川渝氣區“三高”氣井固井技術研究

摘 要

摘要：為解決川渝氣區“三高”(高壓、高含硫、高危)氣井固井難題，在分析其固井技術難點的基礎上，通過對水泥腐蝕機理的分析，提出采用水泥漿不同配料組分的顆粒粒徑合理
摘要：為解決川渝氣區“三高”(高壓、高含硫、高危)氣井固井難題，在分析其固井技術難點的基礎上，通過對水泥腐蝕機理的分析，提出采用水泥漿不同配料組分的顆粒粒徑合理級配來優化設計水泥漿的方法。據此，經過實驗篩選出漂珠低密度水泥和纖維-膠乳-微膨脹水泥兩套具有高強度、良好流變性并能形成低滲透致密水泥石的防腐水泥漿體系。從井眼準備、固井井下工具、提高注替效率、固井漏失補救、壓穩等方面研究了提高固井質量的措施。現場應用結果表明，該固井技術的固井合格率和優質率都得到了明顯提高。形成了一套川渝氣區“三高”氣井各層段套管固井技術和配套工藝技術，可用于指導生產，能夠保證“三高”氣井的固井質量。
關鍵詞：川渝地區；深井；超深井；高含硫氣井；水泥漿；固井工藝；應用
0 引言
    近年來，川渝地區天然氣勘探取得了重大突破，相繼發現了多個大型氣田，已成為國家重要的油氣勘探開發戰略接替區和“川氣東送”等工程的主要氣源區之一。但上述新發現的氣田大部分具有埋藏深、地質構造復雜，特別是H2S氣體含量高、地層壓力高、天然氣產量高的特點，給固井帶來困難，固井質量難以保證，甚至出現了部分井在固井后不久就井口竄氣導致環空帶壓，給氣井的安全生產帶來了嚴峻的挑戰，影響了氣井的生產壽命，也給固井提出了新的課題。
1 川渝氣區“三高”氣井固井難點分析
    川渝氣區“三高”(高壓、高含硫、高危)氣井地質條件復雜，具有海相與陸相沉積共存、裂縫發育以及構造變化大等特點，對地質環境認識不清，沒有有效的描述和碳酸鹽巖地層壓力預測手段，鉆井經常打“遭遇戰”，而現有固井長效封固質量保障技術不能滿足“三高”氣井的安全要求[1]。川渝氣區“三高”氣井固井難點主要如下[2]：
    1) 斷層多，裂縫、孔隙和溶洞發育，從侏羅系沙溪廟組-二疊統茅口組均存在嚴重井漏。漏失井段長，漏層連續不斷，漏層位置難以找準。表層套管、技術套管和油層套管固井都出現井漏現象。
    2) 井眼質量不好，主要是地層傾角大(30°～50°)、易井斜，套管居中困難；部分層段易塌，井徑不規則，出現“糖葫蘆”井眼；導致固井第2界面膠結不良；上部以沙溪廟組和自流井組為主；中部以嘉陵江組為主。
    3) 地層縱橫展布及氣水關系復雜，大多數氣田縱向有多個產層，呈現多壓力體系(如龍16井、龍17井和LG2井等)，窄壓力窗口困擾固井質量；高低壓力相間，并有異常低壓到異常高壓交互出現的現象，相鄰產層的壓力梯度一般相差(0.4～0.6)MPa/100m，最高為1.0MPa/100m，壓力系數當量密度為1.00～2.40g/cm3。部分地區存在高壓鹽水層。
    4) 井深，溫度、壓力高(見表1)，高密度對固井材料與工藝要求苛刻。
    5) 受國內套管尺寸系列的限制，常用井身結構(采用Ø508mm+Ø339.7mm+Ø244.5mm+Ø177.8mm+Ø127mm的套管結構)帶來一次固井封固段長，深井超深井的下部套管固井上下溫差大，大溫差極易發生水泥漿超緩凝現象，固井質量無法保證。
    6) 超深井油層套管小井眼、小間隙段固井質量難得到保證。高含H2S和CO2等酸性物質，極易發生腐蝕，導致水泥石強度降低，防腐矛盾突出(表1)。“三高”氣井固井極易出現套管環空竄氣，出現井口環空帶壓，這也是世界級難題[3]。
表1 川渝氣區部分“三高”氣田特征資料表
項目
渡口河氣田
羅家寨氣田
鐵山坡氣田
LG氣田
井深/m
4500～5500
3400～3600
4200～4700
6200～7000
地層壓力/MPa
44～52
40～42
48～50
50～70
日產氣量/104m3
30～60
45～65
30～110
20～120
H2S含量/g·m-3
140～244
120～150
200～210
30～110
C02含量/g·m-3
60～162
100～205
40～125
—
井底溫度/℃
100～110
80～90
90～100
140～160
2 “三高”氣井固井水泥漿研究
   對“三高”氣井固井而言，必須達到兩個目標：①要有良好的固井封固質量；②水泥石具有良好的抗腐蝕性。水泥環柱是套管的包被，水泥環的先期腐蝕可引起和加快套管的腐蝕破壞，從而影響油氣井的壽命。而水泥漿的好壞則直接決定了水泥環柱的質量。
2.1 “三高”氣井水泥腐蝕機理及防腐對策
    “三高”氣井腐蝕源主要是H2S和CO2等酸性氣體，由水泥石腐蝕機理可知，腐蝕介質主要是與水泥石中的成分起化學反應。H2S與水泥石一接觸就與水泥石表面的CaO起反應生成CaS、FeS、Al2S3，H2S含量大時生成Ca(HS)2，其中FeS、Al2S3等是沒有膠結性的物質，造成水泥石一層一層地很快被腐蝕、脫落，逐漸進入內部，直致穿透。當硅酸鈣的水泥石與C02和水接觸時，發生一系列化學反應，水泥都會變成碳酸鹽，使水泥石強度下降、滲透率增加、腐蝕深入。為阻止這種反應的進行，需要采用抗硫水泥和降低水泥石的滲透率與孔隙度。1990年N.Milestone通過研究發現，如果在水泥中添加少量的高鈣物質，比如高爐礦渣漂珠或高鈣粉煤灰(占水泥重量的15%)可提高抗碳酸化的能力；加入一定量的硅砂或硅粉，可大大提高水泥石抗腐蝕的能力[4～5]。
2.2 水泥漿體系研究
2.2.1低密度水泥漿體系
由于常規低密度水泥漿的水灰比和外摻料較大，一般具有較低的抗壓強度和較高的滲透性，不適用于“三高”氣井固井。利用緊密堆積理論口1，優化水泥漿配料粒度和配比，采用不易壓碎的玻璃微珠或漂珠(粒徑為80～120μm)作為減輕劑、水泥(粒徑為20～40μm)、增強劑(粒徑為5～10μm)設計出高性能低密度水泥漿，配方為：嘉華G級水泥+減輕劑+降失水劑+調凝劑+增強劑，性能參數見表2。
表2 低密度水泥漿性能參數表
密度/g·cm-3
流動度/cm
失水/mL
稠化時間/min
48h抗壓強度/MPa
水泥石滲透率/10-3μm2
1.45
23
45
330/343
17.1
0.0057
1.40
22
40
375/386
16.9
0.0053
1.35
22
36
390/402
16.4
0.0185
2.2.2纖維-膠乳微膨脹水泥漿體系
    考慮到川渝氣區固井防漏、防氣竄和抗腐蝕的要求，利用纖維阻止微裂縫的生成、擴展，阻止水泥石失效防漏失；利用膠乳充填水泥石孔隙，利用微膨脹材料補償水泥凝固過程的收縮和充填水泥石孔隙，從而提高水泥石強度，防止水泥環應力破壞，阻止氣體通過水泥石基體竄流，實現有效封固。纖維材料可與孔隙、裂縫壁產生較大的摩擦、阻掛和滯留作用，在孔隙、裂縫表面形成網狀結構，進而水泥顆粒在這些網狀結構上吸附、堆積形成致密的水泥漿濾餅，達到封堵裂縫和孔隙、消除漏失的目的。防漏纖維材料長度范圍為0.1～8mm，不同長度不同粒徑摻雜在一起，以便構成不同長度級配的網狀纖維群，提高粘接強度和封堵能力[7]。膠乳水泥是近年國外用來解決深層天然氣井防氣竄固井的新技術。膠乳是乳化聚合物的通用名稱，這種材料通常為很小的球狀聚合物顆粒的乳狀懸浮液，膠粒的粒徑為0.05～0.5μm。由于不參與水泥水化反應，因而在水泥漿凝固后，膠乳會充填水泥石孔隙，降低水泥石滲透率，成為不滲透水泥，并進而改善強度發展。通過改善水泥漿顆粒級配，膠乳可以將水泥漿的API濾失量有效控制在50mL以內。膨脹劑是一種很微小的晶格膨脹材料，在水泥硬化過程中，可使水泥石晶格發生微小膨脹，使水泥石致密化，并充填于水泥石的毛細孔或氣孔中，從而提高了水泥石的強度和抗滲等性能，改善了水泥環膠結性能。
    通過上述材料復配，可設計出適合川渝氣區“三高”氣井固井的纖維-微膨脹水泥漿、纖維-膠乳水泥漿和纖維-膠乳-微膨脹水泥漿體系。實驗篩選出的水泥漿配方和性能見表3。
表3 纖維-膠乳-微膨脹水泥漿性能參數表
配方
密度/g·cm-3
稠化時間/min
API失水/mL
24h抗壓強度/MPa
水泥石滲透率/10-3μm2
嘉華G級水泥+35%硅粉+12%PZW-A+4%BXF-200L+1.5%BXR-300L+2.3%BCE-210L+0.5%CF40S
1.90
310/320
40
22
0.0049
嘉華G級水泥+35%硅粉+4.25%BCS-020S+3%BCT-800L+6.3%BXF-200L+1.6%BXR-300+1.85%BXR-300LEX+0.33%G603
1.88
248/259
28
23
0.0036
3 提高固井質量技術
    固井質量受到諸多因素的制約，需要從工藝技術、水泥漿性能、兩相液體流動規律及水泥漿凝固特性等諸多方面進行綜合研究，從而制訂出系統的、合理的技術措施。就川渝氣區“三高”氣井而言，為提高水泥環封固質量仍需要解決以下較關鍵的技術問題：①水泥漿頂替、清除“糖葫蘆”井段以及小、窄環空鉆井液的兩相液體流動問題；②水泥漿凝固過程中因水泥漿失重而造成的氣竄問題等[8]。
3.1 井眼準備
    鉆井期間保持井眼規則，下套管前用穩定器剛性通井，固井前堅持地層承壓堵漏，充分循環，保證井底清潔和井壁穩定；合理調整鉆井液性能，在保證平衡油、氣、水層壓力的前提下，應盡量降低鉆井液密度、靜切力、屈服值和塑性黏度，以增大其與水泥漿性能之間的差距，提高頂替效率。
3.2 采用高可靠性固井井下工具
    選用可靠性高的固井井下工具，材質上要抗硫，強度滿足要求。對尾管固井采用帶封隔器的尾管懸掛器，解決氣井尾管固井存在的喇叭口竄氣問題，保障尾管固井質量。
3.3 提高固井注替效率
    研究表明，影響川渝氣區“三高”氣井注水泥頂替效率的因素主要有：井徑不規則，套管在井內的居中度，液體在環空間的流動狀態，紊流時液體流過封隔層位所接觸的時間，鉆井液的觸變性，鉆井液與水泥漿的相容性和流變性，水泥漿與鉆井液的密度差等。
為提高固井注替效率，可采用以下技術措施：①用剛性扶正器強化套管居中，保證居中度在70%以上；②采用優質前置液和沖洗液，合理用量；③優化設計水泥漿注替參數，除表層套管外，在保證井下不漏失的前提下，盡量采用大排量頂替；④旋轉尾管技術；⑤要精心組織施工，采用水泥批混并保持施工連續性，水泥漿混配均勻，施工密度差應控制在0.02g/cm3以下。
3.4 正注反擠補救固井工藝
    固井施工應力求避免發生井下漏失，但發生井漏后就需要采用有效的措施進行補救。對于窄壓力窗口、多漏失層段，采取間歇式反擠作業。當擠入上部漏失層的水泥漿停止流動一定時間后會提高該漏失層的承壓能力。因此，再次開始擠注時水泥漿可能繼續下行到達下部漏層。反復多次擠注就會將所有漏失層和裸眼段封固，在一定程度上能提高固井質量。
3.5 采用過平衡兩凝憋回壓壓穩氣層法固井工藝
    相對而言，在高壓氣井中發生氣竄的現象比一般氣井要多得多，危險性也大，特別是“三高”氣井。因此，可采用“三壓穩”及兩凝水泥憋回壓壓穩氣層，防止氣竄[9]。即在注水泥結束后，水泥漿初凝前，給井口環空施加一定的回壓，以補償水泥漿在固化過程中由于“自身懸掛”而引起的靜液柱壓力的損失，從而防止氣竄[10]。井口環空憋壓候凝的附加壓力滿足下列公式的要求。井口環空反憋壓力時間宜在快凝段水泥初凝前1h左右實施。
    pf＞pm+psc+pac+pad≥pp+p0
式中：pf為地層破裂壓力，MPa；pp為地層孔隙壓力，MPa；pm為緩凝水泥漿上部井內液柱壓力，MPa；psc為緩凝水泥漿液柱壓力，MPa；pac為快凝水泥漿液柱壓力，MPa；pad為井口環空反憋壓力，MPa；p0為經驗值，一般取2～3MPa。
    上述水泥漿體系和配套固井工藝在四川劍閣和LG地區現場應用，固井合格率和優質率得到大幅度提高(表4)。通過現場試驗，提出了川1渝氣區“三高”氣井分井段固井技術思路和相關技術方案(表5)。
表4 部分試驗井固井質量統計表         %
井號
套管層次
采用的水泥漿體系
合格率
優質率
劍門1
Ø244.5mm技術套管
低密度水泥+纖維微膨脹水泥
99.14
77.4
Ø177.8mm尾管
低密度水泥+膠乳微膨脹水泥
80.20
31.3
LG11
Ø177.8mm尾管回接
雙凝膠乳水泥
99.40
99.3
LG001-2
Ø127mm尾管
抗高溫膠乳微膨脹水泥
91.00
40.6
表5 川渝氣區“三高”氣井各層套管固井技術方案表    mm
套管尺寸
固井方式
水泥漿體系
主要技術措施
Ø508.0
內插管固井；一次注水泥
常規水泥漿
適當高水灰比，低返速固井
Ø339.7
內插管固井；正注反擠
常規密度水泥漿(纖維防漏水泥漿)
居中，反擠作業時采用間歇式擠注工藝
Ø244.5
一次注水泥(若井漏則井口反擠)
雙密度雙凝水泥漿；低密度水泥漿(領漿)+常規水泥漿(尾漿)
扶正器通井，承壓堵漏，大沖洗液用量，雙膠塞固井
Ø177.8
尾管懸掛；一次注水泥
雙凝防硫水泥漿；低密度水泥漿(領漿)+纖維-膠乳-微膨脹水泥漿(尾漿)
帶封隔器的尾管懸掛器，承壓堵漏，高早強高強度低失水直角稠化水泥漿，低滲透水泥石，強化管柱居中，大排量頂替
回接；一次注水泥
常規密度雙凝水泥漿
高早強低失水零析水水泥漿，大排量頂替，活動套管，環空加壓候凝
Ø127.0
尾管懸掛；一次注水泥
抗高溫、高密度防硫水泥漿(膠乳-微膨脹水泥漿)
帶封隔器的尾管懸掛器(可旋轉)，低失水防氣竄設計，直角稠化，剛性扶正器居中，大排量頂替部件
4 結論
   1) “三高”氣井固井的核心是防氣竄、環空有效密封和形成致密低滲高強防腐蝕的水泥石。
   2) 影響固井質量的因素很多，需要綜合加以考慮，并作為一項系統工程來對待。川渝氣區“三高”氣井固井重點要解決大溫差超緩凝和井口環空帶壓等問題。
   3) 對易漏地層在固井前要堅持地層承壓堵漏，采用環空憋壓候凝、帶封隔器的尾管懸掛器等方法或設備有利于提高“三高”氣井固井質量。以玻璃微珠或漂珠低密度水泥作領漿、纖維-膠乳-微膨脹水泥作尾漿的雙密度雙凝水泥漿體系可明顯改善川渝氣區“三高”氣井Ø244.5mm和Ø177.8mm套管固井質量，固井合格率和優質率都得到了有效提高。
參考文獻
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(本文作者：黃洪春1，2 劉愛萍3 陳剛4 盧紅5 1.中國石油大學石油天然氣工程學院(北京)；2.中國石油天然氣集團公司鉆井工程技術研究院；3.中國石油天然氣集團公司海洋工程有限公司；4.中國石油西南油氣田公司；5.中國石油勘探開發研究院廊坊分院)