埕海地區(qū)防氣竄固井技術

王春才

(天津中油渤星工程科技有限公司 天津300451)

WANG Chuncai

(CNPC Tianjin Boxing Science & Technology Co.，Ltd.，Tianjin 300451，China)

1 埕海地區(qū)氣竄風險分析

埕海區(qū)塊屬于大港油田，為張東斷層下降盤鼻狀構造。本區(qū)域目的層埋藏較深，在 3,900～4,300,m左右，井底循環(huán)溫度 90～110,℃，完井鉆井液密度1.30～1.44,g/cm3，主力油層位于沙河街，油氣異常活躍。由潛氣竄因子法(GFR)計算該區(qū)域的潛氣竄因子，了解該地區(qū)的氣竄危害程度。

水泥漿液柱壓力損失(失重)與水泥漿靜膠凝強度發(fā)展引起的關系為：

式中，MPR為水泥漿靜膠凝強度發(fā)展引起的壓力損失，MPa；SGS為水泥漿靜膠凝強度，MPa；L為環(huán)空水泥漿長度，m；Dh為井眼直徑，mm；Dc為套管直徑，mm。

水泥漿靜膠凝強度達到 240,Pa時，水泥漿就有足夠的強度阻止氣竄，可能引起水泥漿氣竄的最大壓力損失為：

水泥漿頂替到位后初始過平衡壓力(OBR)為：

式中，PST為初始靜液柱壓力，MPa；PG為氣層壓力，MPa；OBR為初始過平衡壓力，MPa。

GFR值為 1～3，發(fā)生環(huán)空氣竄的潛在危險程度為輕度，GFR值3～8為中等，GFR值大于8為嚴重。

埕海區(qū)塊均采用 139.7,mm油層套管固井，分別將各井數(shù)據代入以上公式，可得該區(qū)域井位的 GFR，可見該區(qū)塊各井均存在不同程度的氣竄風險，如表1所示。

表1 埕海區(qū)塊氣竄潛在危險程度Tab.1 The potential gas migration hazard level

2 埕海地區(qū)氣竄原因分析

①據埕海區(qū)塊地質資料顯示，油層段長、油氣活躍、油頂較高，導致水泥漿尾漿封固段長，水泥漿頂部溫差大，頂部強度發(fā)展緩慢，特別是在水泥漿失水得不到控制的情況下，水泥漿在環(huán)空中向有滲透性的地層失水形成“橋堵”，水泥漿逐步失去傳遞液柱壓力的能力，阻礙液柱壓力向下傳遞，導致候凝階段失重后難以壓穩(wěn)油氣層，使環(huán)空水泥漿液柱壓力小于氣層壓力而發(fā)生氣竄。這是埕海區(qū)塊氣竄風險的主要因素。②地層復雜，部分井段存在漏失與掉塊雙重矛盾，說明裸眼段存在薄弱地層，固井防氣竄以壓穩(wěn)地層為前提，但固井時存在漏失，會降低液柱壓力，導致失穩(wěn)。井壁掉塊造成井眼不規(guī)則，影響頂替效率，泥漿頂替不充分，粘附在井壁上的泥餅和套管外壁上的泥漿在此膠凝、脫水、收縮后，擴大微間隙，造成水泥漿竄槽。這是埕海區(qū)塊氣竄發(fā)生的次要因素。③裸眼段長，固井過程中水泥漿流程長，易受到井筒剩余鉆井液污染，導致水泥質量出現(xiàn)問題，在環(huán)空中膠結質量差，造成環(huán)縫隙。④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)隙地層氣體通過這些微環(huán)隙形成竄流，水泥石與套管及水泥石與地層之間存在微環(huán)隙。

3 埕海地區(qū)防氣竄綜合固井技術研究

3.1 固井施工準備

①井身質量。由于部分井段鉆井過程中出現(xiàn)了井壁坍塌掉塊現(xiàn)象，導致“糖葫蘆”井段和“大肚子”井段現(xiàn)象出現(xiàn)，完井后采取充分循環(huán)鉆井液，直至振動篩上無巖屑返出時再起鉆。起鉆過程如出現(xiàn)阻卡段，則采用倒劃眼、短起下等措施疏通井筒，并循環(huán)鉆井液，確保井眼暢通，保證套管順利下入。

②下套管。下套管前在場地嚴格檢查浮鞋、浮箍狀態(tài)，下完浮鞋、浮箍再下2根套管，檢查浮鞋、浮箍打開及關閉情況；每下 10根套管灌滿一次鉆井液，注意校對懸重，驗證鉆井液液面位置，根據實測井徑數(shù)據合理加放扶正器，在保證套管居中度的前提下確保套管安全下入；在大井徑段合理加放旋流發(fā)生器，確保套管居中度提高頂替效率。

③鉆井液性能調整。下套管前要求準確測定油氣上竄速度，如果上竄速度大于 15,m/h，應加重鉆井液，以保證固井安全和質量。套管下至設計深度后，首先將套管內灌滿鉆井液，先以小排量(泵排量＜0.5,m3/min)打通并建立循環(huán)；緩慢提高泵排量至循環(huán)暢通，確定沒有漏失或溢流等復雜情況，返出正常；逐步將泵排量提高至 1.8,m3/min，循環(huán)值至固井作業(yè)。固井前循環(huán)不少于 2周，以井眼干凈為原則，確保井筒清潔。在井眼安全的前提下，要求低粘、低屈服值、低切力，以降低替漿時所需的驅動力，提高頂替效率。

3.2 水泥漿性能實驗研究

3.2.1 水泥漿固井施工性能評價

根據埕海地區(qū)高溫、高壓、壓力窗口窄、油氣活躍等地質特點及防竄水泥漿體系應該具備的壓穩(wěn)油氣層、直角稠化等特點，優(yōu)選具備防氣竄性能固井外加劑，反復試驗篩選出膠乳和常規(guī)兩套防氣竄水泥漿體系，并針對該地區(qū)不同井溫進行了細化分解，如表2、3所示。

表2 主要水泥外加劑配方Tab.2 The main formulation of cement additives

表3 防氣竄水泥漿體系主要性能Tab.3 The main performance of anti-gas migration cementing system

由表 3可見，該體系具備較好的直角稠化性能，縮短水泥漿從液態(tài)轉為固態(tài)的過渡階段，降低地層流體從環(huán)空竄流的風險。其中膠乳水泥漿體系中含有高分子聚合物材料，能在水泥漿中形成高分子凝膠膜，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。但膠乳體系配漿水回收處理相對困難，在海洋作業(yè)中受到一些限制，因此選擇哪種水泥漿體系要結合現(xiàn)場的實際情況。

3.2.2 水泥漿防氣竄性能評價

水泥漿防氣竄性能主要取決于水泥漿在頂替到位后，由液態(tài)轉化為固態(tài)過渡時間的長短以及水泥漿孔隙壓力下降速率的大小，可以用稠化過渡時間、稠度變化速率來描述。水泥漿孔隙壓力下降的主要原因是水泥漿向地層失水，水泥漿孔隙壓力下降速率的大小可用水泥漿濾失速率來描述。因此，過渡時間與水泥漿濾失速率綜合考慮為水泥漿性能系數(shù)(SPN)。具體表達式為：

式中，SPN為水泥漿性能系數(shù)，無因次；FLAPI為水泥漿 API失水，mL；t100Bc、t30Bc分別為水泥漿稠度為100 BC和30 BC的時間，min。

SPN值評價標準為：0≤SPN≤3，防氣竄效果好；3＜SPN≤6，防氣竄效果中等；SPN＞6，防氣竄效果差。

將 4種體系性能帶入公式得到 SPN1＝2.83；SPN2＝3.2；SPN3＝2.24；SPN4＝4.1?？梢?，此 4種水泥漿體系具備有效的防氣竄性能。

3.2.3 防氣竄配套固井工藝技術

①優(yōu)化前置液結構。前置液采用加重鉆井液+常規(guī)鉆井液+BCS-010L型沖洗液＋堵漏隔離液＋領漿結構。由于該區(qū)塊油頂位置靠上，已接近上層套管鞋，造成水泥漿柱結構設計中領漿段短，尾漿段長，且在鉆進和 MDT測試以及下套管前油氣上竄都較為活躍。泵注加重鉆井液，補償液柱壓力損失；并頂替 5,m3鉆進時的鉆井液，隔離了加重鉆井液和沖洗液的直接接觸，避免了沖洗液對加重鉆井液的稀釋作用，造成加重材料的沉積，進而增加發(fā)生砂堵的可能性。注入紊流接觸時間達到 7～10,min的沖洗液BCS-010L能高效沖刷不規(guī)則的井壁，充分清除井壁和套管上的膠凝物質虛泥餅，使井壁清潔，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由堵漏纖維、懸浮劑、稀釋劑等組成的堵漏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，同時具有防漏作用，能在水泥漿到達薄弱地層前就對其進行一定的預堵漏，提高薄弱地層的承壓能力，降低固井施工過程中的漏失風險。為了保證施工安全，在注入沖洗液后額外注入低于設計水泥漿密度 0.1～0.2,g/cm3的稀水泥漿作為領漿，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。采用固井橇注入2,m3藥品水壓上膠塞，防止套管壁殘留水泥漿與鉆井液發(fā)生稠化，影響替漿安全和后續(xù)電測儀器的下入。

②采用雙凝水泥漿柱結構。由于裸眼段較長，為避免整段水泥漿凝結失重，導致液柱壓力降低，難以壓穩(wěn)地層，采用雙凝水泥漿柱結構，通過固井設計軟件反復模擬分析固井過程中薄弱地層位置處當量密度變化和對油氣層的壓穩(wěn)情況，篩選出最優(yōu)的漿柱組合，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。一般情況下，緩凝和速凝水泥的封固長度之比為 1.5～2，稠化時間差值為1～2.5,h。

③分級固井技術。由于埕海區(qū)塊多采用全井下套管固井，地層復雜，漏失和掉塊雙重矛盾出現(xiàn)，為了減少水泥漿膠凝失重造成的環(huán)空液柱壓力損失，避免固井過程出現(xiàn)漏失，采用分級固井技術。因分級固井技術需要下入特殊附件，無形中增加固井風險，因此建議在封固段超過 3,000,m以上或單級固井無法實現(xiàn)時采用此技術。

④變排量頂替技術。通過軟件模擬替漿狀況確定合理的頂替排量，控制澆注水泥密度和排量，施工時根據井口返出情況及時調整施工參數(shù)；起初水泥漿受“U”型管效應影響，下落速度較快，替漿采用高速追趕頂替；當追上水泥漿后，根據泵壓以及施工的情況，適當降低排量，在保證施工安全、防止漏失的前提下提高頂替效率。

⑤環(huán)空加壓技術。環(huán)空加壓技術是指在注水泥作業(yè)結束后，通過在環(huán)空加一定的壓力，現(xiàn)場加壓的值一般為 2～3,MPa，保證環(huán)空中的液柱壓力大于氣層壓力，達到防氣竄的目的。通過軟件對候凝期間失重情況進行模擬，計算水泥漿失重導致的壓力損失，確定合適的加壓值。但因其存在著較大局限性，越來越多地作為防氣竄輔助技術。

⑥加裝管外封隔器。管外封隔器技術是指在相臨的氣層之間加套管外封隔器，在注水泥結束后膨脹套管封隔器，強制各開發(fā)層位分隔開。建議在油氣活躍、氣竄速度較高的井中采用此設備以提高防氣竄的效果。外封隔器技術一般是在常規(guī)的化學方法無法奏效的情況下才使用，且只適合于氣層數(shù)量較少的井，造價高。

4 現(xiàn)場應用情況

在防氣竄綜合技術的應用中，埕海 39、41井采用膠乳防氣竄體系，埕海 34、37、38、40井采用常規(guī)防氣竄體系，均采用優(yōu)選前置液+雙凝水泥漿漿柱結構，應用變排量頂替和環(huán)空加壓技術，最終聲幅測井顯示埕海34、37、38、39、40、41井油層段聲幅值基本在 10%,以內，其他井段稍有波動，固井質量綜合評定均為優(yōu)質，取得較好的效果。

5 結 論

通過在井眼準備、水泥漿體系、固井工藝等方面采取防氣竄綜合措施，有效防止了環(huán)空氣竄的發(fā)生，提高了埕海地區(qū)固井質量。防氣竄水泥漿體系性能滿足埕海區(qū)塊安全施工條件，具備良好的防竄性能。埕海區(qū)塊油頂較高，尾漿封固段長，水泥漿失重引發(fā)氣竄風險較大，建議今后在埕海區(qū)塊固井施工時采用防氣竄措施。探索形成了埕海區(qū)塊防氣竄綜合配套固井技術，針對性和操作性強，解決了埕海區(qū)塊防氣竄固井難題，為今后固井施工奠定了基礎。

［1］ 牛新明，張克堅，丁士東，等. 川東北地區(qū)高壓防氣竄固井技術[J]. 石油鉆探技術，2008(3)：10-15.

［2］ 孫紅偉，柳世杰，聶世均，等. 阿姆河右岸氣田油層套管防氣竄固井技術[J]. 天然氣工業(yè)，2013，33(6)：71-75.

［3］ 丁士東，張衛(wèi)東. 國內外防氣竄固井技術[J]. 石油鉆探技術，2002，30(5)：35-38.