阿姆河右岸氣田油層套管防氣竄固井技術

孫紅偉 柳世杰 聶世均 李 兵 賓國成 張穎梅

1．中國石油川慶鉆探工程公司井下作業(yè)公司 2．中國石油川慶鉆探工程公司國際工程公司

土庫曼斯坦阿姆河右岸天然氣開發(fā)項目是中國石油天然氣集團公司在海外投資運營的最大天然氣項目之一，項目區(qū)塊位于土庫曼斯坦東部阿姆河與烏茲別克斯坦邊界之間的狹長區(qū)域，是中國—中亞天然氣管道的源頭和重要的氣源地。

在阿姆河右岸天然氣田勘探開發(fā)的早、中期，由于技術不過關，該地區(qū)的鉆井成功率只有40%，鉆井成功的井固井后環(huán)空帶壓率高達40%。提高固井質量，減少環(huán)空氣竄的發(fā)生，是保證阿姆河右岸天然氣田的順利開發(fā)的關鍵環(huán)節(jié)之一。

1 阿姆河右岸氣田地質概況

阿姆河右岸項目區(qū)塊大部分地區(qū)為沙漠和半沙漠，僅部分為阿姆河綠洲。構造位置位于阿姆河盆地東北部（圖1），從北東向南西橫跨阿姆河盆地查爾朱臺階、別什肯特坳陷和西南基薩爾山前沖斷帶3個二級構造單元，構造類型復雜多樣［1－2］。

圖1 土庫曼斯坦阿姆河右岸區(qū)塊氣田分布圖

阿姆河右岸天然氣田從下向上分別由侏羅系、白堊系、古近系、新近系和第四系組成，其中，中下侏羅統(tǒng)濱海相碎屑巖為本區(qū)主力烴源巖，上侏羅統(tǒng)下部卡洛夫組—牛津階組為一套碳酸鹽巖，厚度介于250～410 m，是天然氣勘探的重點層系，其他層系尚未發(fā)現(xiàn)工業(yè)性氣層?？宸蚪M—牛津組儲集空間類型主要是孔隙、溶洞及裂縫；粒間孔和晶間孔是主要孔隙類型之一；儲集類型主要為孔隙—溶洞型，局部構造裂縫相對發(fā)育，為裂縫—孔隙型；氣藏類型主要有堤礁相塊狀高孔滲氣藏、點礁相透鏡狀中—高孔滲氣藏和灘相層狀中—低孔滲氣藏［3－4］。

2 固井防氣竄面臨的主要挑戰(zhàn)

本區(qū)卡洛夫組—牛津組儲層埋藏深度介于2 300～4 100m，A、B區(qū)塊第三次開鉆311．2mm鉆頭鉆至啟莫里階組鹽膏層底，下入244．5mm＋250．8 mm的復合技術套管封隔長段鹽膏層及鹽上含氣層；第四次開鉆采用215．9mm鉆頭鉆開主要目的層的牛津—卡洛夫階儲層，下入177．8mm套管（或備用方案的127．0mm套管）作產層生產套管，確保產層實行專打和儲層保護［4］，但牛津—卡洛夫階儲層厚度在500～700m，固井作業(yè)仍面臨如下技術挑戰(zhàn)。

1）由于沉積環(huán)境的不同，阿姆河右岸區(qū)塊卡洛夫組—牛津組儲層壓力存在巨大差異，西部區(qū)域為低壓—正常壓力系統(tǒng)，壓力系數(shù)為0．85～1．08，固井施工過程中易發(fā)生漏失，固井質量難以保證；東部及東南部區(qū)域為異常高壓壓力系統(tǒng)，壓力系數(shù)為1．65～1．90，水泥漿在膠凝失重階段易發(fā)生地層氣體竄流［5］。

2）產層套管固井采用全井水泥封固，水泥漿柱較長，候凝階段水泥漿膠凝失重導致的環(huán)空靜液壓力下降值較大，地層氣體會在環(huán)空液柱壓力降至低于地層壓力時溢出形成竄槽［6－8］。

3）殘留在環(huán)空中的鉆井液和被鉆井液污染的水泥漿是形成氣竄的重要因素。

4）水泥漿凝固過程中的體積縮小會導致在水泥環(huán)與井壁、水泥環(huán)與套管之間出現(xiàn)微環(huán)隙，地層氣體容易通過這些微環(huán)隙形成竄流。

5）氣藏中含有CO2和H2S等酸性腐蝕氣體，易造成水泥環(huán)腐蝕破壞，形成氣竄通道。

3 主要防氣竄固井技術措施

3．1 固井施工準備

3．1．1 井筒準備

在鉆井階段確保井身質量，井徑能保證套管順利下入，盡量減少井內的“糖葫蘆”井段和“大肚子”井段；井斜、方位、狗腿度等數(shù)據(jù)有助于保證套管居中。

3．1．2 下套管

鉆井隊確保下套管前井內壓力平衡，沒有漏失或溢流等復雜情況。加入適量的扶正器，確保套管居中度達到67%。

3．1．3 鉆井液性能調整

套管下至設計深度后，嚴格按照相關標準循環(huán)鉆井液并調整性能，降低鉆井液的屈服值：若鉆井液密度小于1．30g／cm3，屈服值宜小于5Pa；若密度在1．30～1．80g／cm3，屈服值宜小于8Pa；若密度大于1．80g／cm3，則屈服值宜小于15Pa。固井施工前鉆井液進出口密度差應小于0．02g／cm3，確保井筒清潔，井壁穩(wěn)定。

3．2 水泥漿性能控制

3．2．1 密度設計

根據(jù)地層壓力確定水泥漿密度，固井施工過程中，環(huán)空液柱壓力必須高于地層流體壓力，低于地層破裂壓力。從提高水泥漿頂替效率方面考慮，要求水泥漿密度大于鉆井液密度。為此研制出了3套水泥漿體系，包括有密度范圍在1．40～1．50g／cm3的微硅水泥漿體系，密度范圍在1．85～2．00g／cm3的常規(guī)G級水泥漿體系，以及密度范圍在2．00～2．30g／cm3的加重水泥漿體系［9］等。對于破裂壓力系數(shù)較低，低于或非常接近地層流體壓力系數(shù)的地層，必須在固井施工前采取相應措施，提高地層的承壓能力和防漏失能力，否則會造成儲層污染，并且固井質量難以保證。

3．2．2 直角稠化

固井形成的水泥環(huán)需要滿足不同氣田的地質條件對力學性能及界面膠結性能的要求，各個油氣田做了大量研究試驗工作［10］，在該氣田采用了SD系列固井水泥添加劑，該體系使水泥漿具有很好的直角稠化性能，在水泥漿從液態(tài)轉為固態(tài)的過渡階段，地層流體在環(huán)空形成竄流的風險大大降低（圖2、表1）。

3．2．3 防腐性能

圖2 SD系列水泥漿稠化曲線圖

H2S等酸性介質對水泥環(huán)的腐蝕行為研究已不斷深入，得到了水泥石強度與H2S分壓值、接觸時間的關系［11］，為了阻止 H2S對水泥石的腐蝕，在水泥中加入活性硅（SD100）等抗腐蝕材料，活性硅材料SD100能與Ca（OH）2反應生成水化硅酸鈣新物相，減少水泥中的鈣硅比，并且新物相結構致密，能大大提高水泥石的抗CO2和H2S腐蝕能力。在水泥漿中混入的SD10、SD12或SD18高分子聚合物吸附于水泥顆粒表面形成致密的高分子材料膜，能降低水泥石滲透率，也提高了水泥石的抗腐蝕能力。

3．2．4 其他性能

在水泥中混入高分子聚合物材料SD10、SD12或SD18，能在水泥漿中形成高分子凝膠膜，將水泥漿的API失水降至50mL以下，自由水降至零，降低水泥漿因“橋堵失重”和失水體積縮小而發(fā)生氣竄的可能性。膨脹劑SDP－1能使水泥石發(fā)生微膨脹，消除水泥石與套管、水泥石與環(huán)空之間的微環(huán)隙，阻止地層流體竄流。在水泥中混入防漏增韌材料SD66，能夠有效降低固井施工過程發(fā)生漏失的可能，并能夠提高水泥石的韌性和抗沖擊載荷能力。

表1 SD系列水泥漿直角稠化性能表

3．3 固井工藝技術

3．3．1 優(yōu)化的前置液結構

采用SD80沖洗液＋SD83隔離液＋領漿的前置液結構。注入紊流接觸時間達到7～10min的沖洗液SD80能充分清除井壁和套管上的膠凝物質、虛泥餅，提高水泥與套管和地層的膠結質量。密度介于鉆井液和水泥漿之間的SD83加重隔離液能充分隔離鉆井液和水泥漿，消除鉆井液對水泥漿的污染，保證施工安全。注入15m3、低于設計水泥漿密度0．10～0．20g／cm3的水泥漿作為領漿，使水泥漿與地層和套管壁之間達到足夠的接觸時間，能夠大幅度提高頂替效率和固井質量［12－13］。

3．3．2 采用多凝水泥漿柱結構

調節(jié)水泥漿的稠化時間，使水泥漿從下到上逐漸凝固，下部封固產層段的速凝水泥漿出現(xiàn)失重，直至降至水柱壓力時，上部井段的緩凝水泥漿仍保持較高的靜液壓力；當上部緩凝段降至水柱壓力時，下部速凝段水泥已經凝固［13］。緩凝和速凝水泥的封固長度之比為1．5～2，稠化時間差值一般為2～2．5h。

3．3．3 采用多級注水泥工藝

土庫曼阿姆河右岸氣田產層套管固井普遍采用全井水泥封固，為了減小水泥漿膠凝失重導致的環(huán)空液柱壓力損失，井深超過3 000m的產層套管固井采用雙級固井工藝，或者采用先懸掛尾管固井［14］，再回接至井口的固井工藝。

3．3．4 提高套管內外壓差

采用密度較低的液體頂替水泥漿，使頂替結束后套管在彈性范圍內產生軸向擠壓作用，補償水泥漿凝固后的收縮量，可消除水泥環(huán)與套管間因此形成的微間隙［13］。對于采用雙級工藝的固井施工，水泥漿被頂替到位后，關閉井口防噴器，分階段進行環(huán)空憋壓，補償水泥漿失重引起的環(huán)空液柱壓力下降。根據(jù)水泥漿的傳壓特性，憋壓在候凝20min時，能達到較高的傳壓率。

3．3．5 采用管外封隔器

地層易漏和發(fā)生氣竄風險較高的固井施工，采用帶有管外封隔器的固井工具。177．8mm尾管固井施工中，使用帶有管外封隔器的尾管懸掛器（圖3）。頂替水泥漿過程結束后，座封管外封隔器，在177．8 mm尾管與上層244．5mm套管之間的環(huán)空實現(xiàn)完全封隔，循環(huán)洗井過程增加的壓力無法傳遞到裸眼段，同時還可阻止地層流體進入封隔器以上的244．5 mm套管。

圖3 177．8mm尾管封隔器圖

4 現(xiàn)場應用情況

2008年川慶鉆探土庫曼分公司在阿姆河右岸應用上述防氣竄固井技術先期進行了6口井的先導性試驗，提高固井質量效果明顯?？偨Y應用試驗結果后，中國石油川慶鉆探工程公司井下作業(yè)公司對固井技術做了進一步優(yōu)化，截止到2011年12月，在39口井中應用情況良好，CBL測井質量優(yōu)質率達到45．27%（圖4），合格率達到77．31%，目前該區(qū)塊環(huán)空帶壓情況由2008年之前的40%下降到目前的6%。

圖4 阿姆河右岸氣田產層套管CBL測井質量統(tǒng)計圖

5 結論

1）針對阿姆河右岸固井施工預防氣竄面臨的挑戰(zhàn)，通過在井筒準備、水泥漿技術、固井工藝等方面采取綜合措施，提高了固井質量，顯著降低了環(huán)空帶壓井的比率。

2）預防固井氣竄是一個世界性難題，目前尚未有一套能夠適用于所有氣田、完全防止氣竄的方法，只有根據(jù)當?shù)貐^(qū)塊特點和鉆井情況，采用針對性措施預防氣竄。

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