哈薩克斯坦里海盆地M區塊淺層氣井控技術

摘 要

摘要：淺層氣難于防控的主要原因是氣層埋藏淺，一旦打開氣層，氣體很快竄到井口，還沒有來得及采取措施，已經發生井噴或井噴失控，即便是控制了井口，也容易憋破地層，氣體竄至地面，造成財產
摘要：淺層氣難于防控的主要原因是氣層埋藏淺，一旦打開氣層，氣體很快竄到井口，還沒有來得及采取措施，已經發生井噴或井噴失控，即便是控制了井口，也容易憋破地層，氣體竄至地面，造成財產損失、井眼報廢和環境污染。哈薩克斯坦里海盆地的M區塊，在270～510m井段的不同層位埋藏著十分活躍的淺層氣。鉆井中為了做好淺層氣防控工作和提高固井質量，對M區塊前期發生的淺層氣井噴情況采取了一系列行之有效的措施：①優化鉆井設計；②第1次開鉆井段，采用大排量循環固井，水泥漿返至地面，保證歷324 mm套管固井質量；③第2次開鉆井段要注重1次井控；④第3次開鉆井段采用設計鉆井液密度和失水的下限，控制鉆時，保證井眼清潔；⑤第4次開鉆在碳酸鹽巖地層鉆進，注重硫化氫防護和防漏。推行上述配套技術，目前在該區塊已經完井42口，避免了井噴失控，保障了鉆井工程的安全、質量和速度，保護了資源和環境，為同類淺層氣井的鉆井施工提供了經驗。
關鍵詞：淺層氣；井噴；環空竄氣；固井質量；環保；哈薩克斯坦
1 M區塊勘探初期鉆井情況
    在西方公司管理M區塊時期，共鉆井5口，其中3口井因淺層氣問題報廢，雖然有2口井鉆達設計井深完井，但仍然存在環空竄氣問題。更為嚴重的是M-3井：井噴、失控、著火、燒毀設備、報廢，并造成大面積環境污染，在當地造成了不良影響。當地政府多次強調，如果不能解決M區塊的淺層氣鉆井技術難題，將取消作業者的勘探開發許可證。這5口井的基本情況如表1所示。
表1 M區塊的淺層氣鉆井技術表
井號
井深
套管層數及最大下入深度
完井情況
存在問題
M-1
402
Ø324mm×105m
報廢井
氣體竄到地面
M-1a
1175
Ø324mm×162m+ Ø245mm×398m+ Ø168mm×657.58m
采油井
固井不合格，環空冒氣
M-2
402
Ø324mm×161m+ Ø245mm×399.60m
報廢井
Ø245mm套管內外均竄氣
M-2a
760
Ø324mm×160m+ Ø245mm×382m+ Ø168mm×750m
采油井
 
M-3
401
Ø324mm×146m
報廢井
井噴、失控、燒毀設備
1) M-1井：使用Ø394mm鉆頭鉆至106m，下入套管Ø324mm×105m，固井水泥漿返至地面。2002年12月19日，第2次開鉆，使用Ø394mm鉆頭鉆至402m，起鉆至井深302m，發現氣流并關井，立壓為1.5MPa，套壓為1.8MPa。隨后發現井口周圍氣體竄到地面(見圖1、2)。后來注水泥塞，該井工程報廢。
 
    2) M-1a井：使用密度為1.19g/cm3的鉆井液，鉆至353m井漏，漏失速度為3.8m3/h。堵漏后，于2003年6月18日鉆至井深1175m，分別下入套管Ø324mm×160.63m+Ø245mm×398m+Ø168mm×657.58m，正常完井。但是，生產套管固井質量不合格，CBL測井：550m以上井段套管接箍明顯，Ø245mm和Ø168mm套管環空冒氣。
    3) M-2井：于2003年10月30日開鉆，鉆至井深402m，分別下入套管Ø324mm×161m+Ø245mm×399.60m，固井后11h，兩層套管之間的環空溢流出水和氣體，測得壓力為1.2MPa。后來，環空多次擠注水泥，仍然竄氣。另一方面，在Ø245mm套管內部，鉆水泥塞至井深295m，全烴為5%，密度為1.08g/cm3，溢流，關井套壓為0.8MPa；加重密度至1.39g/cm3，套壓為0.3MPa，套管內外仍然竄氣，為了安全，在Ø245mm套管內注水泥塞，該井工程報廢。
    4) M-2a井：于2004年1月19日，該井用密度為1.21g/cm3的鉆井液鉆至井深760m，下入套管Ø324mm×160m+Ø245mm×382m+Ø168mm×750m，固井20h后，Ø245mm和Ø168mm套管環空壓力為2MPa，接管線引出點燃長明火把至今。
    5) M-3井：于2004年2月8日開鉆，套管下深Ø324mm×146m，2004年2月15日使用Ø295.3mm鉆頭鉆至401m完鉆，鉆井液性能：密度為1.16g/cm3；黏度為48s，在316～323m井段，打開淺氣層。循環后全烴為0.5%，起鉆至井深316m，循環1h全烴由25%降至0.2%，至2004年2月16日起鉆至井深300m，發現溢流，當搶接方鉆桿時，氣體和鉆井液混合物涌出轉盤面，關井失敗，井噴失控、著火、燒毀設備(見圖3、4)。經過拆除、清理被毀設備，爆破滅火，更換井口裝置，連接液壓控制管線，關閉防噴器之后，注水泥塞，該井工程報廢(大火燃燒6d)。
 
2 M區塊淺層氣特點及鉆井施工難點
    1) M區塊淺層氣特點：M區塊淺層氣埋藏淺(M-2井在井深270m就鉆遇了氣層)、井段長(M-18井在井深510m還有高壓氣層)、范圍廣、異常活躍、地層脆弱。
    2) 鉆井施工難點：①表層套管只能下到氣層頂部，第1次開鉆要保證不打開氣層。如果第1次開鉆打開氣層，淺層氣問題將更難處理；②淺層氣分布井段長，不能保證技術套管封住全部氣層；③鉆井液密度不能太高，否則，造成井漏；④由于氣層埋藏淺，氣層距離地面較近，氣體一旦進入井內，很快到達井口，幾乎沒有預警時間。另外，氣體壓縮比小，氣體上升過程中膨脹比也相對較小。因此，發現溢流比較困難。施工中往往是發現溢流，隨即井噴；⑤起鉆抽汲對井內壓力平衡影響比較大，氣體往往跟隨鉆頭到達井口，造成井噴。一旦井噴失控，容易失火，造成大面積污染；⑥關井壓力要控制在適度范圍內，壓力升高時，要及時泄壓，否則，會憋破地層竄到地面；⑦固井水泥漿失重容易引起套管環空竄氣，水泥環質量難以保證；⑧井底碳酸巖地層是目的層之一，與上部地層不整合接觸，壓力系數為1.0左右，打開這套地層時，往往發生井漏。
3 M區塊淺層氣鉆井井控技術
    針對M區塊淺層氣特點及鉆井施工難點，主要采取了以下技術措施[1～7]：
    1) 優化井身結構，做好鉆井設計：在前期所鉆的井中，表層套管下入深度為100m至200m不等，出現了不少問題。設計原則是Ø324mm表層套管下入200m左右，至氣層頂部，而不打開氣層。Ø245mm技術套管下入400m以上，至油層頂部，而不打開目的層。對于底部侏羅系地層下入Ø168mm生產套管后，使用密度小于1.05g/cm3的鉆井液打開碳酸鹽巖地層，保護好油氣層。每次固井水泥漿均要求返到地面。
    2) 第1次開鉆井段，大排量循環固井，水泥漿返到地面，保證Ø324mm套管固井質量。
    3) 第2次開鉆前，除嚴格按常規安裝井口外，還在四通兩側各安裝一只液壓控制閘門，并雙向試壓合格，保證及時泄壓。
    4) 第2次開鉆井段要注重一次井控，在不漏的情況下，使用比較高的鉆井液密度鉆進，“壓穩”的概念貫徹到鉆進、起下鉆等每一個作業環節中。儲備足夠的高密度鉆井液和加重材料。
    5) Ø245mm套管使用外封隔器，固井后，根據井下情況適當加回壓。
    6) 第3次開鉆井段使用設計鉆井液密度和失水的下限，控制鉆時，保證井眼清潔，既防止鉆屑過多引起密度上升，而壓漏地層，又防止氣體侵入量增加使井內液柱壓力降低。起下鉆平穩操作，防止產生壓力激動。
    7) Ø168mm套管同樣使用外封隔器，并采用雙凝水泥漿固井。先安裝套管頭卡瓦，后固井，然后視井下情況適當加回壓。
    8) 第4次開鉆在碳酸鹽巖地層鉆進，注重硫化氫防護和防漏。
4 M區塊淺層氣鉆井情況
    1) M-4井井噴情況：該井設計井深為648m，下入表層套管Ø324mm×200.46m+Ø245mm×399.78m。2005年4月8日使用Ø216mm鉆頭鉆至井深561.48m發生井漏，漏失速度為8.39m3/h，鉆井液密度為1.18g/cm3。從環空灌入鉆井液8m3未見到液面。在配制堵漏劑時發生井噴，噴高至天車臺。關井立壓為3MPa；套壓為4MPa。先注入堵漏劑10m3，重新建立循環，后節流循環排氣套壓降為零，恢復正常鉆進。M-4井于2005年4月13日下入油層套管Ø168mm×644.06m并固井，關井候凝。發現水泥樣品已經變硬后，為了加快生產進度，在開始拆防噴器節流管匯時發現溢流，隨即發生強烈井噴，環空水泥被噴了出來。井噴發生后，裝好井口和節流管匯，進行關井，套壓為4.5MPa。然后，從環空注入密度為1.28g/cm3的鉆井液壓井。測CBL發現420m以下固井質量良好，在環空擠水泥19t補救。當時，該井還沒有采取先安裝套管頭卡瓦，后固井的技術措施。M-4井是M區塊測得H2S含量最高的井。
    2) M-18井井噴情況：該井設計井深為693m，下入表層套管Ø324mm×204.86m+Ø245mm ×438.06m。2005年11月12日使用Ø216mm鉆頭鉆至井深514.50m，鉆井泵的噴淋泵壞，進行修泵(設備配套僅一臺泵)工作，在活動鉆具5min后，發生強烈井噴，進行關井，套壓為2.5MPa，鉆井液密度為1.14g/cm3，黏度為56s，放噴點火情況(見圖5)。然后使用密度為1.23g/cm3的鉆井液進行壓井，恢復正常。
 
5 M區塊淺層氣鉆井井控成效
    在中國石化國際石油勘探開發公司接管M區塊后，自2005年完成M-3a井(M-3井的替代井)以來，通過實施淺層氣井控技術，至2009年7月已經在M區塊完井42口(含兩口淺層氣資源評價井)，盡管出現了3次井噴等異常情況，但是均得到了有效控制。井控技術主要成效有以下幾個方面：
    1) 避免了井噴失控。
    2) 避免了報廢井。
    3) 固井質量合格率由前期的20%提高到100%，優良率提高到75%以上[1～7]。
    4) 解決了套管之間環空竄氣的問題。
    5) 更好地開發了深部碳酸巖油氣藏。
    6) 避免了環境污染。
6 結論與認識
    1) 淺層氣鉆井需要針對性強的防控技術，細微的疏失就可能導致嚴重的井噴、失控、設備毀壞、氣井報廢、資源浪費和環境污染。
    2) 一旦井噴關井，應及時放噴、泄壓，避免憋破地層竄至地面。
    3) 套管外封隔器的使用對提高淺層氣井的固井質量起到了關鍵作用。
參考文獻
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(本文作者：李作賓 中國石化國際石油勘探開發公司俄羅斯中亞大區)