孫紅偉 柳世杰 聶世均 李 兵 賓國成 張穎梅

1．中國石油川慶鉆探工程公司井下作業(yè)公司 2．中國石油川慶鉆探工程公司國際工程公司

土庫曼斯坦阿姆河右岸天然氣開發(fā)項(xiàng)目是中國石油天然氣集團(tuán)公司在海外投資運(yùn)營的最大天然氣項(xiàng)目之一，項(xiàng)目區(qū)塊位于土庫曼斯坦東部阿姆河與烏茲別克斯坦邊界之間的狹長區(qū)域，是中國—中亞天然氣管道的源頭和重要的氣源地。

在阿姆河右岸天然氣田勘探開發(fā)的早、中期，由于技術(shù)不過關(guān)，該地區(qū)的鉆井成功率只有40%，鉆井成功的井固井后環(huán)空帶壓率高達(dá)40%。提高固井質(zhì)量，減少環(huán)空氣竄的發(fā)生，是保證阿姆河右岸天然氣田的順利開發(fā)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

1 阿姆河右岸氣田地質(zhì)概況

阿姆河右岸項(xiàng)目區(qū)塊大部分地區(qū)為沙漠和半沙漠，僅部分為阿姆河綠洲。構(gòu)造位置位于阿姆河盆地東北部（圖1），從北東向南西橫跨阿姆河盆地查爾朱臺階、別什肯特坳陷和西南基薩爾山前沖斷帶3個(gè)二級構(gòu)造單元，構(gòu)造類型復(fù)雜多樣［1－2］。

圖1 土庫曼斯坦阿姆河右岸區(qū)塊氣田分布圖

阿姆河右岸天然氣田從下向上分別由侏羅系、白堊系、古近系、新近系和第四系組成，其中，中下侏羅統(tǒng)濱海相碎屑巖為本區(qū)主力烴源巖，上侏羅統(tǒng)下部卡洛夫組—牛津階組為一套碳酸鹽巖，厚度介于250～410 m，是天然氣勘探的重點(diǎn)層系，其他層系尚未發(fā)現(xiàn)工業(yè)性氣層。卡洛夫組—牛津組儲集空間類型主要是孔隙、溶洞及裂縫；粒間孔和晶間孔是主要孔隙類型之一；儲集類型主要為孔隙—溶洞型，局部構(gòu)造裂縫相對發(fā)育，為裂縫—孔隙型；氣藏類型主要有堤礁相塊狀高孔滲氣藏、點(diǎn)礁相透鏡狀中—高孔滲氣藏和灘相層狀中—低孔滲氣藏［3－4］。

2 固井防氣竄面臨的主要挑戰(zhàn)

本區(qū)卡洛夫組—牛津組儲層埋藏深度介于2 300～4 100m，A、B區(qū)塊第三次開鉆311．2mm鉆頭鉆至啟莫里階組鹽膏層底，下入244．5mm＋250．8 mm的復(fù)合技術(shù)套管封隔長段鹽膏層及鹽上含氣層；第四次開鉆采用215．9mm鉆頭鉆開主要目的層的牛津—卡洛夫階儲層，下入177．8mm套管（或備用方案的127．0mm套管）作產(chǎn)層生產(chǎn)套管，確保產(chǎn)層實(shí)行專打和儲層保護(hù)［4］，但牛津—卡洛夫階儲層厚度在500～700m，固井作業(yè)仍面臨如下技術(shù)挑戰(zhàn)。

1）由于沉積環(huán)境的不同，阿姆河右岸區(qū)塊卡洛夫組—牛津組儲層壓力存在巨大差異，西部區(qū)域?yàn)榈蛪骸毫ο到y(tǒng)，壓力系數(shù)為0．85～1．08，固井施工過程中易發(fā)生漏失，固井質(zhì)量難以保證；東部及東南部區(qū)域?yàn)楫惓８邏簤毫ο到y(tǒng)，壓力系數(shù)為1．65～1．90，水泥漿在膠凝失重階段易發(fā)生地層氣體竄流［5］。

2）產(chǎn)層套管固井采用全井水泥封固，水泥漿柱較長，候凝階段水泥漿膠凝失重導(dǎo)致的環(huán)空靜液壓力下降值較大，地層氣體會在環(huán)空液柱壓力降至低于地層壓力時(shí)溢出形成竄槽［6－8］。

3）殘留在環(huán)空中的鉆井液和被鉆井液污染的水泥漿是形成氣竄的重要因素。

4）水泥漿凝固過程中的體積縮小會導(dǎo)致在水泥環(huán)與井壁、水泥環(huán)與套管之間出現(xiàn)微環(huán)隙，地層氣體容易通過這些微環(huán)隙形成竄流。

5）氣藏中含有CO2和H2S等酸性腐蝕氣體，易造成水泥環(huán)腐蝕破壞，形成氣竄通道。

3 主要防氣竄固井技術(shù)措施

3．1 固井施工準(zhǔn)備

3．1．1 井筒準(zhǔn)備

在鉆井階段確保井身質(zhì)量，井徑能保證套管順利下入，盡量減少井內(nèi)的“糖葫蘆”井段和“大肚子”井段；井斜、方位、狗腿度等數(shù)據(jù)有助于保證套管居中。

3．1．2 下套管

鉆井隊(duì)確保下套管前井內(nèi)壓力平衡，沒有漏失或溢流等復(fù)雜情況。加入適量的扶正器，確保套管居中度達(dá)到67%。

3．1．3 鉆井液性能調(diào)整

套管下至設(shè)計(jì)深度后，嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)鉆井液并調(diào)整性能，降低鉆井液的屈服值：若鉆井液密度小于1．30g／cm3，屈服值宜小于5Pa；若密度在1．30～1．80g／cm3，屈服值宜小于8Pa；若密度大于1．80g／cm3，則屈服值宜小于15Pa。固井施工前鉆井液進(jìn)出口密度差應(yīng)小于0．02g／cm3，確保井筒清潔，井壁穩(wěn)定。

3．2 水泥漿性能控制

3．2．1 密度設(shè)計(jì)

根據(jù)地層壓力確定水泥漿密度，固井施工過程中，環(huán)空液柱壓力必須高于地層流體壓力，低于地層破裂壓力。從提高水泥漿頂替效率方面考慮，要求水泥漿密度大于鉆井液密度。為此研制出了3套水泥漿體系，包括有密度范圍在1．40～1．50g／cm3的微硅水泥漿體系，密度范圍在1．85～2．00g／cm3的常規(guī)G級水泥漿體系，以及密度范圍在2．00～2．30g／cm3的加重水泥漿體系［9］等。對于破裂壓力系數(shù)較低，低于或非常接近地層流體壓力系數(shù)的地層，必須在固井施工前采取相應(yīng)措施，提高地層的承壓能力和防漏失能力，否則會造成儲層污染，并且固井質(zhì)量難以保證。

3．2．2 直角稠化

固井形成的水泥環(huán)需要滿足不同氣田的地質(zhì)條件對力學(xué)性能及界面膠結(jié)性能的要求，各個(gè)油氣田做了大量研究試驗(yàn)工作［10］，在該氣田采用了SD系列固井水泥添加劑，該體系使水泥漿具有很好的直角稠化性能，在水泥漿從液態(tài)轉(zhuǎn)為固態(tài)的過渡階段，地層流體在環(huán)空形成竄流的風(fēng)險(xiǎn)大大降低（圖2、表1）。

3．2．3 防腐性能

圖2 SD系列水泥漿稠化曲線圖

H2S等酸性介質(zhì)對水泥環(huán)的腐蝕行為研究已不斷深入，得到了水泥石強(qiáng)度與H2S分壓值、接觸時(shí)間的關(guān)系［11］，為了阻止 H2S對水泥石的腐蝕，在水泥中加入活性硅（SD100）等抗腐蝕材料，活性硅材料SD100能與Ca（OH）2反應(yīng)生成水化硅酸鈣新物相，減少水泥中的鈣硅比，并且新物相結(jié)構(gòu)致密，能大大提高水泥石的抗CO2和H2S腐蝕能力。在水泥漿中混入的SD10、SD12或SD18高分子聚合物吸附于水泥顆粒表面形成致密的高分子材料膜，能降低水泥石滲透率，也提高了水泥石的抗腐蝕能力。

3．2．4 其他性能

在水泥中混入高分子聚合物材料SD10、SD12或SD18，能在水泥漿中形成高分子凝膠膜，將水泥漿的API失水降至50mL以下，自由水降至零，降低水泥漿因“橋堵失重”和失水體積縮小而發(fā)生氣竄的可能性。膨脹劑SDP－1能使水泥石發(fā)生微膨脹，消除水泥石與套管、水泥石與環(huán)空之間的微環(huán)隙，阻止地層流體竄流。在水泥中混入防漏增韌材料SD66，能夠有效降低固井施工過程發(fā)生漏失的可能，并能夠提高水泥石的韌性和抗沖擊載荷能力。

表1 SD系列水泥漿直角稠化性能表

3．3 固井工藝技術(shù)

3．3．1 優(yōu)化的前置液結(jié)構(gòu)

采用SD80沖洗液＋SD83隔離液＋領(lǐng)漿的前置液結(jié)構(gòu)。注入紊流接觸時(shí)間達(dá)到7～10min的沖洗液SD80能充分清除井壁和套管上的膠凝物質(zhì)、虛泥餅，提高水泥與套管和地層的膠結(jié)質(zhì)量。密度介于鉆井液和水泥漿之間的SD83加重隔離液能充分隔離鉆井液和水泥漿，消除鉆井液對水泥漿的污染，保證施工安全。注入15m3、低于設(shè)計(jì)水泥漿密度0．10～0．20g／cm3的水泥漿作為領(lǐng)漿，使水泥漿與地層和套管壁之間達(dá)到足夠的接觸時(shí)間，能夠大幅度提高頂替效率和固井質(zhì)量［12－13］。

3．3．2 采用多凝水泥漿柱結(jié)構(gòu)

調(diào)節(jié)水泥漿的稠化時(shí)間，使水泥漿從下到上逐漸凝固，下部封固產(chǎn)層段的速凝水泥漿出現(xiàn)失重，直至降至水柱壓力時(shí)，上部井段的緩凝水泥漿仍保持較高的靜液壓力；當(dāng)上部緩凝段降至水柱壓力時(shí)，下部速凝段水泥已經(jīng)凝固［13］。緩凝和速凝水泥的封固長度之比為1．5～2，稠化時(shí)間差值一般為2～2．5h。

3．3．3 采用多級注水泥工藝

土庫曼阿姆河右岸氣田產(chǎn)層套管固井普遍采用全井水泥封固，為了減小水泥漿膠凝失重導(dǎo)致的環(huán)空液柱壓力損失，井深超過3 000m的產(chǎn)層套管固井采用雙級固井工藝，或者采用先懸掛尾管固井［14］，再回接至井口的固井工藝。

3．3．4 提高套管內(nèi)外壓差

采用密度較低的液體頂替水泥漿，使頂替結(jié)束后套管在彈性范圍內(nèi)產(chǎn)生軸向擠壓作用，補(bǔ)償水泥漿凝固后的收縮量，可消除水泥環(huán)與套管間因此形成的微間隙［13］。對于采用雙級工藝的固井施工，水泥漿被頂替到位后，關(guān)閉井口防噴器，分階段進(jìn)行環(huán)空憋壓，補(bǔ)償水泥漿失重引起的環(huán)空液柱壓力下降。根據(jù)水泥漿的傳壓特性，憋壓在候凝20min時(shí)，能達(dá)到較高的傳壓率。

3．3．5 采用管外封隔器

地層易漏和發(fā)生氣竄風(fēng)險(xiǎn)較高的固井施工，采用帶有管外封隔器的固井工具。177．8mm尾管固井施工中，使用帶有管外封隔器的尾管懸掛器（圖3）。頂替水泥漿過程結(jié)束后，座封管外封隔器，在177．8 mm尾管與上層244．5mm套管之間的環(huán)空實(shí)現(xiàn)完全封隔，循環(huán)洗井過程增加的壓力無法傳遞到裸眼段，同時(shí)還可阻止地層流體進(jìn)入封隔器以上的244．5 mm套管。

圖3 177．8mm尾管封隔器圖

4 現(xiàn)場應(yīng)用情況

2008年川慶鉆探土庫曼分公司在阿姆河右岸應(yīng)用上述防氣竄固井技術(shù)先期進(jìn)行了6口井的先導(dǎo)性試驗(yàn)，提高固井質(zhì)量效果明顯。總結(jié)應(yīng)用試驗(yàn)結(jié)果后，中國石油川慶鉆探工程公司井下作業(yè)公司對固井技術(shù)做了進(jìn)一步優(yōu)化，截止到2011年12月，在39口井中應(yīng)用情況良好，CBL測井質(zhì)量優(yōu)質(zhì)率達(dá)到45．27%（圖4），合格率達(dá)到77．31%，目前該區(qū)塊環(huán)空帶壓情況由2008年之前的40%下降到目前的6%。

圖4 阿姆河右岸氣田產(chǎn)層套管CBL測井質(zhì)量統(tǒng)計(jì)圖

5 結(jié)論

1）針對阿姆河右岸固井施工預(yù)防氣竄面臨的挑戰(zhàn)，通過在井筒準(zhǔn)備、水泥漿技術(shù)、固井工藝等方面采取綜合措施，提高了固井質(zhì)量，顯著降低了環(huán)空帶壓井的比率。

2）預(yù)防固井氣竄是一個(gè)世界性難題，目前尚未有一套能夠適用于所有氣田、完全防止氣竄的方法，只有根據(jù)當(dāng)?shù)貐^(qū)塊特點(diǎn)和鉆井情況，采用針對性措施預(yù)防氣竄。

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