川中高壓氣井鉆完井期間環(huán)空帶壓原因分析及應(yīng)對固井技術(shù)

劉洋 ， 鮮明 ， 馮予淇

（1.國家能源高含硫氣藏開采研發(fā)中心，成都 610052；2.中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司，成都610052）

川中高壓氣井以震旦系燈影組、寒武系龍王廟組為勘探開發(fā)目的層。區(qū)塊儲層埋深5 500～6 500 m，井溫為140～160 ℃，縱向上存在多產(chǎn)層、多壓力系統(tǒng)。須家河組之上淺層氣活躍，嘉陵江組、飛仙關(guān)組、長興組、龍?zhí)督M等高壓氣層當(dāng)量密度超過2.0 g/cm3[1-2]。川中高壓氣井采用常規(guī) 的 φ339.7 mm/φ244.5 mm/φ177.8 mm/φ127 mm套管層序，φ244.5 mm封固須家河組淺層氣，φ177.8 mm尾管封固嘉陵江組、飛仙關(guān)組等高壓氣層。2012年1月～2015年6月共完鉆52口探井，3年間φ177.8 mm尾管固井質(zhì)量聲幅評價(jià)段平均合格率為40.2%～52.9%，φ244.5 mm技術(shù)套管固井及φ177.8 mm套管回接固井質(zhì)量聲幅評價(jià)段平均優(yōu)質(zhì)率超過80%。雖然整體固井質(zhì)量較好，但仍有12口井在鉆完井期間B、C環(huán)空異常帶壓。在分析環(huán)空異常帶壓原因的基礎(chǔ)上，針對性地開展了韌性微膨脹水泥漿體系研究，提出了“以快治氣”防竄固井工藝研究，推廣應(yīng)用了封隔式尾管懸掛器，形成較系統(tǒng)的預(yù)防環(huán)空帶壓固井技術(shù)。2016～2017年期間應(yīng)用12口井，僅2口井在試油期間、生產(chǎn)期間C環(huán)空異常帶壓，較好地解決了鉆完井期間環(huán)空異常帶壓問題，對于進(jìn)一步解決天然氣長期氣竄問題具有借鑒意義。

1 環(huán)空帶壓原因分析

1.1 環(huán)空帶壓基本情況

在2015年之前有12口井在鉆完井期間環(huán)空異常帶壓。這些井φ244.5 mm技術(shù)套管固井質(zhì)量聲幅評價(jià)段平均合格率為91.9%，φ177.8 mm套管回接固井質(zhì)量聲幅評價(jià)段平均合格率為94.7%，固井質(zhì)量測井評價(jià)結(jié)果均合格。但φ177.8 mm尾管固井質(zhì)量較差，聲幅評價(jià)段平均合格率僅為39.8%，底部500 m固井質(zhì)量合格，但上部800 m高壓氣層封固段聲幅評價(jià)合格率僅為26.0%。12口井在鉆進(jìn)期間或試油期間環(huán)空異常帶壓，即固井后3～6個(gè)月期間；C環(huán)空氣源為須家河組之上淺層氣（φ244.5 mm套管封固段氣層），B環(huán)空氣源主要為嘉陵江組、龍?zhí)督M等高壓氣（φ177.8 mm尾管封固段氣層）。環(huán)空帶壓基本情況如表1所示。

表1 鉆完井期間環(huán)空帶壓統(tǒng)計(jì)

1.2 環(huán)空帶壓原因分析

根據(jù)前述環(huán)空帶壓基本情況描述，分別以M39井C環(huán)空帶壓以及G6井B環(huán)空帶壓為例，分析環(huán)空帶壓原因。

1.2.1 C環(huán)空帶壓

以M39井C環(huán)空帶壓為例。該井φ244.5 mm技術(shù)套管下入深度為3 200 m，固井水泥漿采用常規(guī)密度低失水防竄水泥漿，施工排量、頂替技術(shù)措施達(dá)到設(shè)計(jì)要求，固井后采用了環(huán)空憋壓候凝技術(shù)，滿足固井“三壓穩(wěn)”原則。固井質(zhì)量聲幅評價(jià)段優(yōu)質(zhì)率為80.3%， 合格率為94.5%， 須家河以上氣層封固質(zhì)量良好， 但固井5個(gè)月后，出現(xiàn)C環(huán)空異常帶壓， 氣源為φ244.5 mm技術(shù)套管封固的須家河之上淺層氣。由此推斷環(huán)空帶壓與固井質(zhì)量無直接關(guān)系。

通過水泥環(huán)完整性評價(jià)裝置及軟件分析研究了后續(xù)工況對水泥環(huán)密封完整性的影響。室內(nèi)開展水泥環(huán)破壞實(shí)驗(yàn)，圍壓10 MPa下模擬管柱試壓35 MPa。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示，試壓后水泥環(huán)完整性破壞，產(chǎn)生輻射狀裂隙。

圖1 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)?zāi)M管柱試壓

同時(shí)采用水泥環(huán)應(yīng)力計(jì)算軟件模擬分析，計(jì)算結(jié)果見圖2，試壓50 MPa后井深1 500 m以上須家河淺層氣產(chǎn)生明顯微環(huán)隙。分析表明，一定圍壓下管柱試壓可造成水泥環(huán)封隔失效，因此推斷管柱試壓造成水泥環(huán)破壞是C環(huán)空帶壓的重要原因。

圖2 試壓50 MPa后水泥環(huán)形成的微環(huán)隙

1.2.2 B環(huán)空帶壓

以G6井B環(huán)空帶壓為例。該井φ177.8 mm尾管下入深度為5 300 m，采用密度為2.30 g/cm3高密度大溫差水泥漿固井，施工排量、頂替技術(shù)措施達(dá)到設(shè)計(jì)要求，固井后也采取了憋壓候凝技術(shù)措施。但固井質(zhì)量聲幅評價(jià)段合格率僅為46.2%（如圖3所示），固井質(zhì)量不合格，井深4 000 m以上嘉二、飛仙關(guān)、長興、龍?zhí)兜雀邏簹鈱佣畏夤藤|(zhì)量差。從固井質(zhì)量圖分析，氣層封固段固井質(zhì)量差，而底部和頂部非氣層段固井質(zhì)量較好，由此推斷候凝過程中上部高孔滲地層氣竄，導(dǎo)致水泥漿中含氣，影響了測井評價(jià)結(jié)果，是導(dǎo)致固井質(zhì)量差的重要原因。

φ177.8 mm尾管固井后下開鉆井液密度大幅降低（由2.21 g/cm3降低為1.38 g/cm3），井底壓力下降40 MPa，固井質(zhì)量測井評價(jià)結(jié)果見圖4， 固井質(zhì)量合格率下降為8.0%，進(jìn)一步削弱了封固質(zhì)量。同時(shí)，回接固井后，全井清水試壓70 MPa，根據(jù)軟件計(jì)算結(jié)果如圖5所示，井深3 000 m以上井段在試壓后形成不同程度微環(huán)隙，為高壓氣層氣竄提供了流動(dòng)通道。據(jù)以上分析推斷，φ177.8 mm尾管固井質(zhì)量差，候凝過程中氣體侵入水泥漿基體，后續(xù)工況如降密度、試壓進(jìn)一步削弱了封固質(zhì)量，形成微環(huán)隙，導(dǎo)致氣體竄至井口，是導(dǎo)致B環(huán)空異常帶壓的重要原因。

圖3 第1次電測結(jié)果

圖4 第2次電測結(jié)果

圖5 試壓后水泥環(huán)形成的微環(huán)隙

綜上所述，常規(guī)水泥石力學(xué)性能不適應(yīng)川中高壓氣井層間封隔要求，固井后管柱試壓、鉆井液密度降低，導(dǎo)致水泥環(huán)完整性受損，形成微環(huán)隙，微裂隙是C環(huán)空帶壓的重要原因。φ177.8 mm尾管固井質(zhì)量差，后續(xù)工況如試壓、降密度進(jìn)一步削弱固井膠結(jié)質(zhì)量，是B環(huán)空帶壓的重要原因。

2 預(yù)防環(huán)空帶壓固井技術(shù)

針對鉆完井期間B、C環(huán)空異常帶壓問題，在φ244.5 mm技術(shù)套管和φ177.8 mm套管回接固井中使用常規(guī)密度韌性微膨脹水泥漿，降脆增韌，提高水泥環(huán)耐久性，同時(shí)采用“以快治氣”防竄固井工藝改善φ177.8 mm尾管固井質(zhì)量，推廣應(yīng)用封隔式尾管懸掛器，在B環(huán)空形成由高密度大溫差防竄水泥漿、封隔式尾管懸掛器、韌性微膨脹水泥漿組成的多重防護(hù)井屏障，是減輕環(huán)空帶壓問題的關(guān)鍵[3-4]。

2.1 優(yōu)化韌性微膨脹水泥漿體系

2.1.1 韌性微膨脹水泥漿體系簡介

韌性微膨脹水泥漿體系設(shè)計(jì)思路[5-6]如下：優(yōu)選增韌劑降低水泥石楊氏模量，提高其彈性變形能力；優(yōu)選超細(xì)活性材料作增強(qiáng)劑，提高水泥石密實(shí)度及強(qiáng)度，降低加卸載引起的殘余應(yīng)變，預(yù)期解決φ244.5 mm套管和φ177.8 mm回接套管在試壓條件下因水泥石失效引起的層間封隔問題。

增韌劑由彈性材料與無機(jī)纖維組成。彈性材料充填于水泥晶體間，能緩沖應(yīng)力作用，而無機(jī)纖維具有粒間搭橋作用，避免應(yīng)力集中引發(fā)破壞。超細(xì)增強(qiáng)劑粒徑分布范圍為1.07～14.09 μm，其主要由玻璃相結(jié)構(gòu)組成，硅質(zhì)含量高，火山灰活性效應(yīng)強(qiáng)，與Ca（OH）2反應(yīng)生成C—S—H相，可消除增韌劑對強(qiáng)度的負(fù)面影響。通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)優(yōu)選，常規(guī)密度韌性微膨脹水泥漿體系配方為：G級水泥+7%彈性材料+1%無機(jī)纖維+10%增強(qiáng)劑+3%聚合物降失水劑+0.6%分散劑+0.6%緩凝劑+0.2%消泡劑。

2.1.2 韌性微膨脹水泥石力學(xué)性能及密實(shí)性評價(jià)

常規(guī)密度韌性微膨脹水泥漿體系性能如表2所示，可以看出，該水泥石在80 ℃及21 MPa下養(yǎng)護(hù)7 d后，抗拉強(qiáng)度較常規(guī)水泥石提高42.8%，彈性模量降低39.9%，同時(shí)具備一定體積微膨脹。

表2 常規(guī)密度韌性微膨脹水泥漿體系力學(xué)性能（7 d）

由于超細(xì)增強(qiáng)劑粒徑明顯小于水泥顆粒，能與之形成顆粒級配，提高水泥石密實(shí)度。采用振搗加壓法測量增強(qiáng)劑對水泥堆積度的影響，見圖6。

圖6 增強(qiáng)劑對堆積度的影響

由圖6可以看出，增強(qiáng)劑加量增加到20%時(shí)，水泥堆積度最高，但流動(dòng)度一般。為兼顧密實(shí)度與流變性，將增強(qiáng)劑設(shè)計(jì)加量定為10%。

對比80℃養(yǎng)護(hù)48 h的常規(guī)水泥石和韌性微膨脹水泥石孔結(jié)構(gòu)和滲透率（見表3）可以發(fā)現(xiàn)，韌性微膨脹水泥石的孔隙率、孔體積、中孔含量下降，而凝膠孔上升，滲透率下降了一個(gè)數(shù)量級，其密實(shí)度高于常規(guī)水泥石。

表3 水泥石孔結(jié)構(gòu)參數(shù)和滲透率

通過加卸載實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)密實(shí)度高的韌性微膨脹水泥石，壓實(shí)變形和殘余變形較常規(guī)水泥石小，應(yīng)力滯后環(huán)不明顯，可防止循環(huán)載荷下產(chǎn)生微環(huán)隙，見圖7和圖8。

圖7 韌性微膨脹水泥石循環(huán)加載

圖8 常規(guī)水泥石循環(huán)加載

2.1.3 韌性微膨脹水泥石力學(xué)完整性評價(jià)

采用水泥環(huán)密封完整性評價(jià)裝置，分析水泥環(huán)抗外載荷破壞能力，結(jié)果如表4所示。第1、2組實(shí)驗(yàn)?zāi)M管柱試壓50 MPa， 分析上部井深1 000 m水泥環(huán)破壞情況。圍壓10 MPa下，常規(guī)水泥石在試壓35 MPa，穩(wěn)壓5 min后卸載，將壓力泄至5 MPa，通氣5 min竄通，水泥環(huán)產(chǎn)生明顯裂紋，見圖9（a）；第5、6組實(shí)驗(yàn)，韌性微膨脹水泥石試壓50 MPa后卸載，通氣不竄通，水泥環(huán)無明顯裂紋，見圖9（c）。第3、4組實(shí)驗(yàn)?zāi)M管柱試壓50 MPa，分析井深3 000 m處水泥環(huán)破壞情況。圍壓30 MPa下，常規(guī)水泥石試壓50 MPa，穩(wěn)壓5 min后卸載，將壓力泄至5 MPa，并通氣5 min竄通，但無明顯裂紋，推測試壓后可能產(chǎn)生了微環(huán)隙，見圖9（b），第7、8組實(shí)驗(yàn)韌性微膨脹水泥石試壓65 MPa后卸載，通氣不竄通，水泥環(huán)無明顯裂紋，見圖9（d）。

以上分析表明，韌性微膨脹水泥石抗外載荷破壞能力較常規(guī)水泥石提高40%以上。

表4 水泥環(huán)完整性評價(jià)試驗(yàn)（90 ℃）

圖9 實(shí)驗(yàn)結(jié)束后的水泥環(huán)圖片

2.2 形成“以快治氣”防竄固井工藝

區(qū)塊φ177.8 mm尾管封固段溫度范圍為80～150 ℃，面臨長封固段高溫大溫差固井難題。在水泥漿稠化時(shí)間設(shè)計(jì)滿足安全施工的條件下， 封固上部嘉陵江組等高壓氣層的水泥漿稠化時(shí)間因溫度降低而過度延長， 極易引發(fā)氣竄[7-9]。為保證封固質(zhì)量， 控制上部活躍的高壓氣水層， 因此將兩凝水泥漿界面由飛仙關(guān)、 長興組層位提高到上層套管鞋處， 尾漿稠化時(shí)間附加安全時(shí)間由90 min縮短至30 min， 構(gòu)成了“以快治氣”的防竄固井工藝。

具體措施如下：①為封固上層套管鞋處嘉陵江組活躍高壓氣層， 設(shè)計(jì)兩凝水泥漿體系， 提高兩凝界面， 尾管封固全部裸眼段； 為保證施工安全，開展了頂替模擬實(shí)驗(yàn)，分析尾漿上竄風(fēng)險(xiǎn)。如圖10所示，通過計(jì)算，尾漿在頂替過程中上竄2～4 m3，因此將φ177.8 mm尾管與上層φ244.5 mm技術(shù)套管重合段延長至400～600 m。同時(shí)對尾漿開展升降溫稠化實(shí)驗(yàn)，模擬尾漿上竄至喇叭口并循環(huán)出井口的可泵送時(shí)間。如圖11所示，尾漿正常稠化時(shí)間為210 min，升降溫稠化時(shí)間達(dá)到395 min，滿足安全施工要求。②優(yōu)化高密度大溫差防竄水泥漿體系， 嚴(yán)控稠化時(shí)間， 縮短水泥凝結(jié)時(shí)間。研發(fā)寬溫帶緩凝劑， 并使用活性增強(qiáng)劑和高密度鐵礦粉增加有效膠結(jié)相含量，提高水泥石強(qiáng)度?？刂莆矟{稠化時(shí)間附加安全時(shí)間為30～60 min。高密度大溫差水泥漿性能如表5所示，尾漿在11 h內(nèi)終凝，領(lǐng)漿在30 h內(nèi)終凝，達(dá)到“以快治氣”目的。

圖10 頂替模擬尾漿上竄結(jié)果

圖11 水泥漿升降溫稠化曲線

表5 高密度大溫差水泥漿性能

2.3 推廣應(yīng)用封隔式尾管懸掛器

研發(fā)了封隔式尾管懸掛器，作用機(jī)理是：注水泥施工結(jié)束后，上提鉆柱使彈爪出坐封筒，彈爪張開；下放鉆柱，彈爪下壓坐封筒，下行剪斷座封剪釘壓縮膠筒，實(shí)現(xiàn)尾管與上層套管的封隔；封隔后，上提鉆柱，起出送入工具；最后，回接插管連接在回接套管底部后下送插入回接筒，實(shí)現(xiàn)回接密封。封隔式尾管懸掛器最大懸重250 t，整體抗壓能力達(dá)到70 MPa氣壓密封，下壓彈爪機(jī)械坐封后，環(huán)間封隔承壓達(dá)到40 MPa，解決了φ177.8 mm尾管固井后喇叭口竄氣問題。同時(shí)在φ177.8 mm套管回接固井中使用常規(guī)密度韌性微膨脹水泥漿體系，在B環(huán)空形成由高密度大溫差水泥漿體系、封隔式尾管懸掛器、常規(guī)密度韌性微膨脹水泥漿體系組成的多重防護(hù)井屏障，減輕氣體泄漏風(fēng)險(xiǎn)。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

該預(yù)防環(huán)空帶壓固井技術(shù)在川中高壓氣井應(yīng)用12口井。推廣應(yīng)用“以快治氣”防竄固井技術(shù)和高密度大溫差水泥漿體系后，φ177.8 mm尾管固井質(zhì)量聲幅評價(jià)段平均合格率由52.98%提高至73.18%。φ244.5 mm技術(shù)套管和φ177.8 mm套管回接固井采用常規(guī)密度韌性防竄水泥漿體系，固井質(zhì)量聲幅評價(jià)段平均優(yōu)質(zhì)率分別達(dá)到了80.6%和89.9%， 僅2口井在試油期間、 生產(chǎn)期間C環(huán)空異常帶壓，解決了鉆完井期間的環(huán)空異常帶壓問題。

4 結(jié)論與建議

1.常規(guī)水泥石力學(xué)性能不適應(yīng)川中高壓氣井層間封隔要求，固井后管柱試壓、鉆井液密度降低導(dǎo)致水泥環(huán)完整性受損，形成微環(huán)隙、微裂隙是C環(huán)空帶壓的重要原因。φ177.8 mm尾管固井質(zhì)量差，后續(xù)工況如試壓、降密度進(jìn)一步削弱固井膠結(jié)質(zhì)量是B環(huán)空帶壓的重要原因。

2.針對環(huán)空帶壓問題，優(yōu)化了韌性微膨脹水泥漿體系， 形成了“以快治氣”防竄固井工藝，推廣應(yīng)用封隔式尾管懸掛器?，F(xiàn)場應(yīng)用12口井，φ177.8 mm尾管固井質(zhì)量合格率由52.98%提高至73.18%。φ244.5 mm技術(shù)套管和φ177.8 mm套管回接固井質(zhì)量聲幅評價(jià)段平均優(yōu)質(zhì)率分別達(dá)到了80.6%和89.9%，僅2口井在試油期間、生產(chǎn)期間C環(huán)空異常帶壓，較好地解決了鉆完井期間的環(huán)空異常帶壓問題。

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