ANACO淺層氣固井氣竄分析與固井工藝技術

劉振通，王軍，陳大滄，周堅，辛志紅，張紅巖，吳廣福

（1.渤海鉆探第一固井公司，河北任丘 062552；2.渤海鉆探國際工程公司，天津 300457）

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ANACO淺層氣固井氣竄分析與固井工藝技術

劉振通1，王軍2，陳大滄1，周堅1，辛志紅1，張紅巖1，吳廣福1

（1.渤海鉆探第一固井公司，河北任丘 062552；2.渤海鉆探國際工程公司，天津 300457）

劉振通等.ANACO淺層氣固井氣竄分析與固井工藝技術[J].鉆井液與完井液，2016，33（3）：78-83.

摘要ANACO氣田位于委內(nèi)瑞拉東北部，天然氣儲量豐富，約占委內(nèi)瑞拉天然氣總產(chǎn)量60%。但該氣田具有儲層結構復雜，氣、水層自上而下分布廣，地表以下分布著多套不同壓力體系的氣層，具有地層破裂壓力低，孔隙壓力高，安全壓力窗口窄等特征；部分區(qū)塊有高壓氣、水圈閉層，形成異常高壓氣窩和水帶，能量大，壓力高。鉆井通常為五開井身結構，以封固不同壓力體系地層。上部一開～三開淺層高壓氣固井，受地層承壓能力限制，缺乏有效的井口環(huán)空壓力補償和控制手段，難以發(fā)揮多凝壓穩(wěn)水泥漿體系優(yōu)勢；上部井眼尺寸大，頂替效率低，易發(fā)生環(huán)空混竄，使水泥漿受到污染，加上水泥漿防氣竄性能差及膠凝失重等因素的作用，導致固井封隔質量差，使環(huán)空氣竄、井口冒氣現(xiàn)象時有發(fā)生，嚴重影響氣田開發(fā)。通過對水泥漿穩(wěn)定性、靜膠凝強度和SPN性能系數(shù)等防氣竄能力的實驗研究，控制水泥漿靜膠凝強度發(fā)展的風險區(qū)間小于25 min、SPN小于3，并采取在大尺寸套管固井以0.55 m3/min的低排量進行塞流注替作業(yè)，以及套管外環(huán)空插管回注高密度防氣竄水泥漿，置換混竄污染水泥漿并實現(xiàn)雙凝壓穩(wěn)作用等工藝技術措施，取得了良好的防漏、壓穩(wěn)、防竄效果，成功解決了ANACO氣田淺層氣固井封固質量問題。

關鍵詞淺層氣；固井；防氣竄水泥漿；緊密堆積；靜膠凝強度；委內(nèi)瑞拉

ANACO氣田分為Santa Rosa桑塔洛薩、San Joaquin圣華金、San Roque圣羅克、Sta Ana斯塔安娜、Guario、El Roble和EI Toco 7個構造區(qū)塊，氣、水層埋藏淺，自上而下地層中分布著不同壓力的氣水層及高壓氣窩或水帶，鉆井過程中淺層溢流、井噴及失火事故時有發(fā)生，以往采用低失水水泥漿體系固井，環(huán)空氣竄現(xiàn)象突出，固井成功率較低。通過低失水防氣竄水泥漿體系，控制漿體靜膠凝強度發(fā)展時間小于25 min，以及固井后套管外環(huán)空下入“無接箍環(huán)空回注水泥漿管柱”，回注防氣竄水泥漿等工藝技術措施，成功解決了淺層固井防氣竄難題。

1　ANACO氣田基本概況

ANACO氣田，地表80 m以下，分布著多套不同壓力體系地質儲層。井身結構通常為：φ762 mm導管夯入地下20～30 m；φ508 mm表層套管× （150～305 m）；φ339.7 mm×（1370～1525 m）；φ244.5 mm×（2 135～2 440 m）；四開油層套管φ193.7 mm或φ177.8 mm尾管×（2 500～3 050 m）；五開油層套管φ139.7 mm或φ127 mm尾管×（3 200～3 950 m）。φ508 mm表層套管、φ339.7 mm和φ244.5 mm技術套管，分別封固淺部不同地層壓力的氣水層和地質裂縫層的非主產(chǎn)層，水泥封至地面，要求高質量封固，防止環(huán)空竄氣和井口帶壓或疏松地表壓裂冒氣現(xiàn)象的發(fā)生。四開、五開尾管封固天然氣主產(chǎn)層，該產(chǎn)層段地層孔隙發(fā)育，連通性好，地層原始孔隙壓力高，長期開發(fā)使部分區(qū)塊孔隙壓力下降，形成低壓層。

2　氣竄分析及固井難點

1）ANACO淺層地層壓力異常，氣、水活躍，壓力高，上竄速度快，地層流體運移上竄至地面時間短；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；井口缺乏有效的壓力補償和控制手段，一旦高壓地層流體侵入井眼環(huán)空，發(fā)生環(huán)空氣竄，控制難度大，易導致環(huán)空溢流、井噴事故發(fā)生。

2）水泥漿穩(wěn)定性差，易發(fā)生漿體沉淀分層、性能發(fā)生改變，使水泥漿防竄性能達不到阻止地層氣體運移能力，而導致氣竄。氣井固井要求水泥漿具有良好致密性、穩(wěn)定性、流變性和低失水、低滲透性、短稠化過渡時間、高內(nèi)阻性能。ANACO氣田固井通常采用G級或B級油井水泥，由于委內(nèi)瑞拉水泥生產(chǎn)工藝落后，不同批次水泥基礎性能相差很大，水泥漿配方及性能難以調(diào)節(jié)，特別是低密度水泥漿，漿體分層嚴重，外加劑用量調(diào)節(jié)范圍窄，施工過程中水泥漿密度略有偏差，便導致漿體性能改變，失去防氣竄能力。

3）水泥漿靜膠凝強度發(fā)展緩慢、風險過渡時間長導致氣竄。評價水泥漿防氣竄性能的SPN性能系數(shù)調(diào)節(jié)，受水泥、外摻料及外加劑性能、質量等因素影響較大，且原材料性能在施工現(xiàn)場不能控制。水泥漿稠化過渡時間內(nèi)氣竄阻止能力，通過有效液柱壓力與漿體靜膠凝強度之和得以實現(xiàn)。目前水泥漿靜膠凝強度檢測及儀器設備，中國還沒有廣泛應用到固井施工現(xiàn)場，靜膠凝強度檢測數(shù)據(jù)缺失，給淺層氣固井水泥漿防氣竄能力評估帶來困難。

4）固井頂替效率低、水泥漿混竄污染及井漏是導致氣竄的另一重要因素。φ508 mm、φ339.7 mm大尺寸套管固井，套管與井眼環(huán)空間隙大，頂替效率低，若水泥漿對鉆井液、固井前置液頂替置換不徹底，水泥漿就會受到混竄污染，使其防氣竄性能下降；環(huán)空鉆井液滯留形成條帶；在低承壓地層施工可能發(fā)生井下漏失，造成水泥漿低返、淺層氣漏封等，這也會導致環(huán)空氣竄。

3　防氣竄水泥漿體系設計

3.1提高水泥漿性能穩(wěn)定性

良好的防氣竄水泥漿，首先要具備良好的漿體穩(wěn)定性。ANACO氣田不同區(qū)塊、不同套管層次、深度的固井作業(yè)，地層孔隙壓力、地層承壓能力各不相同。φ508 mm表層套管固井，由于套管下入深度淺，水泥漿封固短。依據(jù)地層承壓能力，只能使用1.55～1.72 g/cm3單一密度的水泥漿封固淺層氣水層。二開、三開采用φ339.7 mm和φ244.5 mm技術套管，水泥漿依據(jù)壓力平衡原則，采用雙凝雙密度水泥體系，領漿的密度為1.50～1.72g/cm3，尾漿密度為1.87 g/cm3。常規(guī)密度水泥尾漿穩(wěn)定性相對好調(diào)控，而低密度領漿受材料性能影響，漿體穩(wěn)定性較差。水泥漿穩(wěn)定性從以下幾方面解決。

1）應用緊密堆積理論提高水泥漿密實性和穩(wěn)定性。ANACO氣田固井水泥漿的固相材料主要包括，委內(nèi)瑞拉生產(chǎn)的B級和G級油井水泥、中油渤星公司生產(chǎn)的BXE-600S減輕劑。該地區(qū)地溫梯度高，φ244.5 mm及以下各層套管固井，加入一定比例本地產(chǎn)硅粉和用來調(diào)節(jié)漿體穩(wěn)定性的微硅。各層套管固井根據(jù)地層承壓能力，確立不同的水泥領漿密度，依據(jù)緊密堆積理論原理，優(yōu)化固相顆粒間的粒徑配比，提高PVF堆積體積分數(shù)，降低液固比和漿體內(nèi)的自由水用量，改善漿體致密性、穩(wěn)定性和防竄性能。經(jīng)室內(nèi)研究，總結出適合ANACO氣田固井要求的最佳固相顆粒級配，結果見表1。

表1　ANACO氣田水泥漿固相材料顆粒級配

BXE-600S減輕劑由漂珠、微硅及增強劑組成。漂珠粒徑約0.1mm，微硅平均粒徑為0.15 μm，細度為水泥平均粒度的1/80，能充填水泥顆粒間的空隙，并與水化產(chǎn)物產(chǎn)生一定的交聯(lián)，形成不滲透膜，增加氣體在水泥漿中侵入和運移的阻力，硅粉粒徑介于漂珠與水泥之間。從表1中的固相體系粒徑分析，水泥漿已具有三級或四級顆粒級配的緊密堆積特征，應具備較高的密實性和穩(wěn)定性，能夠發(fā)揮較好的防氣竄作用。

據(jù)相關資料介紹，油井水泥最佳粒徑分布應是3～30 μm的顆粒在65%以上，45 μm以下顆粒大于97.35%，60 μm以上顆粒應小于0.5%。由于生產(chǎn)工藝原因，委內(nèi)瑞拉產(chǎn)油井水泥0.061mm篩余量高達2.5%，遠遠大于最優(yōu)化粒徑比。因此，雖然加入一定量的微硅填充調(diào)節(jié)，水泥漿的穩(wěn)定性仍未能很好地解決。

2）應用懸浮劑改善水泥漿穩(wěn)定性。在顆粒級配和外加劑調(diào)節(jié)不能解決水泥漿穩(wěn)定性的情況下，在ANACO氣田固井時，在水泥漿中加入了

0.4%～0.8%的GW-4大分子鏈聚合物懸浮劑，以提高水泥漿基液的黏性，使固相材料在聚合物分子鏈包裹拖曳下，平衡其重力和浮力，增強懸浮能力，控制固相顆粒在漿體中懸浮停留，從而實現(xiàn)漿體穩(wěn)定。GW-4聚合物分子鏈使水泥漿濾餅致密光滑，滲透率降低?；吼ば杂欣谔岣吖滔嚅g的游離液控制能力，降低失水量。聚合物分子鏈對微小氣泡的包裹、黏滯作用，有利于阻止氣體侵入和運移，增強了漿體抗氣侵能力。

3.2用BCT-800L和BCG-200L設計防氣竄水泥漿體系

1）膠乳BCT-800L。BCT-800L是由表面活性劑和微小聚合物顆粒等化學成分組成的一種乳狀懸浮液，固相膠粒含量約50%左右。其表面活性劑，對侵入的氣體有束縛和分散作用，并在水泥水化過程中形成網(wǎng)狀結構；膠乳顆粒堵塞水泥水化形成的喉道，彈性膠粒在壓差作用下，在水泥顆粒間聚集成致密膜，使水泥漿靜膠凝強度快速發(fā)展，縮短靜膠凝過渡時間，從而阻止氣體在環(huán)空的運移上竄；乳膠粒徑（0.05～0.50 μm）比水泥顆粒粒徑（20～50 μm）的1/100還小，可填充水泥固相顆粒間的微空隙，發(fā)揮緊密堆積效果，降低滲透率；乳膠能降低界面張力，提高界面間的親和力，改善界面膠結狀況；具有彈性的膠乳顆粒在壓實鑲嵌作用下，提高水泥濾餅密實性，減少水泥漿中自由充填水損失，防止井下漏失。BCT-800L加量對水泥漿失水量影響見圖1。由圖1可知，膠乳加量為7.5%時，水泥漿的失水量為136 mL；加量為20%時，水泥漿的失水量可以控制到29 mL。

圖1　膠乳加量對水泥漿失水量的影響（70 ℃）

2）防氣竄劑BCG-200L。BCG-200L是一種抗鹽耐溫增黏聚合物防氣竄劑，可提高水泥漿黏度和觸變性，增強漿體內(nèi)聚力，促進靜膠凝強度快速發(fā)展，改善水泥漿稠化曲線狀態(tài)，縮短氣竄風險區(qū)間，降低氣侵幾率，達到防止竄流目的。BCG-200L與降失水劑配合使用，水泥漿密度加量范圍在2.0%～5%之間，API失水可控制在30 mL以內(nèi)，SPN小于3；水泥漿靜膠凝強度實測檢驗，靜膠凝強度過渡時間能夠控制在25 min以內(nèi)。

3.3實測水泥漿靜膠凝強度

購買并應用UCA&SGSM超聲波強度測試儀和靜膠凝強度測量儀，對水泥漿靜膠凝強度進行測試。

4　防氣竄固井技術

1）套管外環(huán)空插管回注水泥漿。φ508 mm大尺寸套管固井，以往采取向井口環(huán)空直接灌注或用φ73 mm油管灌注水泥，由于油管尺寸大及φ88.9 mm接箍臺階阻擋，環(huán)空起下困難，只能下入一個油管單根，不能徹底替換環(huán)空受污染的水泥漿，上部井眼環(huán)空的封固質量不能解決。在ANACO氣田采用帶斜錐面引鞋的φ48 mm無接箍注漿管柱。固井注替結束，立即從套管外環(huán)空兩側下入注漿管柱至導管鞋以下3～5 m，通過地面三通將2個管柱與注漿設備連接，雙管柱等排量向環(huán)空注入高密度防氣竄水泥漿，環(huán)空液面均勻上升流動，使上部受污染的水泥漿徹底頂替出環(huán)空，保證環(huán)空替凈封實的同時，利用回注高密度水泥漿與正注水泥漿稠化時間差，產(chǎn)生的環(huán)空液柱壓力及漿體靜膠凝強度，實現(xiàn)環(huán)空壓穩(wěn)防竄，較好地解決淺層氣固井環(huán)空氣竄及井口環(huán)空封固質量差的問題。

2）封堵漏失層，提高井筒承壓能力，為固井作業(yè)創(chuàng)造條件。

3）提高固井頂替效率，提高套管居中度。①模擬計算分析套管井下受力情況，計算設計套管扶正器類型、數(shù)量和加放位置，并用固定環(huán)鎖定，防止扶正器竄動而改變受力狀態(tài)，以保證井下套管居中度不小于70%。②受地層承壓能力和施工設備條件制約，φ508 mm和φ339.7 mm大套管固井很難實現(xiàn)環(huán)空紊流狀態(tài)，為了避免低效層流施工，根據(jù)環(huán)空塞流臨界返速計算，設計固井施工作業(yè)排量注替控制在8～15 L/s，利用塞流的推移特性提高頂替效率。③采用流變性、相容性、穩(wěn)定性、沖洗隔離效能較好的固井前置液體系，以環(huán)空接觸時間大于15 min設計前置液用量，有效沖洗、凈化井眼環(huán)空，充分隔離鉆井液和水泥漿，降低鉆井液對水泥漿的污染，提高水泥封固質量。

5　現(xiàn)場應用

5.1RM-0052井表層固井

RM-0052井基本情況：下入φ762 mm導管至井深21.34 m，下入φ508 mm表層套管至井深228 m。該井表層穿過高壓氣窩，地層孔隙壓力系數(shù)為1.475，地層破裂壓力系數(shù)為1.79，鉆井液密度為1.50 g/cm3，多次發(fā)生溢流。

5.1.1主要技術措施

1）套管扶正器設計。井口的4根套管（含導管重疊段），每根加放1只扶正器，下部套管每2根加放1只彈性扶正器，用固定環(huán)對扶正器進行定位。②沖洗型加重隔離液。沖洗型加重隔離液配方如下，用量按接觸時間20 min設計。流變性能為φ600、φ300、 φ200、 φ100、 φ6、 φ3分別為93、 61、 50、 34、 15、 11。

淡水+2.5%懸浮劑BCS-40S+0.3%G603+0.1%稀釋劑BCS-021+0.2%沖洗劑BCS-010L，用硅粉加重至1.56 g/cm3

2）采用防氣竄水泥漿，配方如下。

1#B級油井水泥+13%減輕劑BXE-600S+5%微硅+分散劑CF40S+降失水劑BXF-200L+防氣竄劑BCG-200L+消泡劑ALP

1#配方水泥漿密度為1.73 g/cm3，析水為0，API失水量為15 mL，稠化時間為223 min，24 h抗壓強度為18.3 MPa，水泥漿的SPN性能系數(shù)為2.17，水泥漿的靜膠凝強度見圖2。

圖2　1#水泥漿靜膠凝強度曲線圖

由圖2可以看出，靜膠凝強度發(fā)展時間為23.5 min，滿足ANACO氣田固井技術要求。

3）井口環(huán)空回注防氣竄水泥漿，配方如下。該水泥漿密度為1.87 g/cm3，自由水為0，失水量為12 mL，稠化時間為117 min，靜膠凝強度過渡時間為21min。

2#B級油井水泥+2%BXE-600S+G60S+BCD-200L+早強劑CA903S+消泡劑G603

5.1.2施工程序、參數(shù)及封固質量

采用內(nèi)插管方式固井，注入13 m3隔離液，密度為1.56 g/cm3；注入37 m3水泥漿，密度為1.87 g/cm3；注0.2 m3后置液；頂替1.9 m3鉆井液，密度為1.50 g/cm3；放回水檢驗浮鞋止回流情況正常，拔出注漿插頭沖洗管柱。井口環(huán)空返出水泥漿的密度為1.61g/cm3，未達到水泥漿進出口密度一致的防氣竄要求。從套管外2側環(huán)空下入φ48 mm無接箍回注水泥漿管柱27 m，至套管鞋以下5 m，采用雙管柱等排量注入密度為1.87 g/cm3的水泥漿8 m3，施工結束。井下氣層壓穩(wěn)，固井質量檢測合格。

5.2PRN-0082漏失井固井作業(yè)

1）概況。在PRN-0082井二開φ444.5 mm井眼1341.46 m和1512.20 m儲層分別發(fā)生嚴重漏失，井漏伴隨嚴重氣侵溢流，給井下壓穩(wěn)和固井造成困難。為盡快止漏，提高井筒承壓能力，實施可酸化溶解材料堵漏作業(yè)，滿足了氣層壓穩(wěn)和固井承壓要求。

2）固井采用雙凝雙密度防竄水泥漿體系，水泥領漿、尾漿配方如下。

領漿（3#） G級油井水泥+25% BXE-600S+ BXF-200L+BCG-200L+中高溫緩凝劑BCR-260L+ G-603+ CA903S。

該水泥漿密度為1.62 g/cm3，失水量為31mL，自由水為0，稠化時間為402 min，SPN為2.87，靜膠凝強度過渡時間為23 min。

尾漿（4#） G級油井水泥+BXE-600S+分散劑BCD-200L+BCT-800L+降失水劑FL-34+G603+膠乳消泡劑D-50。

該水泥漿密度為1.87 g/cm3，自由水為0，失水量為26 mL，稠化時間為210 min，SPN為2.93，靜膠凝強度過渡時間為14 min。

5.3防氣竄水泥漿體系的應用情況

防氣竄水泥漿體系在委內(nèi)瑞拉ANACO氣田表層和技術套管的淺層固井應用13井次，未發(fā)生環(huán)空氣竄，固井質量全部合格，見表2。

表2　ANACO氣田固井防氣竄水泥漿體系應用

6 結論

1.實現(xiàn)水泥漿固相材料的緊密堆積、降低“充填”游離自由水量，確保水泥漿性能穩(wěn)定，對淺層氣固井防氣竄尤為重要。

2.BCT-800L膠乳和BCG-200L防氣竄水泥漿體系，具有良好的防氣竄能力，能夠滿足淺層氣固井防氣竄要求。

3.提高井筒承壓能力，是保證氣井固井質量的關鍵；提高頂替效率，是確保淺層氣固井質量的重要措施。

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Analysis of Gas Migrationin Well Cementing and Cementing Technology for Shallow Gas Wells in ANACO Gas Field

LIU Zhentong1, WANG Jun2, CHEN Dacang1, ZHOU Jian1, XIN Zhihong1, ZHANG Hongyan1, WU Guangfu1
(1. No.1Cementing Branch of CNPC Bohai Drilling Engineering Company Limited, Renqiu, Hebei 062552; 2.CNPC Bohai Drilling Engineering Company Ltd., Tianjin 300457)

AbstractThe ANACO gas feld is located in the northeast of Venezuela，and has huge natural gas reserves，almost 60% of the total natural gas reserves in Venezuela. The reservoir formations of the ANACO gas feld are of great complexity，with gas zones and water zones extensively distributed from the shallow formations and to the deep formations. Several gas zones with different pressure systems coexist，and have low fracturing pressures，high pore pressures and narrow safety pressure windows. In some parts of the gas feld，high pressure gas zones and water traps form high pressure gas pockets and water belts. Wells drilled in this area generally have fve intervals to seal off zones of different pressure systems. From the frst interval to the third interval，high pressure shallow gas zones exist，and the control of the shallow gas zones is limited by the pressure bearing capacity of the formations. Cement slurries with multiple thickening times cannot be used in cementing the top formations. Several factors，such as large hole sizes，low displacement effciency，mixing and channeling of cement slurries in annular space，contamination to cement slurries，changes in anti-migration performance，as well as weight loss by gelling of cement slurry，all contribute to poor cementing job，negatively affecting the development of the gas feld. The cementing service team hasstudied the stability of cement slurry，static gel strength and SPN coeffcient to try to fnd a way to solve the problems encountered. In feld operations，time interval for the development of the static gel strength of cement slurry was controlled within 25 min，and SPN controlled to less than 3，and in cementing casing strings with large sizes，a low fow rate of 0.55 m3/min was used and plug fow maintained during injection and displacement. High density anti-migration cement slurry was also injected into the annular space to displace the contaminated cement slurry，in an effort to thoroughly seal the formation with double thickening times. Using this technology，loss of cementing slurry has been avoided，formation pressure completely brought under control，and gas migration prevented. The quality of the cementing jobs in ANACO gas feld has been improved using this technology.

Key wordsShallow gas； Well cementing； Anti-gas-migration cement slurry； Close packing； Static gel strength； Venezuela

中圖分類號：TE256.6

文獻標識碼：A

文章編號：1001-5620（2016）03-0078-06

doi:10.3696/j.issn.1001-5620.2016.03.016

第一作者簡介：劉振通，工程師，1961年生，從事現(xiàn)場固井技術工作。電話 13932740833；E-mail：lzt20082000@sohu.com。

收稿日期（2016-2-25；HGF=1603C1；編輯王超）