雍富國

(中國石油西部鉆探青海鉆井公司，甘肅 敦煌 736202)

0 引言

在鉆井工程中，注水泥結(jié)束后，環(huán)形空間發(fā)生油、氣、水竄是國內(nèi)外還沒有很好解決的影響固井質(zhì)量的難題，其中最關(guān)鍵和危險(xiǎn)的問題就是氣竄[1]，其引起的問題包括：有損害的層間竄流，生產(chǎn)套管井口環(huán)形空間壓力的升高以及井噴所導(dǎo)致鉆井設(shè)備損失。在澀北氣田的開發(fā)過程中，針對固井中出現(xiàn)的問題，研發(fā)了完井用抗竄防漏增韌水泥漿體系[2]，針對表層固井后易發(fā)生氣竄，采用抗鹽、防竄、防漏水泥漿體系，在完井固井中采用了纖維彈性顆粒復(fù)合堵漏技術(shù)，應(yīng)用了防竄膨脹水泥漿體系[3-4]，對于因水竄造成產(chǎn)氣量下降進(jìn)行了研究[5]，使用快干水泥，低溫早強(qiáng)，低密高強(qiáng)水泥漿體系，提高表層套管固井質(zhì)量，采用MTA方法防氣竄固井技術(shù)，提高第二界面固井質(zhì)量，提高防竄能力[6]。以上技術(shù)措施主要是從水泥漿配方和改善泥餅質(zhì)量方面入手來提高固井質(zhì)量，但這些措施都不能解決泥餅的固化問題，以及地層巖石的抗壓強(qiáng)度低，第二膠結(jié)面的固井質(zhì)量難于徹底提高。

套管外封隔器固井技術(shù)是一種特殊固井技術(shù)，通常用于漏失井、返水層、高壓井、多套壓力并存井等復(fù)雜井完井固井中[7-10]，地下儲氣庫對井筒完整性要求高的井，技術(shù)套管、油層套管均采用套管外封隔器固井，確保全井筒的環(huán)空密封效果[11]和用于氣井封固防竄方面的應(yīng)用[12]。澀北氣田對管外封隔器的使用僅限于水平井完井管柱，主要采用液力膨脹式和遇水膨脹封隔器[13-14]，本文將討論在直井中使用管外封隔器，從根本上解決固井后環(huán)空氣竄、水竄和層間竄槽問題，提高固井質(zhì)量，延長氣井使用壽命和生產(chǎn)安全。

1 影響固井質(zhì)量因素分析

1.1 井壁穩(wěn)定性差，易漏

第四系地層成巖性差，膠結(jié)疏松，在鉆井過程中極易發(fā)生井漏，特別是在下鉆、下套管和固井過程中。固井過程中井漏，水泥漿返不到地面或上一層套管內(nèi)，導(dǎo)致氣層壓不穩(wěn)，造成環(huán)空氣體竄槽。在開發(fā)中后期，由于產(chǎn)層壓力下降，固井過程中井漏更為普遍，從而嚴(yán)重影響著固井質(zhì)量。

1.2 泥餅質(zhì)量差，井眼縮徑嚴(yán)重

根據(jù)地質(zhì)巖性分析，地層中泥巖和砂質(zhì)泥巖以伊利石含量為主，伊利石遇水分散強(qiáng)烈，使鉆井液粘度上升，失水增大，鉆井液的流變性變差，加之儲層砂巖易分散，巖屑粘附力強(qiáng)，形成的泥餅質(zhì)地松散且厚，巖屑與井壁粘附，造成縮徑。泥餅質(zhì)量差，影響了固井二界面膠結(jié)質(zhì)量，而且下套管過程中易井漏和下套管后建立循環(huán)困難，影響固井質(zhì)量。

1.3 巖石力學(xué)性能差，固井二界面膠結(jié)強(qiáng)度低，防氣竄難度大

根據(jù)水泥環(huán)與地層巖石第二界面膠結(jié)強(qiáng)度評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，地層巖石抗壓強(qiáng)度越高，對于提高水泥環(huán)的膠結(jié)強(qiáng)度就越有利，巖石抗壓強(qiáng)度越低，水泥環(huán)第二界面與地層的膠結(jié)強(qiáng)度就越低[15]。澀北氣田不成巖地層巖石抗壓強(qiáng)度特低，以臺南某水平井垂深1576.54 m處巖石為例,巖石密度2.65 g/cm3，內(nèi)摩擦角30.83°，泊松比為36.00，巖石抗壓強(qiáng)度為1.26 MPa，內(nèi)聚力1.30 MPa[16]，巖石抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)小于“不穩(wěn)定區(qū)”強(qiáng)度要求20 MPa，使得水泥環(huán)第二界面膠結(jié)強(qiáng)度極差，這就是發(fā)生氣竄、水竄和層間竄槽的根本原因，也是提高第二界面膠結(jié)強(qiáng)度的瓶頸所在。

1.4 儲層物性好，含氣井段長，氣水層間互，影響優(yōu)質(zhì)水泥環(huán)的形成

研究表明水泥與泥巖、砂巖地層的膠結(jié)強(qiáng)度隨孔隙度和滲透率的增加而下降，地層流體在水泥漿凝固過程中影響優(yōu)質(zhì)水泥環(huán)的形成，影響封固質(zhì)量[17]。澀北氣田儲層多，非均質(zhì)性強(qiáng)，從總體上分析，具有高孔隙度、中—低滲透率的特點(diǎn)；主力氣層分布淺且長，澀北一號氣層分布在429.10～1592.50 m(澀試2井)，澀北二號氣層埋深405.00～1373.00 m，臺南氣田氣層分布在834.20～1737.60 m(臺試5井)范圍內(nèi)；地層水水型主要為CaCl2型。澀北一號地層水密度1.06～1.13 g/cm3，最大295165 mg/L，最小78136 mg/L，pH值6.3～7.0；澀北二號地層水密度1.07～1.09 g/cm3，總礦化度100000～130000 mg/L，pH值7.00～8.00；臺南氣田地層水密度1.12～1.17 g/cm3，總礦化度為150906～264343 ppm，pH值5.00～6.00。

1.5 主力氣層以上淺層氣發(fā)育，表層固井后易發(fā)生管外竄氣

澀北一號、二號氣田井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)表層套管下深為400.00 m，固井后管外竄氣現(xiàn)象很普遍，鉆井實(shí)踐證實(shí)200.00～400.00 m淺層氣發(fā)育，為了預(yù)防固井后管外竄氣，調(diào)整表層套管下深為200.00 m/150.00 m，不鉆穿淺層氣層，基本上解決了管外竄氣現(xiàn)象。臺南氣田開發(fā)初期井身結(jié)構(gòu)為表層套管300.00 m，技術(shù)套管1000.00 m，為了優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)，在構(gòu)造邊緣部署臺試8、臺試9進(jìn)行兩層結(jié)構(gòu)井試驗(yàn)，表層套管下深改為600.00 m/500.00 m，試驗(yàn)成功。隨后將部分井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為兩層，表層套管下深為800.00 m，固井后發(fā)生淺層氣管外竄，臺6-8井發(fā)生地表竄氣、竄水，臺H6-1和臺6-7井因管外竄氣現(xiàn)象嚴(yán)重終止鉆探[3]。優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)，對于Ⅰ和Ⅱ?qū)酉稻O(shè)計(jì)為兩層井身結(jié)構(gòu)，表層下深150.00/350.00 m，其余層系為三層井身結(jié)構(gòu)，表層下深150.00 m，技術(shù)套管下深800.00 m，表層套管下深太淺，一旦發(fā)生溢流關(guān)井，在壓井過程中易發(fā)生憋竄地層或井漏形成次生事故[18]，如澀R44-3井和澀R25-2井表層下深150.00 m，溢流關(guān)井后，發(fā)生憋竄地層。臺注5井井深500.00 m，注水一段時(shí)間后，發(fā)生管外水竄，不得不進(jìn)行封堵措施作業(yè)。

2 使用管外封隔器的技術(shù)可行性

2.1 提高固井頂替效率

下套管前，通井，充分循環(huán)鉆井液，保證井眼暢通；套管串安放扶正器，保證居中度；根據(jù)鉆井液和水泥漿的相容性選擇合適的沖洗液和隔離液；這些措施在現(xiàn)場都能滿足，但注水泥時(shí)活動套管，因?yàn)槭窍群妇诤蠊叹?，無法實(shí)施。高速和紊流頂替因地層易漏無法實(shí)施，只能采取較低返速的方法。曾經(jīng)在某口井表層固井中紊流頂替，固井過程正常，但固井質(zhì)量不合格，環(huán)空灌水泥量接近環(huán)空總?cè)莘e的50%。分析臺6～7井固井資料，發(fā)現(xiàn)確實(shí)實(shí)現(xiàn)了紊流頂替，固井過程也正常，結(jié)果管外竄氣嚴(yán)重。

2.2 應(yīng)用防竄水泥漿體系

可壓縮水泥漿體系，觸變水泥漿體系，延緩膠凝水泥漿體系，非滲透水泥漿，低失水水泥漿，膨脹水泥漿，膠乳水泥漿，礦渣MTC技術(shù)，所有這些水泥漿體系，仍不能解決泥餅和未替凈的鉆井液的固化問題。纖維材料，彈性顆粒材料，MTA方法，MEG鉆井液體系改善泥餅質(zhì)量，只有UF/MTC一體化技術(shù)，可有效改善地層與水泥漿環(huán)的膠結(jié)性能。

2.3 應(yīng)用防竄工藝措施

對于防氣竄技術(shù)有的采用雙級固井技術(shù)，使用大排量提高循環(huán)摩阻，環(huán)空憋壓，加重隔離液方法[19]。對于含氣井段長，層間水活躍，存在氣水同層，上部地層承壓能力低，固井中易漏失，發(fā)生氣竄，采用雙級注水泥工藝技術(shù)，防止上部地層漏失，對于漏失井，采取正注反擠固井工藝技術(shù)[20]。對于淺層氣防氣竄、防漏固井技術(shù)，采用低密度水泥漿固井技術(shù)，或雙凝水泥漿設(shè)計(jì)，優(yōu)化配方，增加水泥石強(qiáng)度，嚴(yán)格控制水泥漿的稠化時(shí)間和過渡時(shí)間并及時(shí)進(jìn)行環(huán)空憋壓，確保壓穩(wěn)淺氣層[21]。綜合防氣竄工藝措施，井口加回壓、振動固井、脈沖固井、多級固井在澀北氣田均不適用，只有套管外封隔器，強(qiáng)制將地層中各層分開，更能有效地避免水泥漿凝固過程結(jié)束后的竄流問題。

2.4 管外封隔器適應(yīng)性分析

套管外封隔器是一種與套管連接的用來封隔套管與井壁間的環(huán)形空間的井下固井工具，可有效封隔油氣層，進(jìn)行有選擇性的開采或封堵某一層段，保證套管外環(huán)空的密封性。按照膨脹性質(zhì)的不同，可分為水力膨脹式和水泥膨脹式管外封隔器，根據(jù)管外封隔器的基本結(jié)構(gòu)和基本原理，對比了水力膨脹式和水泥膨脹式管外封隔器的優(yōu)缺點(diǎn)[22-23]和遇水遇油膨脹封隔器的應(yīng)用于固井過程中有助于解決頂替效率低導(dǎo)致的鉆井液竄槽和第一界面微間隙問題，有效封堵環(huán)形空間和由于鉆井液竄槽和微間隙帶來的地層流體上竄問題[24]。針對井底溫度過高，井眼曲率過高，井眼不規(guī)則，軸向載荷大等惡劣環(huán)境是造成管外封隔器在使用過程中失效的主要原因[25],分析澀北氣田溫度和壓力等因素，選擇封隔器類型。臺南氣田屬于常溫系統(tǒng)，地溫梯度為3.30 ℃/100.00 m,略低于澀北一號氣田地溫梯度為4.09 ℃/100.00 m,澀北二號氣田地溫梯度為3.30 ℃/100.00 m,澀北氣田地溫梯度均屬于常溫系統(tǒng)。地層壓力系數(shù)為1.19，據(jù)地層壓力系數(shù)的劃分標(biāo)準(zhǔn)，該氣田基本屬于正常壓力系統(tǒng)。綜合溫度、壓力和軸向載荷等因素分析，水力膨脹式封隔器完全能滿足封隔環(huán)空要求(以HXK水力擴(kuò)張式封隔器為例，膠筒膨脹系數(shù)大1.20～2.00倍；承壓差高7.00～28.00 MPa；耐溫性能120～150 ℃；密封長度范圍大0.950～1.10 m;可采用水、鉆井液、水泥漿等作為膨脹介質(zhì)，以滿足不同井況的完井設(shè)計(jì))。

2.5 管外封隔器在水平井中的應(yīng)用

澀北氣田水平井完井方式經(jīng)歷了全井注水泥射孔完井，尾管封隔懸掛器完井以及封隔器輔助篩管頂部注水泥完井方法，對使用封隔器的井進(jìn)行不完全統(tǒng)計(jì)，如表1。

表1 澀北氣田使用管外封隔器完井不完全統(tǒng)計(jì)

2.6 應(yīng)用目的

2.6.1 應(yīng)用于封固防竄，優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)

管外封隔器用來封隔套管與井壁間的環(huán)形空間，保證管外環(huán)空的密封性。澀北一號、二號氣田井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)表層套管下深為400.00 m，固井后管外竄氣現(xiàn)象很普遍，鉆井實(shí)踐證實(shí)200.00～400.00 m淺層氣發(fā)育，調(diào)整表層套管下深為200.00 m/150.00 m，不鉆穿淺層氣層，但增加因套管下深淺導(dǎo)致的井控風(fēng)險(xiǎn)。為此，將澀北一號、二號氣田表層套管下深調(diào)整為400.00 m，將管外封隔器放置在淺層氣頂部較厚的泥巖地層。臺南氣田二層系及以淺層系井，表層套管下深500.00 m，將管外封隔器放置在淺層氣頂部較厚的泥巖地層。三層系及以深層系井，優(yōu)化為兩層結(jié)構(gòu)井，表層套管下深800.00 m，將管外封隔器放置在淺層氣頂部較厚的泥巖地層，達(dá)到防止淺層氣管外竄的目的；生產(chǎn)井在生產(chǎn)層位上下部泥巖層各加放一管外封隔器，防止水竄和層間竄槽。注水井在注水層位上加一管外封隔器，或者在注水層位上下各加一管外封隔器保證注水不會竄槽。

2.6.2 提高易漏失井的固井質(zhì)量

針對易漏失井的固井問題，在管串中加入管外封隔器，碰壓結(jié)束后加壓脹封，利用封隔器膠筒側(cè)向耐壓，減少易漏層承受的液柱壓力，防止井漏，杜絕因井漏導(dǎo)致的固井質(zhì)量差的問題。

3 結(jié)論

(1)成巖性差，巖性疏松，巖石抗壓強(qiáng)度低，是導(dǎo)致澀北氣田固井第二界面質(zhì)量難以提高，防氣竄難度大的真正原因。

(2)固井頂替效率難于提高，目前國內(nèi)防氣竄工藝技術(shù)不能完全防止氣竄發(fā)生。

(3)綜合分析澀北氣田溫度、壓力系統(tǒng)、井眼狀況以及軸向載荷，能夠滿足管外封隔器的應(yīng)用條件。

(4)選擇水力膨脹式管外封隔器，配合防氣竄工藝，能夠滿足封隔環(huán)空的目的。

(5)應(yīng)用管外封隔器在不改變表層套管下深的情況下防止固井后發(fā)生管外竄。

(6)生產(chǎn)井中應(yīng)用管外封隔器能防止水竄和層間竄槽，注水井中應(yīng)用管外封隔器能保證注水不會竄槽。

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