相國(guó)寺儲(chǔ)氣庫(kù)固井井筒密封完整性技術(shù)

范偉華，馮彬，劉世彬，周利，劉洋，王志剛，龔孝林，賓國(guó)成

（中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程公司井下作業(yè)公司，四川 成都610051）

相國(guó)寺枯竭油氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)作為中衛(wèi)—貴陽(yáng)天然氣管道的主要配套工程，在保障平穩(wěn)安全供氣方面起著十分突出的作用［1］。儲(chǔ)氣庫(kù)井與常規(guī)油氣井存在很大的區(qū)別，生產(chǎn)期間要承受注采作業(yè)產(chǎn)生的周期性載荷［2］，并需服役50 a 以上，對(duì)固井質(zhì)量要求高。儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)的首要原則是保證后期生產(chǎn)作業(yè)中的井筒完整性，避免因環(huán)空封固不良或管柱泄漏導(dǎo)致氣體泄漏、環(huán)空帶壓，以至影響整個(gè)庫(kù)區(qū)安全運(yùn)行。井筒長(zhǎng)期注采密封性包括套管串長(zhǎng)期密封完整性和水泥環(huán)長(zhǎng)期密封完整性2 方面［3］。

1 固井工藝技術(shù)

1.1 地層動(dòng)態(tài)承壓試驗(yàn)

相國(guó)寺石炭系氣藏經(jīng)過多年開采，地層虧空，壓力系數(shù)低。相儲(chǔ)8 井在鉆井過程中多次發(fā)生嚴(yán)重漏失［4］，基于平衡壓力固井原則，在固井前需開展地層動(dòng)態(tài)承壓試驗(yàn)，獲取地層漏失壓力，為固井施工方案的制定及水泥漿體系的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)［5］。該井在完鉆后下入φ203.2 mm 鉆鋌×2 柱+φ165.1 mm 加重鉆桿×2 根+φ127 mm 鉆桿的鉆具組合，逐步將鉆井液密度由1.25 g/cm3提高至1.40 g/cm3，以2 m3/min 的排量進(jìn)行動(dòng)態(tài)承壓試驗(yàn)，無漏失。根據(jù)承壓試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)領(lǐng)漿密度為1.35 g/cm3，尾漿密度為1.70 g/cm3。

1.2 提高頂替效率技術(shù)

頂替效率的高低直接決定一次固井質(zhì)量的好壞，是保證水泥環(huán)長(zhǎng)期密封完整性的關(guān)鍵［6-7］。為提高相國(guó)寺儲(chǔ)氣庫(kù)注采井固井的頂替效率，采取了3 項(xiàng)技術(shù)。

1.2.1 鉆井液調(diào)整技術(shù)

固井前調(diào)整好鉆井液性能，在保證井壁穩(wěn)定和井眼壓力平衡的前提下，合理降低鉆井液的黏度和切力，使鉆井液更容易被驅(qū)替干凈。對(duì)于井底無油氣顯示且井內(nèi)無復(fù)雜情況的井，固井前可以適當(dāng)降低鉆井液密度。相儲(chǔ)8 井φ244.5 mm 尾管固井前，井內(nèi)鉆井液密度由1.40 g/cm3調(diào)整為1.35 g/cm3。

1.2.2 優(yōu)化套管居中度技術(shù)

根據(jù)實(shí)鉆井眼軌跡，采用軟件模擬套管居中度，保證平均套管居中度達(dá)到67.0%以上。裸眼段采用旋流剛性扶正器與半剛性扶正器交替下入安放方案，在提高套管居中度的同時(shí)改變頂替液流場(chǎng)，提高橫向波及范圍。軟件模擬表明，相儲(chǔ)8 井φ244.5 mm 尾管固井的平均套管居中度達(dá)70.9%。

1.2.3 漿柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)

采用新配先導(dǎo)漿+沖洗液+黏滯性隔離液+水泥漿的漿柱結(jié)構(gòu)。其中，沖洗液易于在小排量下實(shí)現(xiàn)紊流頂替，有效去除虛泥餅，提高界面膠結(jié)質(zhì)量；黏滯性隔離液有效避免水泥漿與鉆井液接觸污染，保證施工安全。相儲(chǔ)8 井φ244.5 mm 尾管固井頂替到位后環(huán)空漿柱結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 相儲(chǔ)8 井φ244.5 mm 尾管固井漿柱結(jié)構(gòu)

1.3 預(yù)應(yīng)力固井技術(shù)

儲(chǔ)氣庫(kù)注采井正常運(yùn)行時(shí)，井筒內(nèi)氣流頻繁雙向流動(dòng)，且運(yùn)行壓力經(jīng)常大于地層壓力，管柱及水泥環(huán)需承受周期性交變應(yīng)力。若套管、水泥環(huán)及地層的力學(xué)性能不匹配，則交變載荷作用下極易在第1，2 膠結(jié)面形成微間隙，導(dǎo)致環(huán)空帶壓，影響儲(chǔ)氣庫(kù)注采井的安全運(yùn)行［8］。固井施工時(shí)，通過采用清水頂替和施工后環(huán)空反憋壓等技術(shù)，人為增大套管內(nèi)外壓差，套管在彈性變形范圍內(nèi)向內(nèi)擠壓，形成預(yù)應(yīng)力［9］（見圖2）。后期水泥石若發(fā)生收縮或井筒內(nèi)壓力變化時(shí)，套管就會(huì)因彈性變形而試圖恢復(fù)至初始狀態(tài)，從而保持與水泥環(huán)的緊密結(jié)合，確保水泥環(huán)的長(zhǎng)期密封完整性。

相儲(chǔ)8 井φ244.5 mm 尾管固井施工時(shí)，套管內(nèi)采用43 m3清水頂替，施工后環(huán)空反憋壓1 MPa，待水泥漿失重后增加至2 MPa 繼續(xù)候凝。

圖2 預(yù)應(yīng)力固井示意

2 套管串密封完整性技術(shù)

2.1 氣密封性檢測(cè)技術(shù)

氣密封性檢測(cè)技術(shù)是確保套管串長(zhǎng)期密封完整性的有效手段［10］。為最大限度降低因套管螺紋密封失效而造成事故的潛在風(fēng)險(xiǎn)，相國(guó)寺儲(chǔ)氣庫(kù)注采井技術(shù)套管、油層套管均要求進(jìn)行套管氣密封檢測(cè)，確保每根入井套管絲扣密封。其檢測(cè)原理是利用氦氣分子直徑很小、在氣密封扣中易滲透的特點(diǎn)，精確地檢測(cè)套管的密封性［11］。相儲(chǔ)8 井φ244.5 mm 尾管固井采用了TP-CQ氣密封扣型套管，下入過程中共計(jì)檢測(cè)出26 根氣密封性不合格的套管。

2.2 管外封隔器

使用管外封隔器，可進(jìn)一步增強(qiáng)環(huán)空密封能力。將管外封隔器連接在套管柱上，通過液壓膨脹坐封，使套管與裸眼環(huán)空形成永久性橋堵，有效封隔層間竄流，也可防止鉆井液或水泥漿漏失。管外封隔器坐封位置選擇在井徑規(guī)則、井壁穩(wěn)定的蓋層段。相儲(chǔ)8 井φ244.5 mm 尾管固井施工使用貝克管外封隔器ECP-Packer，坐封井段2 348.99～2 353.04 m，封隔主要產(chǎn)層石炭系，防止后期氣體泄漏。

3 水泥漿體系優(yōu)化

水泥石的力學(xué)性能是實(shí)現(xiàn)水泥環(huán)長(zhǎng)期密封完整性的決定性因素。相國(guó)寺儲(chǔ)氣庫(kù)注采井的技術(shù)套管、油層套管均使用韌性水泥漿體系。韌性水泥漿在同等應(yīng)力狀態(tài)下的變形能力大于普通油井水泥，主要力學(xué)特征表現(xiàn)為彈性模量明顯低于普通油井水泥，而抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度變化不大［12-14］。相國(guó)寺儲(chǔ)氣庫(kù)固井韌性水泥漿體系需滿足的力學(xué)性能指標(biāo)如表1所示。

表1 儲(chǔ)氣庫(kù)韌性水泥漿體系力學(xué)性能指標(biāo)

從斯倫貝謝FlexStone 水泥漿和川慶井下柔性自應(yīng)力水泥漿7 d 試驗(yàn)數(shù)據(jù)（見表2）可以看出，F(xiàn)lexStone水泥漿和柔性自應(yīng)力水泥漿的彈性模量均明顯低于普通油井水泥，而抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度均滿足儲(chǔ)氣庫(kù)注采井韌性水泥漿體系的力學(xué)性能指標(biāo)。

表2 FlexStone 水泥漿與柔性自應(yīng)力水泥漿力學(xué)性能

當(dāng)管柱試壓28 MPa 時(shí)，普通水泥石的最大周向應(yīng)力達(dá)4.277 MPa，遠(yuǎn)超過其抗拉強(qiáng)度，而FlexStone 彈性水泥和柔性自應(yīng)力水泥石由于具備較低的彈性模量，周向應(yīng)力均低于其抗拉強(qiáng)度，不會(huì)發(fā)生破壞。因此，相儲(chǔ)8 井φ244.5 mm 尾管固井使用了斯倫貝謝FlexStone公司的彈性水泥漿體系。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

相國(guó)寺儲(chǔ)氣庫(kù)完鉆井的固井質(zhì)量統(tǒng)計(jì)見表3。

表3 相國(guó)寺儲(chǔ)氣庫(kù)完鉆井固井質(zhì)量統(tǒng)計(jì)

以相儲(chǔ)8 井為例，該井三開鉆至2 580 m 完鉆，進(jìn)入石炭系3 m，完鉆井斜角為64.3°。φ244.5 mm 尾管固井施工過程中未發(fā)生漏失，上水泥塞面深度1 248.39 m，水泥漿返深符合設(shè)計(jì)要求。CBL 電測(cè)顯示水泥膠結(jié)合格率達(dá)到93.1%，固井質(zhì)量?jī)?yōu)［15］。電測(cè)后井筒內(nèi)替換成清水并試壓28 MPa，截至目前未發(fā)生井口帶壓或氣竄現(xiàn)象。

5 結(jié)束語(yǔ)

地層動(dòng)態(tài)承壓試驗(yàn)技術(shù)、提高頂替效率技術(shù)、預(yù)應(yīng)力固井技術(shù)以及韌性水泥漿體系的使用，極大地提高了水泥環(huán)的長(zhǎng)期密封完整性。氣密封性檢測(cè)技術(shù)與管外封隔器的使用，確保了入井套管串的長(zhǎng)期密封完整性。綜合運(yùn)用上述技術(shù)，能夠保證相國(guó)寺儲(chǔ)氣庫(kù)注采井的井筒長(zhǎng)期注采密封性，滿足相國(guó)寺儲(chǔ)氣庫(kù)注采井固井的需求。

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