非均質(zhì)惡性漏失氣藏調(diào)剖封堵劑體系的研究與應(yīng)用

宋勝利

(中原油田分公司石油工程技術(shù)研究院)

“5.12”汶川地震導(dǎo)引起嘉陵江組鹽巖層蠕變加劇，導(dǎo)致普光氣田氣井油層套管普遍變形。2014年以來，又相繼發(fā)現(xiàn)部分氣井油層套管變形加劇。若套管變形進(jìn)一步加劇，可能出現(xiàn)套管破損，破壞生產(chǎn)管柱的完整性，導(dǎo)致含硫天然氣竄漏，存在較大安全隱患，需要及時(shí)封井處理。但普光氣井壓力系數(shù)低、地層虧空，擠堵時(shí)水泥漿漏失嚴(yán)重；氣井射孔井段長、非均質(zhì)強(qiáng)，擠堵時(shí)水泥漿大量擠入高滲層、裂縫層，難以有效封堵中、低滲氣層，封堵效果差[1]。

為使水泥漿有效擠入地層高、中、低滲氣層，避免水泥漿大量漏失或沿高滲、裂縫層指進(jìn)，研究了一種適合非均質(zhì)惡性漏失氣層的調(diào)剖封堵劑體系，配套了不動(dòng)管柱調(diào)剖封堵工藝，并在普光氣田D405-3井成功應(yīng)用。現(xiàn)場應(yīng)用表明，調(diào)剖封堵劑體系可在地層內(nèi)形成“動(dòng)平衡堵漏、封堵塞”，降低水泥漿的漏失、提高中低滲氣層的封堵效果，對于非均質(zhì)、惡性漏失氣層具有較好的封堵效果。

一、調(diào)剖封堵劑體系

1. ZND調(diào)剖堵漏劑的性能

1.1 調(diào)剖堵漏劑的要求

(1)擠得進(jìn)。堵漏劑的流動(dòng)性要好，能通過油管擠入裂縫、高滲層。

(2)能憋壓。調(diào)剖堵漏劑擠入地層后具備一定的堵漏能力，能承受一定壓差。且承壓能力大于封堵水泥漿進(jìn)入中、小孔縫的擠入壓力，從而能憋壓讓水泥漿更多的進(jìn)入中、小孔縫，擴(kuò)大水泥漿的波及體積。

(3)動(dòng)平衡。調(diào)剖堵漏劑在地層內(nèi)的承壓能力可控，當(dāng)提高擠注壓力時(shí)能將堵漏劑擠入地層深部，避免后續(xù)封堵水泥漿擠不進(jìn)去[2]。

1.2 ZND調(diào)剖堵漏劑的性能特點(diǎn)

ZND調(diào)剖堵漏劑是通過高分子聚合物締合形成的超分子聚集體結(jié)構(gòu)性溶液，當(dāng)擠注壓力小于流動(dòng)阻力時(shí)，堵漏劑能起到堵漏效果；當(dāng)擠注壓力大于流動(dòng)阻力時(shí)，能推動(dòng)堵漏劑段塞進(jìn)入地層深部，避免后續(xù)水泥漿無法擠入地層。此外，ZND調(diào)剖堵漏劑具有較好的防氣竄、抗水沖稀混合性能，能阻隔地層流體。在130℃下72 h后自然水化，水化產(chǎn)物對氣層無影響[3]。ZND調(diào)剖堵漏劑主要性能如下。

(1)在較高速梯(如400～600 s-1)下具有較低的黏度(150～300 mPa·s)；在低速梯下(7.34 s-1，相當(dāng)于在地層中滲流)，黏度可達(dá)(2～3)×104mPa·s或更高。

(2)能擠入100 mD以上的中高滲氣層，在1 600 mD高滲層內(nèi)堵漏壓力可達(dá)18 MPa。當(dāng)高于18 MPa時(shí)，能推動(dòng)堵漏劑進(jìn)入地層深部(見表1)。

表1 ZND調(diào)剖堵漏劑驅(qū)替壓力測試表

(3)ZND調(diào)剖堵漏劑中加入水泥漿后，由于重力作用堵漏劑與水泥漿很快分層，靜置48 h后水泥固結(jié)良好，上下界面清晰、無混漿的現(xiàn)象。

2. 耐腐蝕超細(xì)水泥漿的性能

2.1 氣層封堵劑的要求

(1)流動(dòng)性好。水泥漿粒徑配比合適、流動(dòng)阻力小，易于擠入中、小孔縫，能夠配合連續(xù)油管施工。

(2)充得滿。水泥漿零析水，凝固后不能收縮、最好微澎脹，充分填滿地層孔縫[4]。

(3)堵得久。水泥石強(qiáng)度、耐腐蝕及防氣竄性能合適，在普光高溫高含硫腐蝕環(huán)境下，能永久阻隔地層流體進(jìn)入井筒。

2.2 耐腐蝕超細(xì)水泥漿的性能特點(diǎn)

耐腐蝕超細(xì)水泥漿以超細(xì)水泥為主劑，摻入超細(xì)礦渣、粉煤灰、硅灰及外加劑。同時(shí)，加入適量的“膠乳、微硅、膨脹劑以及耐腐蝕劑”，提高封堵水泥漿的強(qiáng)度、防氣竄及耐腐蝕能力，提高氣層孔縫的封堵效果[5-6]。其主要性能指標(biāo)如下：

(1)耐腐蝕超細(xì)水泥漿塑性黏度≤60 mPa·s、初始稠度≤20 BC，沉降穩(wěn)定性≤0.02 g/cm3。模擬采用QT-900連續(xù)油管、排量200 L/min循環(huán)泵注水泥漿時(shí)，最高泵壓27 MPa，抗拉安全系數(shù)1.5。

(2)水泥漿在135℃下初始稠度12 BC，稠化時(shí)間3～9 h可控，直角稠化。

(3)水泥漿體系在泵壓45 MPa下可穿透60目石英砂，適合中、低滲儲(chǔ)層封堵。

(4)在15%H2S、8%CO2、150℃條件下，固化后的水泥石腐蝕前后強(qiáng)度均大于21 MPa，滲透率小于0.012 mD，適合高溫高含硫井況長久封堵(見表2)。

表2 水泥石耐腐蝕性能評價(jià)表

二、不動(dòng)管柱調(diào)剖封堵工藝

普光氣井采用酸壓-完井一體化管柱，管柱結(jié)構(gòu)主要包括(自上而下)：井下安全閥+油管+循環(huán)滑套+永久封隔器+坐落短節(jié)+剪切球座。永久封隔器坐封在氣層以上50～100 m的合金套管段(套變段下部)[7]。在油層套管變形加劇的情況下，永久封隔器及下部管柱可能無法起出。若采用先起出原井管柱再封堵氣層的封井工藝，一旦套變加劇導(dǎo)致永久封隔器及下部管柱打撈失敗，在“套變+落物”的情況下，將難以實(shí)施氣層封堵、無法從根源上消除氣井安全隱患。因此，只能先不動(dòng)管柱封堵氣層，再打撈原井管柱，最后封堵井筒。

在不動(dòng)原井管柱的情況下，若直接利用原井管柱調(diào)剖封堵，由于地層破裂壓力較低，原井管柱籠統(tǒng)擠注可能壓漏地層。同時(shí)，生產(chǎn)多年后儲(chǔ)層物性較投產(chǎn)時(shí)發(fā)生較大變化，而原井管柱無法循環(huán)，堵劑用量難以準(zhǔn)確把握。堵劑用量較少可能達(dá)不到氣層堵漏、封堵效果；堵劑過量可能造成原管柱“灌香腸、插旗桿”，影響后續(xù)封井施工[8]。

針對普光一體化完井管柱調(diào)剖封堵存在的難點(diǎn)，在ZND調(diào)剖堵漏劑、耐腐蝕超細(xì)水泥漿性能研究基礎(chǔ)上，配套了不動(dòng)管柱調(diào)剖封堵工藝。該工藝主要分為三個(gè)階段：①利用原井管柱擠注ZND調(diào)剖堵漏劑，調(diào)整氣層吸水剖面；②下連續(xù)油管至射孔段底界，將封堵水泥漿通過連續(xù)循環(huán)替至射孔段，避免原井管柱籠統(tǒng)擠注導(dǎo)致壓漏地層；③利用原井管柱頂替清水，將射孔段的水泥漿擠入地層、封堵近井氣層。

三、普光D405-3井封井應(yīng)用

1. D405-3井基本情況

D405-3井于2006年10月1日完鉆，完鉆井深5 060.89 m，完鉆層位二疊系長興組。2011年11月投產(chǎn)作業(yè)，由于套管嚴(yán)重變形，采用“永久封隔器+遇油膨脹封隔器”采氣管柱完井。

D405-3井射孔段4 794.2～4 913.6 m，射孔段儲(chǔ)層累計(jì)厚度107.3 m，滲透率0.073～1410 mD；孔隙度3.7%～13.4%。射孔段有3個(gè)高滲層，滲透率分別為1 410、361、119 mD，其他小層滲透率不到30 mD。

2016年測試該井地層壓力系數(shù)0.8，測試時(shí)擠注清水302 m3壓井，排量1 m3/min，泵壓僅3～5 MPa，反映地層虧空、漏失嚴(yán)重。壓井后12 h井口壓力就上升至7～10 MPa，氣竄嚴(yán)重、難以長時(shí)間壓穩(wěn)井。

2. 調(diào)剖封堵劑體系及施工工藝設(shè)計(jì)

2.1 調(diào)剖封堵劑體系設(shè)計(jì)

2.1.1 ZND調(diào)剖堵漏劑設(shè)計(jì)

(1)ZND調(diào)剖堵漏劑基本性能。ZND調(diào)剖堵漏劑密度1.1～1.2 g/cm3，膨脹率1.5%，與水1 ∶1混合攪拌30 min不溶，在130℃，18%H2S、9%CO2條件下，性能穩(wěn)定時(shí)間大于48 h。

(2)ZND調(diào)剖堵漏劑用量。D405-3井共有3個(gè)高滲層，滲透率分別為1410、361、119 mD，根據(jù)ZND調(diào)剖堵漏劑驅(qū)替壓力測試情況，若將水泥漿進(jìn)入高滲層的壓力門檻提高至18 MPa，共需要ZND調(diào)剖堵漏劑約71 m3。

Δp=p0×L

(1)

式中：Δp—驅(qū)替壓力，MPa；p0—驅(qū)替壓力梯度，MPa/m；L—堵漏劑段塞長度，m。

Q=πL2h

(2)

式中：Q—堵漏劑用量，m3；L—堵漏劑段塞長度，m；h—小層厚度，m。

2.1.2 耐腐蝕超細(xì)水泥漿設(shè)計(jì)

(1)耐腐蝕超細(xì)水泥漿基本性能。耐腐蝕超細(xì)水泥漿密度1.85 g/cm3，失水≤20 mL，初始稠度≤20 Bc，沉降穩(wěn)定性≤0.02 g/cm3，130℃條件下稠化時(shí)間5.5～7 h；120℃、18%H2S、9%CO2條件下，腐蝕深度<2 cm/a。

(2)耐腐蝕超細(xì)水泥漿用量。根據(jù)D405-3井儲(chǔ)層物性，在氣層平均擠堵半徑0.5 m、擠堵后灰面4 400 m的情況下，共需要超細(xì)水泥15 m3。

(3)

式中：V—超細(xì)膠乳水泥漿用量，m3；L—擠堵半徑，m；φ—?dú)鈱涌紫抖龋?；h—?dú)鈱雍穸?，m。

2.2 不動(dòng)管柱調(diào)剖封堵工藝設(shè)計(jì)

(1)擠壓井、測吸水指數(shù)。油管擠注堿水壓井，測試地層吸水指數(shù)。

(2)調(diào)剖堵漏。油管擠注特種ZND堵漏劑71 m3，頂替清水將特種堵漏劑擠至近井地層。

(3)連續(xù)油管替水泥漿。連續(xù)油管下至射孔段底部，替入耐腐蝕超細(xì)水泥15 m3。

(4)氣層擠堵。上提連續(xù)油管至油管鞋以內(nèi)，油管擠注清水、頂替水泥進(jìn)入地層。

(5)候凝、試壓。關(guān)井候凝48 h，采用原井管柱試壓。

3.現(xiàn)場應(yīng)用情況

通過采用調(diào)剖封堵劑體系，應(yīng)用不動(dòng)管柱調(diào)剖封堵工藝，2017年5月成功完成普光D405-3井封井施工。

封井時(shí)累計(jì)擠注ZND堵漏劑66.8 m3，堵漏后在清水?dāng)D注排量600 L/min的情況下，壓井泵壓提高至18 MPa。?44.45 mm連續(xù)油管循環(huán)注入耐腐蝕超細(xì)水泥漿15.1 m3，替漿排量200 L/min，最高泵壓30 MPa。頂替清水23.5 m3(最高泵壓30 MPa)。

候凝48 h后連續(xù)油管探灰面4 403 m，井筒試壓30 MPa無壓降顯示。連續(xù)觀察15 d，井口無壓力顯示。在后續(xù)打撈原井管柱、井筒注塞等施工過程中(共歷時(shí)44 d)，未出現(xiàn)氣竄、逸漏等現(xiàn)象。

四、結(jié)論

(1)“ZND調(diào)剖堵漏劑+耐腐蝕超細(xì)水泥漿”堵劑體系可用于非均質(zhì)惡性漏失氣層的封堵。ZND調(diào)剖堵漏劑在高滲層、裂縫層內(nèi)形成“動(dòng)平衡堵漏塞”，避免水泥漿單一進(jìn)入高滲層或大量漏失；耐腐蝕超細(xì)水泥漿粒徑小、流動(dòng)性好，易于擠入中小孔縫、永久隔斷氣層與井筒的聯(lián)系。

(2)不動(dòng)管柱調(diào)剖封堵工藝模式，適合嚴(yán)重套變、惡性漏失等復(fù)雜井況的氣井封井。對于嚴(yán)重套變、惡性漏失等復(fù)雜井況，不動(dòng)管柱調(diào)剖封堵工藝能避免因原管柱打撈失敗而無法封堵氣層。同時(shí)，先調(diào)剖再擠堵，能避免堵劑漏失、提高中、低滲氣層的封堵效果。