液體膠塞在低壓易漏失含硫氣井修井中的應(yīng)用
——以Z-7井為例

熊穎 楊健 江濤

1.中國(guó)石油西南油氣田公司天然氣研究院 2.中國(guó)石油西南油氣田公司氣田開(kāi)發(fā)管理部3.中國(guó)石油西南油氣田公司川西北氣礦

壓井液是修井作業(yè)的關(guān)鍵之一。常用的壓井液主要是原井鉆井液、鹽水無(wú)固相壓井液、泡沫壓井液以及清水等。根據(jù)地層的密度窗口調(diào)整壓井液密度,避免因壓井液大量漏失而造成的地層傷害或氣竄帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于低壓易漏失氣井,地層壓力系數(shù)低,部分裂縫發(fā)育,使得常規(guī)壓井液快速漏失,壓井后井口快速起壓,特別是對(duì)于含硫氣井,安全壓井難度高[1-4]。采用凝膠在井筒內(nèi)形成一段高強(qiáng)度液體膠塞,依靠膠塞的高黏摩阻和膠塞與井壁的膠結(jié)作用來(lái)實(shí)現(xiàn)氣井的安全壓井是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外低壓易漏失井修井用壓井液的研究重點(diǎn)?，F(xiàn)有研究主要聚焦于凝膠對(duì)于地層的封堵,應(yīng)用較多的是聚丙烯酰胺及其衍生物類,如磺酸鹽型聚丙烯酰胺與聚乙烯亞胺交聯(lián)制備彈性液體膠塞等。關(guān)鍵性能主要通過(guò)黏度和對(duì)巖心的封堵壓力來(lái)表征,部分膠塞在裂縫巖心抗壓達(dá)9 MPa以上,黏度達(dá)15760 mPa·s以上[5-9]。植物膠類液體膠塞報(bào)道不多,但由于施工結(jié)束后植物膠破膠降解更徹底,使其越來(lái)越受到重視,在暫堵降壓后帶壓換閥作業(yè)中應(yīng)用較多,在低壓易漏失井壓井換井口作業(yè)中的報(bào)道少[10-11],鮮有低壓易漏失含硫氣井壓井后直接換裝井口修井的報(bào)道。以Z-7井為例,介紹了植物膠類液體膠塞在低壓裂縫性易漏失含硫氣井修井中的應(yīng)用。

1 低壓易漏失含硫氣井Z-7井基本情況及壓井難點(diǎn)

1.1 Z-7井基本情況

Z-7井是一口低壓易漏失含硫氣井。該井施工多段、較為復(fù)雜,嘉三、嘉四-五段4106.0～4177.5 m 射孔后無(wú)顯示,后對(duì)井段4105.5～4176.0 m 補(bǔ)孔,同時(shí)射開(kāi)嘉四-五段4058.0～4097.0 m,酸化后不產(chǎn)流體,擠水泥漿封閉;嘉四-五段、雷一段3848.9～3995.7 m射孔后無(wú)顯示,上提電纜遇卡提斷,存在落魚;須二段2662.0～2782.0 m 射孔、酸化后測(cè)試日產(chǎn)油4.19 t及少量天然氣;擠注水泥漿封閉須二段后鉆塞至3556.24 m,在雷三段3523.6～3531.0 m、3501.6～3505.8 m、3483.4～3491.8 m、3425.0～3439.2 m 射孔后無(wú)顯示。該井先作為觀察井,后作為含硫氣田水回注井。由于長(zhǎng)期回注含硫氣田水,存在井下管柱腐蝕,腐蝕檢測(cè)推斷該井存在封隔器竄漏、腐蝕點(diǎn)穿孔竄漏等,需要開(kāi)展壓井修井作業(yè)。圖1為該井井深結(jié)構(gòu)。

在修井前對(duì)雷口坡(3425.0～3531.0 m)地層壓力進(jìn)行測(cè)壓,測(cè)壓期間套壓6.124 MPa,油壓5.112 MPa,地層壓力9.1475 MPa,計(jì)算壓力系數(shù)0.27,屬低壓地層。該井在壓井前泄壓至0 MPa,然后關(guān)井。關(guān)井5天后,油壓和套壓均上升至8.8 MPa,后持續(xù)關(guān)井46天,油壓和套壓均保持不變。

1.2 Z-7井壓井難點(diǎn)

Z-7井修井作業(yè)的難點(diǎn)在于壓井:①該井回注層雷口坡的地層壓力系數(shù)低(0.27),存在壓井液快速漏失、井口快速起壓的難題;②該井已回注大量含硫氣藏地層水,且雷口坡含硫,含硫氣體氣竄帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)高,特別是對(duì)于低黏壓井液隔離含硫氣體困難;③須二與雷口坡同時(shí)打開(kāi),可能存在兩層壓力系數(shù)差異帶來(lái)的“上噴下漏”問(wèn)題;④采用液體膠塞暫堵壓井是解決該井壓井難題的重要手段[12],但由于液體膠塞通常為酸性破膠,在含硫氣體條件下封堵的有效期可能大幅縮短。

2 壓井方案與液體膠塞體系

2.1 壓井方案

先采用清水壓井,根據(jù)氣質(zhì)檢測(cè)添加除硫劑,并結(jié)合壓井情況增大壓井液用量。如果清水壓井不成功,則采用液體膠塞暫堵壓井,利用其成膠后的高黏度和膠結(jié)性對(duì)井下管柱進(jìn)行封堵,確保修井作業(yè)安全。壓井成功后,開(kāi)展后續(xù)修井作業(yè),最后注入解堵液(酸液)進(jìn)行破膠、解堵。

2.2 液體膠塞體系

液體膠塞體系主要由稠化劑、交聯(lián)劑、交聯(lián)助劑等添加劑組成,其實(shí)質(zhì)是高含量植物膠通過(guò)交聯(lián)控制手段使其在地面條件下不交聯(lián),注入井筒目標(biāo)位置后交聯(lián)成高強(qiáng)度空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)黏彈體。靜態(tài)時(shí),依靠液體膠塞與井筒管壁的膠結(jié)作用實(shí)現(xiàn)井筒封堵;動(dòng)態(tài)時(shí),依靠高黏彈性物質(zhì)與井筒管壁的摩阻降低液體膠塞兩端壓差。完成井口換裝或其他修井作業(yè)后,再采用酸性解堵液對(duì)液體膠塞進(jìn)行破膠、解堵,從而實(shí)現(xiàn)井筒的暫堵。液體膠塞配方為:5%(w)～8%(w)植物膠稠化劑+7%(w)～12%(w)交聯(lián)劑+5%(w)～10%(w)交聯(lián)助劑+其他添加劑。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施情況,調(diào)整液體膠塞的初始黏度、成膠時(shí)間或提高液體膠塞密度等。關(guān)鍵的植物膠稠化劑為含半乳甘露聚糖,能與交聯(lián)劑在水中釋放的中心離子發(fā)生交聯(lián)。圖2為植物膠稠化劑與中心離子交聯(lián)示意圖,表1所列為液體膠塞基本性能。

表1 液體膠塞基本性能

考慮到井深、井筒容積,將泵注排量控制在500 L/min左右,通過(guò)交聯(lián)助劑對(duì)液體膠塞的成膠時(shí)間進(jìn)行調(diào)整。圖3為液體膠塞黏度隨時(shí)間的變化情況。

從圖3 可看出,液體膠塞配制后的初始黏度在200 mPa·s以上,相對(duì)于常規(guī)壓井液黏度明顯偏高,但仍在可泵注的范圍內(nèi);25 ℃下、30 min后的黏度達(dá)到600mPa·s以上,增大了泵注時(shí)的進(jìn)液難度(后期施工過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)有一定的走空泵現(xiàn)象)。50 ℃下,液體膠塞的黏度上升非?？?有利于在井筒內(nèi)逐漸升溫后對(duì)管柱進(jìn)行快速封堵。為了提高液體膠塞的強(qiáng)度,其稠化劑和交聯(lián)劑含量高,少量的稠化劑交聯(lián)后都會(huì)造成液體膠塞黏度上升,導(dǎo)致交聯(lián)時(shí)間的精確控制困難,特別是類似水泥漿“直角稠化”性能難以實(shí)現(xiàn),進(jìn)一步增加了壓井難度。

3 壓井現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施

3.1 封堵壓力計(jì)算

清水、液體膠塞等壓井液的密度均為1.0 g/cm3,液柱壓力按式(1)計(jì)算,對(duì)于液體膠塞自身承壓,其承壓能力按式(2)計(jì)算。不考慮清水在靜態(tài)下的摩阻,清水對(duì)井筒的封堵壓力即為清水液柱壓力;液體膠塞對(duì)井筒的封堵壓力為液體膠塞液柱壓力與自身承壓能力之和,見(jiàn)式3。

式中:p液柱為液柱壓力,MPa;p承壓為液體膠塞自身承壓,MPa;p封堵為液體膠塞封堵壓力,MPa;ρ為液體膠塞密度,kg/m3;g為重力加速度,取值為9.8 N/kg;h為封堵的液柱垂高,m;L為封堵的液柱長(zhǎng)度,m;A為單位長(zhǎng)度液體膠塞的承壓能力,取值為15 MPa/1000 m。

3.2 清水壓井

壓井前敞井1 h后,油壓、套壓均降至0 MPa,點(diǎn)火焰高1.0～1.5 m;采用吊灌清水方式向油管正注入清水39.8 m3,用液面監(jiān)測(cè)儀測(cè)得油管內(nèi)液面為2863.27 m,油管中液面在射孔段以上,但火焰一直不熄。由于油管中液面在雷口坡射孔段以上550 m,液柱壓力不足以平衡地層壓力,存在氣竄。檢測(cè)井口產(chǎn)氣含H2S,進(jìn)一步證實(shí)了雷口坡氣竄,后15天內(nèi)連續(xù)多次清水壓井,油管、環(huán)空分別累計(jì)注入清水1923.1 m3、1742.1 m3,壓井后油壓和套壓為0 MPa,0.5～1 h后井口產(chǎn)氣(H2S質(zhì)量濃度為12.74～73.59 g/m3),清水壓井不成功。

3.3 添加除硫劑壓井

考慮到Z-7井壓力低,大量清水壓井后可維持井口無(wú)氣0.5～1 h,因此,擬采用持續(xù)吊灌清水壓井方式進(jìn)行換井口作業(yè),并考慮添加除硫劑來(lái)避免含硫氣氣竄帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)?，F(xiàn)場(chǎng)配制4%(w)～5%(w)的除硫劑溶液,分別向油管正注除硫劑溶液30 m3、環(huán)空反注除硫劑溶液60 m3。壓井后敞井,井口仍快速產(chǎn)氣,后連續(xù)采用除硫劑溶液131 m3壓井,仍不成功,檢測(cè)氣體中H2S質(zhì)量濃度為44.9～45.43 g/m3,添加除硫劑不能消除H2S帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)。

3.4 液體膠塞壓井

3.4.1 單一液體膠塞壓井

在環(huán)空敞開(kāi)條件下,采用壓裂車正注液體膠塞13 m3(密度1.0 g/cm3,p H 值7～8),控制排量500 L/min左右(下同),泵壓1 MPa,清水頂替液體膠塞完全入井筒(下同)。關(guān)井候凝8 h后,油壓1.2 MPa,點(diǎn)火焰高1.0～1.5 m,監(jiān)測(cè)油管內(nèi)液面為2547.45 m,距雷口坡射孔段為877.6 m,計(jì)算液柱壓力為8.6 MPa,液體膠塞自身承壓能力13.2 MPa,理論上兩者之和的封堵壓力能克服地層壓力,但實(shí)際壓井不成功。原因在于環(huán)空未注入液體膠塞壓井,而Z-7井存在H2S腐蝕,可能在液體膠塞上塞面以上存在油管穿孔,導(dǎo)致須二段氣體竄至油管。油管內(nèi)液面距須二射孔段為233.5 m,計(jì)算液柱壓力為2.3 MPa,液體膠塞自身承壓能力為3.5 MPa,封堵壓力不能克服地層壓力,導(dǎo)致氣竄。從后續(xù)壓井成功后起出的油管發(fā)現(xiàn),油管在2886.21 m、3022.17 m有2處穿孔,孔徑分別為8 mm、11 mm,進(jìn)一步證實(shí)了第一次液體膠塞壓井不成功的原因。

繼續(xù)正注液體膠塞7 m3,反注液體膠塞14 m3。關(guān)井后,油壓、套壓均為0 MPa,4 h后井口起壓。液體膠塞壓井效果明顯優(yōu)于清水以及除硫劑溶液壓井,在壓井液量大幅降低的情況下,井口起壓時(shí)間大幅增加。由于液體膠塞中植物膠的順式羥基在交聯(lián)劑中心離子的作用下形成了交聯(lián)的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),黏度急劇上升,高含量的植物膠最終形成了高黏彈性固體狀物質(zhì),封堵能力大幅提高,但壓井有效期僅4 h,遠(yuǎn)低于室內(nèi)48 h,也遠(yuǎn)低于在其他施工井5～7天的有效期。這主要是由于該井H2S含量較高,H2S的酸性作用使得交聯(lián)劑中的中心離子朝著生成絡(luò)合物的方向進(jìn)行,導(dǎo)致與液體膠塞交聯(lián)的中心離子減少,液體膠塞逐漸破膠,有效期大幅縮短。

3.4.2 液體膠塞+纖維復(fù)合壓井

考慮到短時(shí)間難以解決H2S酸性帶來(lái)的液體膠塞破膠問(wèn)題,現(xiàn)場(chǎng)采用液體膠塞+纖維的方式來(lái)提高液體膠塞的承壓能力,即使存在H2S 帶來(lái)的破膠作用,也可在一定時(shí)間內(nèi)依靠纖維與未完全破膠的液體膠塞實(shí)現(xiàn)井筒封堵,延長(zhǎng)壓井有效時(shí)間。纖維可以在井底附近通過(guò)堆砌和架橋作用實(shí)現(xiàn)易漏失地層的封堵[13-14],且在液體膠塞中相互纏繞可提高液體膠塞的強(qiáng)度,最終使得液體膠塞的承壓能力大幅提高。該井采用的纖維為可降解纖維,在70 ℃下的降解時(shí)間為5天。圖4是液體膠塞添加纖維前后對(duì)易漏失氣井壓井的對(duì)比示意圖。

從圖4可看出,纖維在易漏失地層的堆砌、架橋作用,可以避免液體膠塞在成膠前大量地漏失到地層,從而提高封堵效果。

現(xiàn)場(chǎng)先正注1%(w)纖維的液體膠塞9 m3,泵壓16～20 MPa;再反注1%(w)纖維的液體膠塞5 m3,泵壓10～16 MPa;關(guān)井后,油壓、套壓均為0 MPa,9 h后,油套分別敞井,井口無(wú)液、無(wú)氣,監(jiān)測(cè)油管內(nèi)液面在1470 m,環(huán)空液面在2200 m,多次監(jiān)測(cè)液面未下行。對(duì)于油管封堵,油管內(nèi)液體膠塞上塞面距離雷口坡射孔段1955 m,計(jì)算液柱壓力為19.2 MPa,射孔段上方液體膠塞自身承壓能力為29.3 MPa,封堵壓力為48.5 MPa,即使油管在2886.21 m、3022.17 m 有2處穿孔,油管內(nèi)穿孔處上方的液體膠塞也完全能夠克服地層壓力。對(duì)于環(huán)空封堵,環(huán)空內(nèi)液體膠塞上塞面距離須家河射孔段462 m,計(jì)算液柱壓力和液體膠塞承壓能力之和為11.5 MPa,能夠克服地層壓力。壓井成功后順利完成后續(xù)的拆采氣樹(shù),裝試壓四通、防噴器等修井作業(yè)。

3.5 液體膠塞破膠解堵

后續(xù)修井作業(yè)完成后,考慮到井筒中可能存在未完全破膠的液體膠塞,因此,向井筒注入解堵液(p H值為1的酸液)進(jìn)行破膠解堵。先向油管正注解堵液12 m3,泵壓0 MPa,停泵時(shí),油管存自吸現(xiàn)象。由于Z-7井為回注井,泵注解堵液時(shí)無(wú)壓力顯示,且有自吸現(xiàn)象,表明井筒以及近井地層非常通暢,液體膠塞已經(jīng)完全破膠。

4 認(rèn)識(shí)與建議

(1)利用植物膠在井筒中形成高黏度膠塞,依靠膠塞的高黏度以及與管柱之間的膠結(jié)作用封堵低壓易漏失含硫氣井,實(shí)現(xiàn)暫堵壓井是可行的,現(xiàn)場(chǎng)解決了“上竄下漏”問(wèn)題。

(2)含硫氣體對(duì)于液體膠塞的破膠作用較大,大幅縮短了壓井的有效期,添加可降解纖維能提高液體膠塞的封堵性能,大幅提升了液體膠塞的承壓能力,纖維在修井后可自動(dòng)降解,不會(huì)造成地層傷害。

(3)進(jìn)一步提高液體膠塞強(qiáng)度和精確控制液體膠塞的成膠時(shí)間是液體膠塞暫堵壓井技術(shù)的發(fā)展方向之一,采用少量的高強(qiáng)度液體膠塞對(duì)井筒目的位置進(jìn)行精確封堵。

(4)復(fù)雜地層的鉆井液漏失是制約鉆井提速和儲(chǔ)層保護(hù)的重要因素,可以探討液體膠塞暫堵技術(shù)在鉆井堵漏中的應(yīng)用。