川渝氣區(qū)“三高”氣井固井技術(shù)研究

黃洪春劉愛萍陳剛盧紅

1.中國(guó)石油大學(xué)石油天然氣工程學(xué)院(北京) 2.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司鉆井工程技術(shù)研究院

3.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司海洋工程有限公司 4.中國(guó)石油西南油氣田公司 5.中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院

川渝氣區(qū)“三高”氣井固井技術(shù)研究

黃洪春1,2劉愛萍3陳剛4盧紅5

1.中國(guó)石油大學(xué)石油天然氣工程學(xué)院(北京) 2.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司鉆井工程技術(shù)研究院

3.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司海洋工程有限公司 4.中國(guó)石油西南油氣田公司 5.中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院

黃洪春等.川渝氣區(qū)“三高”氣井固井技術(shù)研究.天然氣工業(yè),2010,30(4):70-73.

為解決川渝氣區(qū)“三高”(高壓、高含硫、高危)氣井固井難題,在分析其固井技術(shù)難點(diǎn)的基礎(chǔ)上,通過(guò)對(duì)水泥腐蝕機(jī)理的分析,提出采用水泥漿不同配料組分的顆粒粒徑合理級(jí)配來(lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)水泥漿的方法。據(jù)此,經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)篩選出漂珠低密度水泥和纖維—膠乳—微膨脹水泥兩套具有高強(qiáng)度、良好流變性并能形成低滲透致密水泥石的防腐水泥漿體系。從井眼準(zhǔn)備、固井井下工具、提高注替效率、固井漏失補(bǔ)救、壓穩(wěn)等方面研究了提高固井質(zhì)量的措施。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明,該固井技術(shù)的固井合格率和優(yōu)質(zhì)率都得到了明顯提高。形成了一套川渝氣區(qū)“三高”氣井各層段套管固井技術(shù)和配套工藝技術(shù),可用于指導(dǎo)生產(chǎn),能夠保證“三高”氣井的固井質(zhì)量。

川渝地區(qū) 深井 超深井 高含硫氣井 水泥漿 固井工藝 應(yīng)用

0 引言

近年來(lái),川渝地區(qū)天然氣勘探取得了重大突破,相繼發(fā)現(xiàn)了多個(gè)大型氣田,已成為國(guó)家重要的油氣勘探開發(fā)戰(zhàn)略接替區(qū)和“川氣東送”等工程的主要?dú)庠磪^(qū)之一。但上述新發(fā)現(xiàn)的氣田大部分具有埋藏深、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,特別是 H2S氣體含量高、地層壓力高、天然氣產(chǎn)量高的特點(diǎn),給固井帶來(lái)困難,固井質(zhì)量難以保證,甚至出現(xiàn)了部分井在固井后不久就井口竄氣導(dǎo)致環(huán)空帶壓,給氣井的安全生產(chǎn)帶來(lái)了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),影響了氣井的生產(chǎn)壽命,也給固井提出了新的課題。

1 川渝氣區(qū)“三高”氣井固井難點(diǎn)分析

川渝氣區(qū)“三高”(高壓、高含硫、高危)氣井地質(zhì)條件復(fù)雜,具有海相與陸相沉積共存、裂縫發(fā)育以及構(gòu)造變化大等特點(diǎn),對(duì)地質(zhì)環(huán)境認(rèn)識(shí)不清,沒有有效的描述和碳酸鹽巖地層壓力預(yù)測(cè)手段,鉆井經(jīng)常打“遭遇戰(zhàn)”,而現(xiàn)有固井長(zhǎng)效封固質(zhì)量保障技術(shù)不能滿足“三高”氣井的安全要求[1]。川渝氣區(qū)“三高”氣井固井難點(diǎn)主要如下[2]:

1)斷層多,裂縫、孔隙和溶洞發(fā)育,從侏羅系沙溪廟組—二疊統(tǒng)茅口組均存在嚴(yán)重井漏。漏失井段長(zhǎng),漏層連續(xù)不斷,漏層位置難以找準(zhǔn)。表層套管、技術(shù)套管和油層套管固井都出現(xiàn)井漏現(xiàn)象。

2)井眼質(zhì)量不好,主要是地層傾角大(30°～50°)、易井斜,套管居中困難;部分層段易塌,井徑不規(guī)則,出現(xiàn)“糖葫蘆”井眼;導(dǎo)致固井第2界面膠結(jié)不良;上部以沙溪廟組和自流井組為主;中部以嘉陵江組為主。

3)地層縱橫展布及氣水關(guān)系復(fù)雜,大多數(shù)氣田縱向有多個(gè)產(chǎn)層,呈現(xiàn)多壓力體系(如龍16井、龍17井和L G2井等),窄壓力窗口困擾固井質(zhì)量;高低壓力相間,并有異常低壓到異常高壓交互出現(xiàn)的現(xiàn)象,相鄰產(chǎn)層的壓力梯度一般相差(0.4～0.6)MPa/100m,最高為1.0MPa/100m,壓力系數(shù)當(dāng)量密度為1.00～2.40g/cm3。部分地區(qū)存在高壓鹽水層。

4)井深,溫度、壓力高(見表1),高密度對(duì)固井材料與工藝要求苛刻。

5)受國(guó)內(nèi)套管尺寸系列的限制,常用井身結(jié)構(gòu)(采用?508mm+?339.7mm+?244.5mm+?177.8mm+?127mm的套管結(jié)構(gòu))帶來(lái)一次固井封固段長(zhǎng),深井超深井的下部套管固井上下溫差大,大溫差極易發(fā)生水泥漿超緩凝現(xiàn)象,固井質(zhì)量無(wú)法保證。

6)超深井油層套管小井眼、小間隙段固井質(zhì)量難得到保證。高含H2S和CO2等酸性物質(zhì),極易發(fā)生腐蝕,導(dǎo)致水泥石強(qiáng)度降低,防腐矛盾突出(表1)?！叭摺睔饩叹畼O易出現(xiàn)套管環(huán)空竄氣,出現(xiàn)井口環(huán)空帶壓,這也是世界級(jí)難題[3]。

表1 川渝氣區(qū)部分“三高”氣田特征資料表

2 “三高”氣井固井水泥漿研究

對(duì)“三高”氣井固井而言,必須達(dá)到兩個(gè)目標(biāo):①要有良好的固井封固質(zhì)量;②水泥石具有良好的抗腐蝕性。水泥環(huán)柱是套管的包被,水泥環(huán)的先期腐蝕可引起和加快套管的腐蝕破壞,從而影響油氣井的壽命。而水泥漿的好壞則直接決定了水泥環(huán)柱的質(zhì)量。

2.1 “三高”氣井水泥腐蝕機(jī)理及防腐對(duì)策

“三高”氣井腐蝕源主要是 H2S和CO2等酸性氣體,由水泥石腐蝕機(jī)理可知,腐蝕介質(zhì)主要是與水泥石中的成分起化學(xué)反應(yīng)。H2S與水泥石一接觸就與水泥石表面的CaO起反應(yīng)生成CaS、FeS、Al2S3,H2S含量大時(shí)生成Ca(HS)2,其中FeS、Al2S3等是沒有膠結(jié)性的物質(zhì),造成水泥石一層一層地很快被腐蝕、脫落,逐漸進(jìn)入內(nèi)部,直致穿透。當(dāng)硅酸鈣的水泥石與CO2和水接觸時(shí),發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng),水泥都會(huì)變成碳酸鹽,使水泥石強(qiáng)度下降、滲透率增加、腐蝕深入。為阻止這種反應(yīng)的進(jìn)行,需要采用抗硫水泥和降低水泥石的滲透率與孔隙度。1990年N.Milestone通過(guò)研究發(fā)現(xiàn),如果在水泥中添加少量的高鈣物質(zhì),比如高爐礦渣漂珠或高鈣粉煤灰(占水泥重量的15%)可提高抗碳酸化的能力;加入一定量的硅砂或硅粉,可大大提高水泥石抗腐蝕的能力[4-5]。

2.2 水泥漿體系研究

2.2.1 低密度水泥漿體系

由于常規(guī)低密度水泥漿的水灰比和外摻料較大,一般具有較低的抗壓強(qiáng)度和較高的滲透性,不適用于“三高”氣井固井。利用緊密堆積理論[6],優(yōu)化水泥漿配料粒度和配比,采用不易壓碎的玻璃微珠或漂珠(粒徑為80～120μm)作為減輕劑、水泥(粒徑為20～40μm)、增強(qiáng)劑(粒徑為5～10μm)設(shè)計(jì)出高性能低密度水泥漿,配方為:嘉華 G級(jí)水泥+減輕劑+降失水劑+調(diào)凝劑+增強(qiáng)劑,性能參數(shù)見表2。

表2 低密度水泥漿性能參數(shù)表

2.2.2 纖維—膠乳—微膨脹水泥漿體系

考慮到川渝氣區(qū)固井防漏、防氣竄和抗腐蝕的要求,利用纖維阻止微裂縫的生成、擴(kuò)展,阻止水泥石失效防漏失;利用膠乳充填水泥石孔隙,利用微膨脹材料補(bǔ)償水泥凝固過(guò)程的收縮和充填水泥石孔隙,從而提高水泥石強(qiáng)度,防止水泥環(huán)應(yīng)力破壞,阻止氣體通過(guò)水泥石基體竄流,實(shí)現(xiàn)有效封固。纖維材料可與孔隙、裂縫壁產(chǎn)生較大的摩擦、阻掛和滯留作用,在孔隙、裂縫表面形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),進(jìn)而水泥顆粒在這些網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)上吸附、堆積形成致密的水泥漿濾餅,達(dá)到封堵裂縫和孔隙、消除漏失的目的。防漏纖維材料長(zhǎng)度范圍為0.1～8mm,不同長(zhǎng)度不同粒徑摻雜在一起,以便構(gòu)成不同長(zhǎng)度級(jí)配的網(wǎng)狀纖維群,提高粘接強(qiáng)度和封堵能力[7]。膠乳水泥是近年國(guó)外用來(lái)解決深層天然氣井防氣竄固井的新技術(shù)。膠乳是乳化聚合物的通用名稱,這種材料通常為很小的球狀聚合物顆粒的乳狀懸浮液,膠粒的粒徑為0.05～0.5μm。由于不參與水泥水化反應(yīng),因而在水泥漿凝固后,膠乳會(huì)充填水泥石孔隙,降低水泥石滲透率,成為不滲透水泥,并進(jìn)而改善強(qiáng)度發(fā)展。通過(guò)改善水泥漿顆粒級(jí)配,膠乳可以將水泥漿的API濾失量有效控制在50mL以內(nèi)。膨脹劑是一種很微小的晶格膨脹材料,在水泥硬化過(guò)程中,可使水泥石晶格發(fā)生微小膨脹,使水泥石致密化,并充填于水泥石的毛細(xì)孔或氣孔中,從而提高了水泥石的強(qiáng)度和抗?jié)B等性能,改善了水泥環(huán)膠結(jié)性能。

通過(guò)上述材料復(fù)配,可設(shè)計(jì)出適合川渝氣區(qū)“三高”氣井固井的纖維—微膨脹水泥漿、纖維—膠乳水泥漿和纖維—膠乳—微膨脹水泥漿體系。實(shí)驗(yàn)篩選出的水泥漿配方和性能見表3。

表3 纖維—膠乳—微膨脹水泥漿性能參數(shù)表

3 提高固井質(zhì)量技術(shù)

固井質(zhì)量受到諸多因素的制約,需要從工藝技術(shù)、水泥漿性能、兩相液體流動(dòng)規(guī)律及水泥漿凝固特性等諸多方面進(jìn)行綜合研究,從而制訂出系統(tǒng)的、合理的技術(shù)措施。就川渝氣區(qū)“三高”氣井而言,為提高水泥環(huán)封固質(zhì)量仍需要解決以下較關(guān)鍵的技術(shù)問(wèn)題:①水泥漿頂替、清除“糖葫蘆”井段以及小、窄環(huán)空鉆井液的兩相液體流動(dòng)問(wèn)題;②水泥漿凝固過(guò)程中因水泥漿失重而造成的氣竄問(wèn)題等[8]。

3.1 井眼準(zhǔn)備

鉆井期間保持井眼規(guī)則,下套管前用穩(wěn)定器剛性通井,固井前堅(jiān)持地層承壓堵漏,充分循環(huán),保證井底清潔和井壁穩(wěn)定;合理調(diào)整鉆井液性能,在保證平衡油、氣、水層壓力的前提下,應(yīng)盡量降低鉆井液密度、靜切力、屈服值和塑性黏度,以增大其與水泥漿性能之間的差距,提高頂替效率。

3.2 采用高可靠性固井井下工具

選用可靠性高的固井井下工具,材質(zhì)上要抗硫,強(qiáng)度滿足要求。對(duì)尾管固井采用帶封隔器的尾管懸掛器,解決氣井尾管固井存在的喇叭口竄氣問(wèn)題,保障尾管固井質(zhì)量。

3.3 提高固井注替效率

研究表明,影響川渝氣區(qū)“三高”氣井注水泥頂替效率的因素主要有:井徑不規(guī)則,套管在井內(nèi)的居中度,液體在環(huán)空間的流動(dòng)狀態(tài),紊流時(shí)液體流過(guò)封隔層位所接觸的時(shí)間,鉆井液的觸變性,鉆井液與水泥漿的相容性和流變性,水泥漿與鉆井液的密度差等。

為提高固井注替效率,可采用以下技術(shù)措施:①用剛性扶正器強(qiáng)化套管居中,保證居中度在70%以上;②采用優(yōu)質(zhì)前置液和沖洗液,合理用量;③優(yōu)化設(shè)計(jì)水泥漿注替參數(shù),除表層套管外,在保證井下不漏失的前提下,盡量采用大排量頂替;④旋轉(zhuǎn)尾管技術(shù);⑤要精心組織施工,采用水泥批混并保持施工連續(xù)性,水泥漿混配均勻,施工密度差應(yīng)控制在0.02g/cm3以下。

3.4 正注反擠補(bǔ)救固井工藝

固井施工應(yīng)力求避免發(fā)生井下漏失,但發(fā)生井漏后就需要采用有效的措施進(jìn)行補(bǔ)救。對(duì)于窄壓力窗口、多漏失層段,采取間歇式反擠作業(yè)。當(dāng)擠入上部漏失層的水泥漿停止流動(dòng)一定時(shí)間后會(huì)提高該漏失層的承壓能力。因此,再次開始擠注時(shí)水泥漿可能繼續(xù)下行到達(dá)下部漏層。反復(fù)多次擠注就會(huì)將所有漏失層和裸眼段封固,在一定程度上能提高固井質(zhì)量。

3.5 采用過(guò)平衡兩凝憋回壓壓穩(wěn)氣層法固井工藝

相對(duì)而言,在高壓氣井中發(fā)生氣竄的現(xiàn)象比一般氣井要多得多,危險(xiǎn)性也大,特別是“三高”氣井。因此,可采用“三壓穩(wěn)”及兩凝水泥憋回壓壓穩(wěn)氣層,防止氣竄[9]。即在注水泥結(jié)束后,水泥漿初凝前,給井口環(huán)空施加一定的回壓,以補(bǔ)償水泥漿在固化過(guò)程中由于“自身懸掛”而引起的靜液柱壓力的損失,從而防止氣竄[10]。井口環(huán)空憋壓候凝的附加壓力滿足下列公式的要求。井口環(huán)空反憋壓力時(shí)間宜在快凝段水泥初凝前1h左右實(shí)施。

式中:pf為地層破裂壓力,MPa;pp為地層孔隙壓力, MPa;pm為緩凝水泥漿上部井內(nèi)液柱壓力,MPa;psc為緩凝水泥漿液柱壓力,MPa;pac為快凝水泥漿液柱壓力,MPa;pad為井口環(huán)空反憋壓力,MPa;p0為經(jīng)驗(yàn)值,一般取2～3MPa。

上述水泥漿體系和配套固井工藝在四川劍閣和L G地區(qū)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用,固井合格率和優(yōu)質(zhì)率得到大幅度提高(表4)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),提出了川渝氣區(qū)“三高”氣井分井段固井技術(shù)思路和相關(guān)技術(shù)方案(表5)。

表4 部分試驗(yàn)井固井質(zhì)量統(tǒng)計(jì)表%

4 結(jié)論

1)“三高”氣井固井的核心是防氣竄、環(huán)空有效密封和形成致密低滲高強(qiáng)防腐蝕的水泥石。

2)影響固井質(zhì)量的因素很多,需要綜合加以考慮,并作為一項(xiàng)系統(tǒng)工程來(lái)對(duì)待。川渝氣區(qū)“三高”氣井固井重點(diǎn)要解決大溫差超緩凝和井口環(huán)空帶壓等問(wèn)題。

3)對(duì)易漏地層在固井前要堅(jiān)持地層承壓堵漏,采用環(huán)空憋壓候凝、帶封隔器的尾管懸掛器等方法或設(shè)備有利于提高“三高”氣井固井質(zhì)量。以玻璃微珠或漂珠低密度水泥作領(lǐng)漿、纖維—膠乳—微膨脹水泥作尾漿的雙密度雙凝水泥漿體系可明顯改善川渝氣區(qū)“三高”氣井?244.5mm和?177.8mm套管固井質(zhì)量,固井合格率和優(yōu)質(zhì)率都得到了有效提高。

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DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.04.017

Huang Hongchun,born in1966,holds an M.Sc.degree,being mainly engaged in the drilling,cementing and completion research.

Add:Building S,Jingxinyuan Residential Area,No.Jia25,Beiwucun Rd.,Haidian District,Beijing100195,P.R.China

Tel:+86-10-52781861 Mobile:+86-13911232198 E-mail:hhc66@petrochina.com.cn

Cementing technologies for gas wells with high pressure and high sulfur content and high risk in Sichuan and Chongqing gas fields

Huang Hongchun1,2,Liu Aiping3,Chen Gang4,Lu Hong5
(1.College ofPetroleum Engineering,China University ofPetroleum,Beijing102249,China;2.Drilling Research Institute,CN PC,Beijing100097,China;3.China Petroleum Of f shore Engineering L td.,CN PC, Beijing100176,China;4.Southwest Oil&Gasf ield Company,PetroChina,Chengdu,Sichuan610051, China;5.L angf ang B ranch,Research Institute ofEx ploration and Development,PetroChina,L angf ang, Hebei065007,China)

In order to solve the cementing problems,inchuding low annulus cementing quality and bad corrosion resistance of the gas wells with high pressure and high sulfur content and high risk(the so-called three highs)in Sichuan and Chongqing gas fields,this paper proposes an anticorrosive idea of cementing for"three highs"gas wells,and presents an idea of using different components with proper particle size distribution to optimize the design of a cement system,based on an analysis of the cement corrosion mechanism.Therefore,two anticorrosive cement slurry systems were selected by means of experimental studies,namely the floating bead lightweight cement and the fiber-latex-slightly swelling cement,both of which were experimentally optimized with high strength and favorable rheological property and tight cement sheath with low permeability.Moreover,the methods were analyzed to enhance the cementing quality in terms of borehole preparation,downhole tools for cementing,displacement efficiency improvement,remedy for lost circulation,and pressure stability.Field application results show that the qualification rate and high-quality rate of cementing have been obviously improved by using these optimized cementing techniques.Thus,casing cementing and corresponding matchingtechnologies have been formed as an expertise in each section of"three highs"gas wells in Sichuan and Chongqing gas fields,which can be used as guidance for gas field operation and guarantee for the cementing quality of"three highs"gas wells.

Sichuan and Chongqing gas fields,"three highs"gas well,cement slurry,cementing technology,field application

book=70,ebook=432

10.3787/j.issn.1000-0976.2010.04.017

2009-11-27 編輯 鐘水清)

“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目“三高氣田鉆完井安全設(shè)計(jì)技術(shù)”(編號(hào):2008BAB37B01)和中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司科研項(xiàng)目(編號(hào):07G2030210)。

黃洪春,1966年生,高級(jí)工程師,博士研究生;主要從事鉆井、固井完井技術(shù)研究工作。地址:(100195)北京市海淀區(qū)四季青鎮(zhèn)北塢村路甲25號(hào)靜芯園小區(qū)S座。電話:(010)52781861,13911232198。E-mail:hhc66@petrochina.com.cn

NATUR.GAS IND.VOLUME30,ISSUE4,pp.70-73,4/25/2010.(ISSN1000-0976;In Chinese)