淺層氣治理對策研究與關鍵技術

馬超，袁則名，和鵬飛，馬志忠

中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術分公司 （天津 300452）

淺層氣分布廣泛，約占世界油氣田總數(shù)的20%,淺層氣治理關系到石油生產(chǎn)安全， 石油業(yè)界一直對其高度重視[1-3]。 針對渤海油田渤中34 區(qū)塊淺層氣的存在，從鉆井工程、固井工藝、井口封堵3 個方面來整體分析，多方面入手，逐一解決問題，達到對淺層氣綜合治理的目的。

1 渤中34 區(qū)塊淺層氣治理的難點

1.1 淺層氣危害

淺層氣是指在淺地層鉆井遇到的天然氣， 埋深一般小于1 500 m。 該地層膠結松散，破裂壓力低，易發(fā)生漏失。 淺層氣鉆井過程中的井控風險具有較大的突發(fā)性。若淺層氣井段封固不好，很有可能會泄漏，嚴重時甚至會發(fā)生井噴[4-5]。 渤中34 區(qū)塊淺層氣發(fā)育充分，大部分井鉆遇淺層氣，深度在海拔-650～-1 500 m， 共計6 套。 淺層氣鉆井作業(yè)屬于高危作業(yè)，為防止渤中34 區(qū)塊淺層氣井噴，淺層氣的綜合治理問題勢在必行。

1.2 淺層氣固井難點

淺層氣井段固井封固效果不好主要受到水泥漿體系和鉆井工程本身因素的影響。 性能優(yōu)越的水泥漿體系是固井的基本條件， 其性質(zhì)直接決定固井質(zhì)量；鉆井工程也會影響固井質(zhì)量，注意鉆井過程相關細節(jié)，是固井成敗的關鍵。

常規(guī)G 級水泥漿性質(zhì)：水泥漿頂替到位后，會經(jīng)過靜液柱壓力傳壓、液塑態(tài)孔隙傳壓、塑固態(tài)孔隙傳壓3 個階段，直至終凝并達到預定強度。在水泥漿凝結過程中，淺層氣會不斷侵入，液塑態(tài)孔隙傳壓階段氣體侵入會導致水泥環(huán)出現(xiàn)微環(huán)空， 導致塑固態(tài)孔隙傳壓階段時水泥環(huán)不具備足夠的強度， 如果淺層氣能量不斷積蓄則會造成水泥環(huán)的壓裂。 常規(guī)G 級水泥本身具有體積收縮比高和脆性大的特性[6]，另外， 在水泥漿凝結過程中會吸收井壁殘存泥餅的水分并使其干裂，使第二膠結面封固效果變差。 因此，采用常規(guī)G 級水泥固井發(fā)生氣體竄槽的概率很大。

此外， 淺層氣固井質(zhì)量不好還與鉆井工藝因素有關，主要包括：高密度水泥漿體系容易壓漏地層；由于表層井底溫度低導致水泥起強度慢； 井壁沖蝕導致井眼出現(xiàn)局部環(huán)空間隙大； 井眼清洗困難導致的膠結面差等問題。

2 關鍵技術

淺層氣嚴重威脅平臺的生產(chǎn)作業(yè)安全， 淺層氣防治問題必須得以解決。 淺層地層疏松，易垮塌，容易發(fā)生漏失， 多增加一層套管單獨封堵淺層氣井段是有效解決淺層氣固井的措施之一， 但該方法勢必延長鉆井工期，導致單井成本增加。向水泥漿中摻入合適的聚合物對其進行改性, 可針對性地改善水泥石的力學性能[7-8]。 在分析淺層氣危害及防治難點的基礎上，從水泥漿體系出發(fā)，實驗優(yōu)選了一種新型水泥漿體系及配套固井工藝，減少一層套管的下入。再結合鉆井工程、井身結構、地質(zhì)識別及井口帶壓井的治理等關鍵技術，形成一套完整的淺層氣防治技術。

2.1 鉆井工藝技術優(yōu)化

鉆井工程優(yōu)化是指在鉆井過程中，通過對工程參數(shù)、工序進行優(yōu)化，保證淺層氣井段的封固質(zhì)量。①準確確認淺層氣井段的位置， 一開井眼不揭開淺層氣井段。對于不能明確預測淺層氣位置，一開作業(yè)期間要安裝分流器， 一旦意外揭開淺層氣層應該及時中完。 采用二開鉆穿淺層氣井段的井眼要考慮鉆井裝備能力，合理優(yōu)化裸眼段長度，確保滿足全井封固套管環(huán)空。②井眼擴徑會導致水泥漿量變多，附加量誤差變大，局部“大肚子”井段鉆屑和泥漿殘余不易替凈，會影響整體封固效果。在鉆井過程中防止井眼過度擴徑，保證井壁的平滑度。 ③表層444.5 mm井眼與339.7 mm 套管環(huán)空間隙是52.38 mm， 環(huán)空間隙大，受泥漿泵排量限制，環(huán)空清洗困難，導致水泥漿與井壁、套管的界面膠結差，氣體易在近井壁、套管與水泥漿的界面上竄。為此，每打完一柱鉆桿深度，泵入8 m3稠漿，以及中完后，給予充分循環(huán)，并泵入15 m3稠漿， 保證充分攜帶巖屑， 使其井眼清潔。 ④為提高套管的居中度，保證固井質(zhì)量，自淺層氣頂以上200 m 至淺層氣以下150 m， 套管扶正器加密至3 根2 個。 頂替水泥過程中，在1～2 m 范圍內(nèi)活動套管串， 保證水泥漿將套管環(huán)空中的鉆井液頂替干凈，提高水泥漿的頂替效率，保證第一和第二膠結面的質(zhì)量。

2.2 井身結構優(yōu)化技術

根據(jù)油田資料錄取顯示，淺層氣集中于海拔-650～-1 500 m。 通過對淺層氣泄漏事件原因分析，表層套管直接封固淺層氣的成功率較低， 表層鉆進揭開淺部氣層的井控風險較高。鑒于此，對含有淺層氣井進行了井身結構的優(yōu)化。 Φ406.4 mm 井眼閉路鉆進至450 m 左右，確保不揭開淺部氣層，同時該深度的地層有足夠的承壓能力；采用Φ311.1 mm 井眼揭開， 該方法能夠有效控制井眼與套管間隙增長大，解決了由于泥漿泵排量限制，環(huán)空清洗困難，水泥漿與井壁、套管的界面膠結不好的問題，阻止氣體在近井壁、套管與水泥漿的界面上移，防止淺層氣泄漏。 另外，要在Φ311.1 mm 井眼鉆進期間安裝防噴器，大大降低淺層氣層鉆進期間的井控風險。同時需考慮平臺載荷和灰罐容積的限制， 設計時應該優(yōu)化高密度水泥漿封固裸眼段的長度。

2.3 地質(zhì)識別技術

各井區(qū)淺層氣深度、 厚度及發(fā)育程度存在微小的差別[9]。 為了充分獲取淺層氣的基礎數(shù)據(jù)，對淺層氣進行透徹研究， 分別選擇各井區(qū)的代表井進行全裸眼段錄井，并增加了淺層氣井段的測井項目。獲得了充足的地質(zhì)資料， 得以對各井區(qū)淺層氣進行詳細地認識和解釋。

2.4 井口帶壓井治理技術

針對已經(jīng)發(fā)生泄漏的井，需要進行針對性處理，井口環(huán)空壓力必須安全有效控制[10]。 井口封堵技術是帶壓井安全可控泄壓的較為有效的手段。 要求包括：泄壓過程全程監(jiān)控；所選設備滿足平臺長期生產(chǎn)要求；不對平臺生產(chǎn)流程產(chǎn)生影響。主要措施有對上述泄漏淺層氣的2 口井的609.1 mm 隔水套管與339.7 mm 表層套管之間的所有縫隙和隔水套管頂端的2 個返漿口進行焊接封堵作業(yè)， 并在該環(huán)板上安裝引流的閥門、壓力表和管線，引至其他安全區(qū)域進行泄壓。

2.5 樹脂水泥漿體系的應用

2.5.1 水泥漿性能要求

淺層井底溫度低，水泥漿速度慢，起強度慢，易發(fā)生氣竄[5]。 為此只能使用過平衡淺層氣孔隙壓力的水泥漿進行單級固井， 但該工藝會增加地層漏失的可能性，增加了作業(yè)風險。針對以上問題急需選擇一種當量比重較低，抗污染能力較強，具有良好的防氣竄能力的水泥漿體系。 該水泥漿體系可以防止淺層氣泄漏，封固性極強，能夠有效封固長井段，保證淺層氣地層的封固質(zhì)量，達到安全、經(jīng)濟、優(yōu)快鉆井的目的。此種水泥漿需要有較為全面的性能，主要包括：低溫下抗壓強度高、水泥石致密、起強度時間短、水泥漿綜合性能優(yōu)良和24 h 強度高、具有良好的防氣竄能力。

2.5.2 水泥漿體系優(yōu)選

目前海上油田針對淺層氣井段固井采用的水泥主要有塘沽水泥、膠乳水泥及樹脂水泥。超聲波水泥分析儀（UCA）測試結果是反映水泥漿體在不被破壞的前提條件下各個連續(xù)時間段內(nèi)強度的發(fā)展變化情況，目前，世界各大油田公司將UCA 強度劃為投標實驗項目中的重要技術指標。對塘沽、樹脂和膠乳水泥漿體系的UCA 強度進行了測試。由測試結果可知3 種水泥漿體系的起強度時間：G 級水泥漿(起強時間：T=8 h54 min)＞樹脂水泥漿(起強時間：T=9 h)＞膠乳水泥漿(起強時間：T=13 h30 min)，但前兩者幾乎同時起強度。 G 級水泥漿、樹脂和膠乳水泥漿24 h 強度分別為6.48 MPa(940 psi)、9.66 MPa(1 400 psi)和7.93 MPa(1 150 psi),其中樹脂水泥漿體系強度最高。

G 級水泥和膠乳水泥是目前現(xiàn)場固井常用的2種水泥漿材料，但在已固井結束的井，井口已有淺層氣泄漏現(xiàn)象， 實踐證明2 種水泥漿體系防氣竄效果不理想，不適用淺層氣井段固井。選用的樹脂水泥漿具有較好的防氣竄功能， 表1 為3 種水泥漿體系對比數(shù)據(jù)。

表1 不同水泥漿體實驗參數(shù)

由于表層較淺， 因此實驗溫度設定為40 ℃，通過樹脂水泥漿對比G 級水泥漿和膠乳水泥漿的實驗數(shù)據(jù)得知：G 級水泥漿和樹脂水泥漿起強度時間較為接近，均小于9 h，比膠乳水泥漿起強度時間節(jié)省了4 h 以上； 孔隙度是衡量水泥漿體系防氣竄能力指標，孔隙度越小，防氣竄能力越強。 樹脂水泥漿的孔隙度比G 級水泥漿和膠乳水泥漿的孔隙度小5%以上， 防氣竄效果優(yōu)越；24 h 強度反映水泥漿抗地層壓力的能力，24 h 強度越高， 水泥環(huán)抗地層壓力能力越強。 樹脂水泥的24 h 強度為9.66 MPa，遠高于其他2 種水泥漿體系。綜合以上實驗，樹脂水泥漿體系為最佳防氣竄水泥漿體系， 針對淺層氣井段固井具有良好的應用前景。

3 應用成果分析

3.1 鉆井工程優(yōu)化應用效果

作業(yè)前， 通過地質(zhì)識別確定了淺層氣的深度范圍，在預測的淺層氣深度以上中完，實際一開作業(yè)期間均未鉆遇淺層氣。在二開作業(yè)過程中，通過嚴格控制排量，避免定點循環(huán)減少了“大肚子”井段的存在。通過提前轉化鉆井液，減少了井眼擴徑的可能性。通過優(yōu)化井眼軌跡， 減少了滑動進尺， 保證了井眼平滑，提高了扶正器的支撐效果，提高了頂替效率，保證了固井質(zhì)量。

3.2 井身結構優(yōu)化的成功應用

以井深3 000 m 且存在淺層氣的井為例， 在斜深700～1 000 m 鉆遇淺層氣，原設計如圖1（a），使用的是聚合物體系+防竄劑固井體系進行單級固井； 使用低密水泥漿+樹脂水泥漿固井體系固井方式的前提下，可變更井身結構如圖1（b）；工期費用測算見表2。

圖1 采用樹脂水泥漿后井身結構變化對比圖

表2 渤中X 井2 種作業(yè)方案的費用工期對比

經(jīng)過測算， 作業(yè)方案的優(yōu)化減少了單獨封固淺層氣井段的一層套管， 每口井至少節(jié)省2 d 作業(yè)時間，單井節(jié)約鉆井成本300 萬元。 低密水泥+樹脂體系自2015 年5 月在BZ34-1X 平臺優(yōu)先成功使用并日趨成熟，目前已經(jīng)成功應用了10 口井，節(jié)省鉆井成本3 000 萬元以上。

3.3 地質(zhì)識別技術的應用效果

圖2 為渤中某油田含淺層氣井的測井曲線，從中子密度測井曲線中明顯看出淺層氣挖掘效應（黃顏色區(qū)域1 328～1 358 m）。淺層氣測井技術的提出，更加清楚的認識淺層氣， 對淺層氣的埋藏深度有極為精準的判斷，對于井身結構優(yōu)化、鉆井工藝等起到了指引作用，大大降低了淺層氣風險及開發(fā)成本。

圖2 淺層氣井段測井曲線

3.4 井口帶壓井的治理效果

對隔水管與表層套管之間的所有縫隙、 開口進行焊接封堵，安裝引流閥、壓力表和管線。 對所有焊縫進行了3 次補強、探傷、試壓、涂敷防腐處理。環(huán)空氣體通過連接放氣管線，最終進入閉排罐，經(jīng)閉排罐后進行冷放空處理。經(jīng)過這種處理，將氣體匯入了平臺的流程，實現(xiàn)了對淺層氣的隔離、封堵和引流，井口環(huán)空壓力得到了安全有效的控制， 并進行了安全釋放，保證了平臺和人員的安全。

3.5 樹脂水泥漿體系的成功應用

3.5.1 不同水泥漿體系現(xiàn)場使用效果

以存在淺層氣的渤中某油田X 平臺為例，該平臺共完成了12 口井， 其中3 口井進行了聲波幅度測井（CBL）作業(yè)。 X5 井采用G 級水泥漿，聚合物體系+防竄劑進行單級雙封，目前淺層氣從244.48 mm和339.7 mm 套管環(huán)空泄漏。 X3H 井采用漂珠水泥單級封固，全井段采用低密高強體系+防竄劑，固井質(zhì)量差， 目前淺層氣從244.48 mm 和339.7 mm 套管環(huán)空泄漏。 X8H 井采用漂珠水泥單級全封，淺層氣段采用樹脂水泥漿體系， 其他井段采用低密高強體系+防竄劑封固，固井過程順利，封固效果好，沒有發(fā)生環(huán)空泄漏事件。

通過X5、X3H 和X8H 井固井結束后的測CBL曲線得知，X3H 井在淺層氣段整體封固效果不理想，封固質(zhì)量不合格；X5 井封固效果比X3H 井要好一些，但仍然滿足不了固井要求。采用樹脂水泥漿體系的X8H 井整體封固質(zhì)量好，固井質(zhì)量優(yōu)秀，固井結束后井口未見壓力顯示。

3.5.2 不同水泥漿體系應用效果

采用低密水泥漿+樹脂水泥漿單級固井方式，現(xiàn)場試驗了5 口井。從效果可知封固段CBL 曲線測井井段聲波幅度占未封固井段聲波幅度比值均在10%以內(nèi)，封固質(zhì)量優(yōu)秀。 試驗井CBL 數(shù)據(jù)表明低密水泥漿+樹脂水泥漿適用于淺層氣地層的井。 該水泥漿體系具有良好的封堵效果， 滿足渤海油田淺層氣井段的固井要求。

4 結論

1）使用樹脂水泥漿體系及相配套的技術，克服井底諸多不利因素影響， 成功解決了存在淺層氣油田的封固問題， 為今后相關淺層氣固井提供了安全高效的可行性方案。

2）井口封堵技術，泄壓過程實現(xiàn)了全程監(jiān)控，使不受控制的泄漏氣體得到安全可控的排放， 及時排除了生產(chǎn)隱患。

3）探索出一套完善的淺層氣綜合治理關鍵技術， 消除了油氣井安全生產(chǎn)的隱患， 取得了良好效果，具有良好的應用價值和推廣價值。