長(zhǎng)慶神木區(qū)塊天然氣井一次上返固井技術(shù)

萬(wàn)向臣，王 鵬，孫永剛

(1.西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065；2.中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院，陜西 西安 710018；3.中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司長(zhǎng)慶固井公司，陜西 西安 710018；4.中國(guó)石化華北石油工程有限公司井下作業(yè)分公司，河南 鄭州 450000)

長(zhǎng)慶神木區(qū)塊天然氣井一次上返固井技術(shù)

萬(wàn)向臣1，2，王 鵬3，孫永剛4

(1.西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065；2.中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院，陜西 西安 710018；3.中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司長(zhǎng)慶固井公司，陜西 西安 710018；4.中國(guó)石化華北石油工程有限公司井下作業(yè)分公司，河南 鄭州 450000)

長(zhǎng)慶油田神木區(qū)塊天然氣井固井難度大，上部劉家溝組承壓能力低，下部含氣層跨度大，氣層活躍，完井改造過(guò)程中井筒內(nèi)壓力高。為提高套管串承壓能力及密封性，該區(qū)塊改分級(jí)固井為一次上返固井工藝。為解決該區(qū)塊一次上返固井難題，研發(fā)了以GGQ復(fù)合減輕材料為主的低密度水泥漿體系封固上部低壓易漏層，泡沫防竄水泥漿體系封固下部氣層活躍地層。實(shí)驗(yàn)表明低密度水泥漿體系受壓后密度變化值小，且具有一定的防漏堵漏功能；泡沫防竄水泥漿體系能夠有效防止氣竄產(chǎn)生?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，該套體系能夠解決神木區(qū)塊一次上返固井難題，提高該區(qū)塊固井質(zhì)量。

固井 低密度水泥漿 防氣竄 低壓易漏 泡沫水泥

神木區(qū)塊位于長(zhǎng)慶氣田東部，鄂爾多斯盆地伊陜斜坡構(gòu)造，主力儲(chǔ)層為二疊系下統(tǒng)山西組及太原組，鉆進(jìn)過(guò)程中依次穿越石千峰組、石盒子組、山西組、太原組、本溪組等多層含氣地層。且石千峰組上部地層劉家溝組承壓能力低，地層漏失壓力當(dāng)量密度1.25～1.40 g/cm3。神木區(qū)塊天然氣井完井方式為套管射孔完井，為提高套管串承壓能力及其密封性，采用一次上返固井工藝，要求全井段封固，固井質(zhì)量滿足射孔壓裂等后續(xù)作業(yè)要求。

1 神木區(qū)塊一次上返固井難點(diǎn)與技術(shù) 措施

1.1 固井難點(diǎn)

(1)含氣層埋藏較淺、跨度較大，容易發(fā)生氣竄。據(jù)鉆井資料得知，該區(qū)塊本溪組、太原組、山西組、石盒子組、石千峰組均有不同程度的氣層顯示，1 700～2 800 m為含氣地層，多口井固井過(guò)程中出現(xiàn)氣竄現(xiàn)象[1]。

(2)上部地層劉家溝組承壓能力低，固井過(guò)程中易發(fā)生漏失，導(dǎo)致水泥漿返高不夠，同時(shí)容易因靜液柱壓力下降而未能有效壓穩(wěn)氣層導(dǎo)致氣竄。

(3)采用一次上返固井工藝，封固段長(zhǎng)，增大了劉家溝組地層漏失的風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 技術(shù)措施

針對(duì)神木區(qū)塊地質(zhì)特點(diǎn)及存在的固井難點(diǎn)采取了以下措施：

(1)封固段設(shè)計(jì)合理的低密度水泥漿體系，保持低密度水泥漿體系加壓后密度穩(wěn)定且小于劉家溝組地層漏失壓力當(dāng)量密度，防止一次上返固井過(guò)程中壓漏地層。

(2)提高氣層段水泥漿體系防竄性能，從水泥環(huán)界面、本體、水泥漿過(guò)度段時(shí)間等多個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化。

(3)提高固井過(guò)程中井筒內(nèi)壓力控制技術(shù)，做好防漏壓穩(wěn)工作[2]。

2 低密度水泥漿體系

2.1 復(fù)合減輕劑GGQ

復(fù)合減輕劑GGQ是由耐壓空心微珠、防漏減輕顆粒材料、強(qiáng)度激活劑和穩(wěn)定劑組成，其主體成份空心微珠粒徑在100 μm左右，球度好，配置的水泥漿摩阻系數(shù)低。防漏減輕顆粒材料為球狀可變性有機(jī)材料，壓差作用下遇裂縫產(chǎn)生一定形變及時(shí)封堵裂縫端口。

將復(fù)合減輕劑GGQ配成的低密度體水泥漿與常規(guī)低密度水泥漿進(jìn)行對(duì)比，按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19139-2012進(jìn)行耐壓密度測(cè)試，結(jié)果見表1。

表1 不同低密度體系耐壓密度測(cè)試結(jié)果

從表1可以看出，經(jīng)耐壓密度測(cè)試，漂珠體系和輕珠體系水泥漿密度變化較大，GGQ體系低密度水泥漿耐壓性好，1.30 g/cm3水泥漿體系經(jīng)40 MPa加壓測(cè)試密度變化值Δρ=0.02 g/cm3。

2.2 低密度水泥漿體系性能

結(jié)合神木區(qū)塊地質(zhì)鉆井資料，將G級(jí)油井水泥、復(fù)合減輕劑GGQ、油井水泥降失水劑、緩凝劑和消泡劑復(fù)配形成適合神木區(qū)塊低密度水泥漿體系，并對(duì)不同密度水泥漿體系進(jìn)行性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表2。

表2 GGQ低密度水泥漿體系性能

從表2可以看出，GGQ低密度水泥漿體系密度可調(diào)，1.20～1.35 g/cm3水泥漿體系穩(wěn)定，耐壓密度性能好，加壓40 MPa后Δρ≤0.03 g/cm3，加壓后水泥漿密度小于神木區(qū)塊劉家溝組漏失當(dāng)量密度(1.25～1.40 g/cm3)，可以實(shí)施一次上返固井工藝。

2.3 低密度水泥漿體系防漏性能測(cè)試

神木區(qū)塊劉家溝組漏失主要為滲透性漏失和微裂縫性漏失，為了模擬評(píng)價(jià)GGQ低密度水泥漿體系防漏堵漏性能，室內(nèi)進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用20目鋼珠模擬地層滲透性漏失，采用1，2，3 mm床板模擬裂縫性漏失，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。

表3 GGQ低密度水泥漿體系防漏性能

從表3可以看出，同一漏失模型條件下，隨著GGQ復(fù)合減輕材料加量的增多，水泥漿體系防漏承壓能力越強(qiáng)，其中1.20 g/cm3水泥漿在20目孔隙+1 mm縫隙模型條件下承壓能力達(dá)到3.6 MPa，按照神木區(qū)塊劉家溝組平均垂深1 800 m計(jì)算，地層漏失當(dāng)量密度提高0.20 g/cm3，為防止劉家溝組漏失成功進(jìn)行一次上返固井提供了有力保障。

3 防竄水泥漿體系設(shè)計(jì)

神木雙山區(qū)塊氣層埋藏較淺、跨度較大，含氣層跨度約800 m，氣層段水泥漿候凝過(guò)程中極易發(fā)生氣竄，如果提高上部地層水泥漿密度，劉家溝組將會(huì)產(chǎn)生漏失導(dǎo)致固井過(guò)程中井口失返，將進(jìn)一步增加氣竄量。

3.1 氣竄原因分析

通過(guò)理論研究發(fā)現(xiàn)，氣竄量與水泥漿過(guò)渡時(shí)間(固井結(jié)束后水泥漿到達(dá)設(shè)計(jì)層位至水泥漿水化到足以阻止氣竄的強(qiáng)度)長(zhǎng)短和水泥漿失重后井筒內(nèi)外壓差大小有關(guān)[3]。

過(guò)渡段時(shí)間分兩個(gè)階段，第一階段T1為頂替結(jié)束水泥漿靜止到水泥漿稠化時(shí)間結(jié)束，第二階段T2為水泥漿稠化后強(qiáng)度發(fā)展至一定強(qiáng)度(240 Pa)足以抵抗氣竄的時(shí)間[4]。T1可以通過(guò)找準(zhǔn)循環(huán)溫度縮短水泥漿稠化時(shí)間得以解決，T2主要通過(guò)提高水泥漿靜膠凝強(qiáng)度發(fā)展速度來(lái)實(shí)現(xiàn)[5]。

一次上返固井中水泥漿失重需考慮兩個(gè)方面因素：一是氣層段水泥漿凝固過(guò)程中產(chǎn)生的失重；二是低密度水泥漿靜膠凝產(chǎn)生的失重，單位長(zhǎng)度低密度水泥漿靜膠凝產(chǎn)生的失重雖小，但一次上返低密度封固段長(zhǎng)，該部分不可忽略。

治療后2個(gè)月，釉質(zhì)脫礦、牙周組織破壞、牙根吸收、黏膜潰瘍、牙齒松動(dòng)、牙髓反應(yīng)的發(fā)生率兩組間相比均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P>0.05)；而觀察組不良反應(yīng)總發(fā)生率顯著低于對(duì)照組(χ2=5.641，P<0.05)(表3)。附典型病例臨床照片(圖1～2)。

3.2 泡沫防氣竄水泥漿體系

結(jié)合神木區(qū)塊地質(zhì)特點(diǎn)及其氣竄原因，室內(nèi)開發(fā)了泡沫水泥防竄水泥漿體系，泡沫水泥漿體系到達(dá)井底后產(chǎn)生微小氣泡，微氣泡包裹壓力為水泥漿初始靜液柱壓力p0，當(dāng)水泥漿凝固過(guò)程中產(chǎn)生失重時(shí)，微氣泡圈閉的壓力p0大于失重狀態(tài)下水泥漿液柱壓力，可以部分補(bǔ)償靜液柱壓力防止氣竄的發(fā)生[6]。泡沫防竄水泥漿稠化時(shí)間設(shè)計(jì)為施工時(shí)間附加30 min(T1)，靜膠凝強(qiáng)度發(fā)展(48～240 Pa)小于10 min(T2)，尾漿膠凝強(qiáng)度達(dá)到240 Pa前低密度段水泥漿靜膠凝強(qiáng)度值≤50 Pa。

圖1 防竄水泥漿體系(尾漿)強(qiáng)度發(fā)展時(shí)間T2<10 min

圖2 低密度水泥漿體系(領(lǐng)漿)膠凝強(qiáng)度值

從圖1，2可以看出，泡沫防竄水泥漿體系的靜膠凝強(qiáng)度發(fā)展較為迅速，48～240 Pa過(guò)度時(shí)間小于10 min，領(lǐng)漿靜膠凝值在尾漿膠凝值達(dá)到240 Pa前保持較低(小于50 Pa)，可以有效防止氣竄的發(fā)生。

4 現(xiàn)場(chǎng)水泥漿封固段設(shè)計(jì)

神木區(qū)塊目的層垂深平均為2 700 m，215.9 mm井眼下139.7 mm套管一次上返固井，氣層段地層壓力平均為28.99 MPa，異常氣層壓力達(dá)33.1 MPa，易漏地層劉家溝組底界深度為1 800 m左右，平均漏失當(dāng)量密度為1.36 g/cm3，井底平均地層破裂壓力44.98 MPa；水泥漿柱設(shè)計(jì)如下:

尾漿段：泡沫水泥漿體系，密度為1.88 g/cm3，平均封固長(zhǎng)度為800 m，水泥面返至劉家溝底界以下100 m；

領(lǐng)漿段：GGQ低密度水泥漿體系，密度為1.30 g/cm3(實(shí)際密度根據(jù)易漏地層承壓能力情況進(jìn)行調(diào)整)，平均封固長(zhǎng)度為1 900 m，返至井口。

流體循環(huán)排量設(shè)計(jì)為25 L/s，低密度水泥漿流變性能n=0.65，K=0.50。地層破裂壓力梯度最低點(diǎn)為劉家溝組，其底界深1 800 m左右，底界承受壓力為靜液柱壓力(22.95 MPa)+環(huán)空摩阻(0.6～1.0 MPa)，小于平均漏失壓力24.01 MPa。

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

研究的低密度水泥漿體系和泡沫防竄水泥漿體系在神木區(qū)塊天然氣井固井中推廣應(yīng)用，全部采用一次上返固井方式，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用數(shù)據(jù)顯示：研究的低密度水泥漿體系和泡沫防竄水泥漿體系可有效降低漏失，提高氣層段固井質(zhì)量。

表4 防漏低密度水泥漿體系現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果對(duì)比

從表4可以看出，同一區(qū)域內(nèi)，相同密度的不同低密度體系返高不同，GGQ防漏低密度體系能夠返至地面，說(shuō)明GGQ低密度體系具有一定的防漏堵漏作用，可以部分提高漏失層承壓能力。

表5 泡沫水泥漿體系現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果對(duì)比

從表5可以看出，常規(guī)水泥漿體系侯凝產(chǎn)生失重后難以壓穩(wěn)氣層，氣層段固井質(zhì)量合格率均偏低。使用泡沫防竄水泥漿體系后氣層段固井質(zhì)量得到明顯改善，泡沫水泥漿體系侯凝過(guò)程中，泡沫水泥漿反應(yīng)產(chǎn)生的氣體圈閉了頂替終了的靜液柱壓力，水泥漿初凝過(guò)程中，圈閉壓力的氣體補(bǔ)償了因失重產(chǎn)生的壓降，從而防止氣竄的產(chǎn)生。

6 結(jié)論

(1)低壓易漏一次上返固井用低密度水泥漿體系需進(jìn)行耐壓密度差測(cè)試，確保井筒壓力條件下低密度水泥漿體系當(dāng)量密度小于易漏層漏失當(dāng)量密度，否則失去了現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)水泥漿密度的意義。

(2)GGQ低密度水泥漿體系耐壓性能好，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明該體系具有一定的防漏堵漏性能，適用于低壓易漏一次上返固井。

(3)天然氣井一次上返固井中裸眼段長(zhǎng)，需考慮上部水泥漿體系靜膠凝值，防止因上部水泥漿靜膠凝值過(guò)大引起下部氣竄。

(4)研發(fā)的GGQ低密度水泥漿體系和泡沫防竄水泥漿體系適合于神木區(qū)塊天然氣井一次上返固井，可有效解決上部劉家溝漏失及下部地層氣竄問(wèn)題。

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(編輯 謝 葵)

One-time up-return cementing technology for natural gas wells in Shenmu block of Changqing Oilfield

Wan Xiangchen1,2,Wang Peng3,Sun Yonggang4

(1.Xi’anShiyouUniversity,Xi’an710065,China;2.EngineeringTechnologyInstituteofCCDC,CNPC,Xi’an710018,China;3.WellCementingDepartmentofCCDC,CNPC,Xi’an710018,China;4.DownWellServiceCompanyofNorthPetroleumEngineeringCompanylimited,Zhengzhou450000,China)

The cementing technology is difficultly used to natural gas wells in Shenmu area of Changqing Oilfiled.The upper stratum is Liujiagou group with low pressure-bearing ability,and the under nature gas-bearing stratum with a long stretch is active,with high pressure in the wellhole in the process of well completion.To improve the pressure-bearing ability and tightness of the casing string,the staged cementing was changed to one-time up-return cementing in this area.In order to solve the problem of the one-time up-return cementing,we researched a low density cement slurry system based on GGQ for upper stratum with low pressure-bearing ability and anti-channeling cement slurry system with foam for the under active nature gas-bearing stratum.Experimental results showed that the density change values of low density cement slurry system is small after compression,and has function of leak-proof plugging;the foamed anti-channeling cement slurry system can effectively prevent gas-channeling.Field application results showed that the system can solve problems of up-return cementing in Shenmu area,and improve the cementing quality of the area.

cementing;low density cement slurry;prevent gas-channeling;low-pressure leakage;foamed cement slurry

2016-06-25；改回日期：2016-08-26。

萬(wàn)向臣(1985—)，工程師，在讀碩士，從事固完井技術(shù)研究工作。電話：18092108800，E-mail：wanxcg_gcy@cnpc.com.cn。

10.16181/j.cnki.fzyqc.2016.04.015

TE256.6

A