在井內(nèi)水化凝結(jié)，固相顆粒間的游離液遺失，水泥石收縮，過程中均勻分布在漿體中的膨脹劑在溫度和堿性環(huán)境條件下,晶格膨脹或發(fā)出微量氣體，替代并充填因游離液析出形成的顆粒間空隙，抵御水泥體積收縮，彌補液柱壓力損失，增加封固段環(huán)空內(nèi)壓，提高水泥石與套管壁及井壁的膠結(jié)強度，抑制氣層外侵上竄，發(fā)揮了顯著的抑制氣竄效果。

3 配套技術(shù)措施

3．1 合理設(shè)計前隔離液體系，改善前置液性能，提高頂替效率

根據(jù)固井深度、地層孔隙壓力、井眼狀況和鉆井液性能合理設(shè)計固井前隔離液體系。綜合各因素考慮確定沖洗液、隔離液密度、類型和數(shù)量等，對于鉆井液與水泥漿配伍性差，接觸后產(chǎn)生污染，流動性變差或有絮凝現(xiàn)象，減少封固段水泥漿混竄污染，可考慮使用先導(dǎo)泥漿或者前導(dǎo)水泥漿技術(shù)；對鉆井液和前置液進行有效隔離、避免殘留的鉆井液與水泥漿接觸污染，提高頂替效率，確保封固段固井質(zhì)量。

3．2 借助于井下工具和井口裝置解決固井氣竄問題

對于特殊地層淺層氣油氣田，采用主力氣層頂部加放套管外封隔器，結(jié)合膨脹型防竄水泥漿體系，管外封隔器加放位置，選擇在氣層頂部以上3～5 m的井壁穩(wěn)定、井徑規(guī)則的致密泥巖井段[6]，成功解決了淺層氣防竄技術(shù)難題。對于窄地層安全壓力窗口氣井尾管固井，采用封隔式尾管懸掛器，水泥注替結(jié)束，關(guān)閉尾管與外層套管環(huán)空，掐斷氣竄通道，對防氣竄起到良好作用。井下承壓能力允許的條件下，可采用井口環(huán)空憋壓候凝措施，以彌補因水泥漿失重造成的壓力損失；管外封隔器和封隔式尾管懸掛器具有兩面性，均能阻隔地層氣體上竄，但也阻斷了上部液柱壓力的向下傳遞，故應(yīng)結(jié)合膨脹水泥漿體系使用[7]。

3．3 正注反注固井技術(shù)措施

對又噴又漏的復(fù)雜氣井固井，可采用正注水泥固井，水泥漿返至主要漏層位置，注替結(jié)束，立即坐掛井口裝置。從套管頭四通分別連接兩條注漿管線，兩側(cè)同時反注沖洗液和與套管外環(huán)空等量體積的快凝低密度水泥漿。因井漏水泥漿液面會降至一定深度，待第一次反注水泥漿稠化后，再次向環(huán)空灌注快凝水泥漿，實現(xiàn)水泥上下對接封至井口的氣井封固要求[8-10]，正注反注固井技術(shù)是行之有效的解決復(fù)雜氣井固井的措施。

3．4 使用多凝階梯密度水泥漿體系, 變排量施工技術(shù)

根據(jù)地層孔隙壓力,確立不同封固段的水泥漿密度和稠化時間；依據(jù)地層破裂壓力和地層承壓能力試驗數(shù)據(jù),模擬計算不同階段的施工參數(shù)，采用變排量注替施工作業(yè)，做到施工最大動液柱壓力小于地層漏失壓力，最下靜液柱壓力大于地層孔隙壓力，實現(xiàn)井下壓力平衡，壓穩(wěn)氣層，防止井漏、氣竄發(fā)生。

4 固井技術(shù)應(yīng)用

4．1 使用多凝階梯密度水泥漿體系, 變排量施工技術(shù)解決防漏和壓穩(wěn)問題

某淺層氣田的氣井，氣層深度1 500～1 700 m，9-5/8″技術(shù)套管下深1 200 m，三開造斜點深度1 400 m左右，鉆至奧陶系灰?guī)r地層水平井段A點完鉆，下入7″生產(chǎn)層套管，封固高含H2S的奧陶系灰?guī)r氣層，石炭系生屑灰?guī)r氣層，東河砂巖氣層。裸眼段有斷層，石炭系和奧陶系灰?guī)r空隙發(fā)育，鉆井、固井易漏。為解決壓穩(wěn)、防漏問題，固井采用密度1.39 g/cm3水泥尾漿，封固斜井段儲層，1.35 g/cm3中間漿封固井深500 m以下垂直井段，領(lǐng)漿1.33 g/cm3封固上部500 m，密度1.27 g/cm3前導(dǎo)水泥漿10 m3全部翻出地面的階梯密度多凝水泥漿體系，變排量注替施工技術(shù)，較好地解決了氣竄固井問題，固井效果很好。

4．2 使用淺層氣固井綜合技術(shù)解決固井難題

緬甸D區(qū)塊某氣井，二開1.26 g/cm3的鉆井液密度，鉆井過程中頻繁發(fā)生嚴重漏失，在邊堵漏邊鉆進過程中，鉆至井深1 631.49 m時，遇高壓氣層，發(fā)生嚴重氣侵井涌，氣層孔隙壓力系數(shù)1.423，形成了下吐上漏復(fù)雜狀況。固井采用正固、反注的兩次注水泥非常規(guī)固井方法，結(jié)合先導(dǎo)泥漿，加重隔離液，微膨脹、防漏、防氣竄直角稠化水泥漿體系等一系列技術(shù)措施。正固水泥領(lǐng)漿密度1.65 g/cm3，中間膨脹型水泥漿，密度1.90 g/cm3；快凝非滲透防氣竄水泥尾漿，密度1.95 g/cm3，封固1 560 m以下氣層井段，形成階梯密度三凝水泥漿結(jié)構(gòu)，完成正注固井作業(yè)。水泥漿稠化失重期，注入與環(huán)空等量體積的密度1.65 g/cm3防漏、堵漏、快凝水泥漿；水泥漿稠化后，再次灌注水泥漿回填至井口，完成固井作業(yè)。檢測固井質(zhì)量，正固、反注水泥漿實現(xiàn)對接，封固質(zhì)量優(yōu)質(zhì)。

委內(nèi)20″和13 3/8″淺層氣大套管固井，為了保證上部井段環(huán)空水泥漿純度和實現(xiàn)環(huán)空壓穩(wěn)，采用機體抗侵防竄水泥漿體系正注水泥漿后，立即從套管外環(huán)空兩側(cè)下入φ47mm的無接箍反注漿管柱30 m左右，用常規(guī)密度防氣竄水泥漿將環(huán)空上部混竄污染的水泥漿頂替出井，利用水泥漿的稠化時間差實現(xiàn)環(huán)空壓穩(wěn)；同時，高純度的反注水泥漿保證了井口附近的固井質(zhì)量，滿足了氣井環(huán)空封固質(zhì)量要求。

5 結(jié)論

1)通過分析固井技術(shù)難點，優(yōu)選適用于淺層氣井防氣竄固井水泥漿技術(shù)、配套固井技術(shù)措施作為防竄措施和控制手段，可解決淺層氣防氣竄固井技術(shù)難題。結(jié)合在固井施工中的現(xiàn)場應(yīng)用分析，得到了良好的固井效果，對類似淺層氣井固井實踐具有一定的指導(dǎo)意義。

2)良好的防氣竄水泥漿體系及井下工具、地面控制設(shè)施，是阻止氣侵、氣竄的重要工藝技術(shù)措施；合理選擇，綜合應(yīng)用，可有效提高固井質(zhì)量，實現(xiàn)良好氣井封固。

3)氣井固井的基本原則“壓力三平衡”，即固井前、施工作業(yè)中、水泥候凝期的井下壓力平衡，任何環(huán)節(jié)井下壓力失衡，都會導(dǎo)致氣竄甚至井噴事故發(fā)生；提高頂替效率，避免封固段水泥漿混竄污染，是實現(xiàn)環(huán)空替凈封實的氣井固井防竄的基本要求。

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Shallow Gas Well Channeling Prevention and Cementing Technology

Qin Yi1,Wu Yongchao2,Liu Zhentong1,Gao Fei1,Song Yuanhong1,Tang Zhenghui1,Li Lijun1,Liu Fangyi1,Bi Yi1

(1.No.1CementingCompanyofBohaiDrillingandExplorationEngineeringCo.Ltd.,Renqiu,Hebei062552; 2.WellTestingCompanyofBohaiDrillingandExplorationEngineeringCo.Ltd.,Langfang,Hebei065007)

Shallow gas well channeling prevention and cementing are one of the technical problems that have been studied in well-cementing operation both at home and abroad. The shallow gas well cementing technologies are analyzed, and a set of channeling prevention technical measures are summarized by taking the gas well cementing operation experiences in different areas into consideration.

shallow gas well cementing; channeling prevention; gradient multi-setting cement slurry; gelling strength; pad fluid

2015-03-04。

覃毅，工程師,從事固井技術(shù)研究及現(xiàn)場應(yīng)用工作。