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延長氣田易漏失井不規(guī)則井眼固井技術(shù)

2013-12-23 06:09曾艷軍姚平均陳道元蔣洪順楊代明
石油鉆采工藝 2013年2期
關(guān)鍵詞:水泥石固井低密度

曾艷軍 姚平均 陳道元 茍 明 蔣洪順 楊代明

(1.中原石油勘探局固井工程處,河南濮陽 457331;2.西南鉆井公司,四川南充 637000)

延長氣田氣層埋深一般在3 000~4 000 m,在鉆達(dá)目的層的過程中,裸眼井段中含有大量的砂巖、泥巖、砳石、煤和巖鹽層,相互交錯存在,地層中裂縫發(fā)育較好,孔隙度高。鉆井過程中極易發(fā)生嚴(yán)重井漏、井塌、地層掉塊、地層出水等現(xiàn)象。復(fù)雜的地質(zhì)條件和井眼狀況嚴(yán)重威脅著固井施工安全,影響著固井質(zhì)量。過去曾使用過分級注水泥工藝,但由于措施不妥,未能很好地解決固井過程井漏問題,固井優(yōu)良率僅為16%,嚴(yán)重制約了氣田的勘探開發(fā)步伐。

1 固井技術(shù)難點(diǎn)

1.1 大溫差對水泥漿低溫凝結(jié)影響較大

氣層埋藏深度一般在3 000~4 000 m 范圍內(nèi),上部地層洛河組、延長組的地層水中含有大量的腐蝕性物質(zhì)(硫酸鹽、碳酸鹽),而表層套管均未下過洛河組、延長組地層,為防止地層水對套管的腐蝕,要求水泥漿返過洛河組并封固好該地層;另外,出于安全的考慮要求水泥漿返出地面,因而形成超長封固段,井底與井口最大溫差可達(dá)105 ℃,如此大的溫差,水泥漿性能滿足高溫后在低溫下難以正常凝固形成足夠的強(qiáng)度。

1.2 極易發(fā)生井漏和氣竄

封固段內(nèi)取出的巖心表明:延長組、劉家溝組、石千峰組地層中有垂直裂縫存在,鉆井過程中經(jīng)常發(fā)生漏失。如試32 井鉆井過程中在劉家溝組發(fā)生4 次漏失,每次漏失量50 m3以上,而在石千峰組漏失鉆井液達(dá)140 m3以上,漏失時鉆井液密度一般在1.2~1.25 g/cm3,固井過程中即使使用低密度水泥漿,如果工藝不當(dāng)也極易發(fā)生井漏。石盒子組和馬家溝組地層氣層和水層交互存在,累加段長600 m 以上,水泥漿的防竄問題比油井更難做到。

1.3 井眼情況復(fù)雜,頂替效率難以保證

表層套管下深500~600 m,二開裸眼段長達(dá) 2 200~3 400 m,裸眼段中和尚溝組、劉家溝組、石千峰組含有大段泥巖,山西組、太原組和本溪組含有部分煤層,這些地層化學(xué)穩(wěn)定性差,遇鉆井液濾液浸泡后坍塌、掉塊現(xiàn)象嚴(yán)重;奧陶系白云巖中含有鹽膏夾層,厚度達(dá)50~60 m,遇水易溶解。泥巖、煤層、鹽膏層的不均勻分布形成典型的“糖葫蘆”井眼,全井井徑平均擴(kuò)大率可達(dá)到25%,使井眼中的鉆井液被頂替干凈變得異常困難。

2 水泥漿配方優(yōu)選

2.1 優(yōu)選原則

(1)嚴(yán)格控制水泥漿濾失水量,低密度水泥漿失水量控制在100 mL 以下,高密度水泥漿封固氣層段,失水量控制在30 mL以下。一方面有利于防止氣竄[1],另一方面可以防止因失水量過大而造成井壁失穩(wěn),發(fā)生垮塌和鹽膏層的溶蝕。

(2)根據(jù)地層壓力和完井鉆井液密度測算,低密度水泥漿密度適用范圍應(yīng)在1.30~1.40 g/cm3,應(yīng)具有很好的堵漏效果。

(3)由于地層承壓能力較低,又無中間套管(技術(shù)套管),目的層段水泥漿失重后所需的補(bǔ)償壓力無法從上部水泥漿液柱壓力和加回壓措施獲得,只能依靠水泥漿自身能力來達(dá)到防竄,因此,目的層段水泥漿應(yīng)具有很強(qiáng)的防竄能力。

2.2 性能評價

根據(jù)以上要求對高、低密度水泥漿體系進(jìn)行了優(yōu)選,并分別進(jìn)行了性能評價。

(1)低密度水泥漿綜合性能評價,見表1。水泥漿配方如下。

1#:G 級油井水泥+45%漂珠+12%填充劑+3%降濾失劑+4%早強(qiáng)劑+0.8%分散劑+0.7%緩凝劑+3%強(qiáng)度增長劑。

2#:G 級油井水泥+40%漂珠+12%填充劑+3%降濾失劑+4%早強(qiáng)劑+1.0%分散劑+1.0%緩凝劑+3%強(qiáng)度增長劑。

表1 低密度水泥漿性能

從表1 可以看出,水泥漿濾失量小,相對而言對泥巖、鹽膏層溶蝕量小,不易造成井壁垮塌;水泥漿沉降穩(wěn)定性好,最大值不超過0.04 g/cm3,遠(yuǎn)小于油氣井注水泥技術(shù)推薦標(biāo)準(zhǔn)不大于0.08 g/cm3的要求,有效防止了水泥漿中低密度材料的漂浮分離;水泥石抗壓強(qiáng)度高,低溫下也能達(dá)到API 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的14.0 MPa 的要求[2]。高強(qiáng)度低密度水泥石的獲得是由于水泥漿中加入了填充劑,它由多種比水泥顆粒粒徑小的材料組成,根據(jù)緊密堆積理論,充分充填于水泥顆粒之間,從而使水泥石滲透率下降,變得致密,強(qiáng)度升高;另一方面,水泥漿中加入的強(qiáng)度增長劑在水泥凝固硬化期才與水泥水化生成的產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng),促使水泥石強(qiáng)度進(jìn)一步的提高,同時這一過程還不影響水泥漿的稠化時間,克服了大多數(shù)強(qiáng)度增長劑縮短稠化時間的弊病。

(2)高密度水泥漿綜合性能評價,見表2。水泥漿配方如下。

3#:G 級油井水泥+2%降濾失劑+2%防竄劑Ⅰ+2%防竄劑Ⅱ+0.5%分散劑+1.0%緩凝劑+4%沉降穩(wěn)定劑+3%早強(qiáng)劑。

4#:G 級油井水泥+2%降濾失劑+2%防竄劑Ⅰ+2.5%防竄劑Ⅱ+0.5%分散劑+1.3%緩凝劑+4%沉降穩(wěn)定劑+3%早強(qiáng)劑。

表2 高密度水泥漿性能

從表2可知,水泥漿稠化時間可調(diào),濾失水量小,流變性好,易形成紊流。水泥漿中加入的兩種防竄劑(氣鎖、晶格膨脹防竄劑)具有較好的防竄能力,其中氣鎖防竄劑能解決水泥漿失重造成的氣竄問題,而晶格膨脹防竄劑在水泥石凝固硬化過程中繼續(xù)保持一定的膨脹,修復(fù)了普通水泥漿凝結(jié)過程中體積收縮,解決了微間隙造成的氣體竄槽問題,實(shí)現(xiàn)了水泥漿變成水泥石各階段有效防氣竄。

3 固井技術(shù)措施

3.1 防漏技術(shù)

(1)做好堵漏工作,提高地層承壓能力。鉆入漏失層頂部在鉆井液中加入堵漏材料,如狄塞爾、復(fù)合纖維、纖維水泥等進(jìn)行堵漏,為固井防漏創(chuàng)造條件。

(2)做好地層承壓試驗(yàn),為固井防漏設(shè)計(jì)提供依據(jù)。由于沒有中間套管存在,常規(guī)的井口加壓地層承壓試驗(yàn)方法不能實(shí)施。為了獲取地層承壓數(shù)據(jù),在井底一定高度注入重鉆井液,然后將鉆具起到一定的高度進(jìn)行循環(huán),循環(huán)排量一般大于鉆進(jìn)時1.2倍,通過計(jì)算可以獲取地層承壓能力。這種方法可以避免全井大排量循環(huán)造成井漏。

(3)設(shè)計(jì)合理的漿柱結(jié)構(gòu),防止井漏。進(jìn)行平衡壓力固井設(shè)計(jì),既保證不壓漏地層,又不發(fā)生油氣水竄。非目的層段使用低密度水泥漿,目的層段采用高密度水泥漿,對于漏失嚴(yán)重的井適當(dāng)延長低密度水泥漿封固段長度,可以延長到目的層段,同時控制替漿排量進(jìn)一步達(dá)到防漏的目的。

(4)使用分級注水泥技術(shù),防止壓漏地層。延長氣井固井過去曾采用過分級注水泥工藝,但是仍然存在較多的漏失現(xiàn)象,有的漏失還發(fā)生在第二級固井過程之中。分析原因,一是二級注水泥施工時間掌握不當(dāng),二是分級注水泥器安放位置不合理。二級注水泥應(yīng)該是在一級水泥漿初凝后進(jìn)行,而不是水泥漿稠化時進(jìn)行,這是因?yàn)樗酀{稠化只代表水泥漿失去流動性,水泥漿并沒有強(qiáng)度,一旦上部壓力過大將產(chǎn)生漏失。對于分級注水泥器安放位置,根據(jù)慣性思維,一般認(rèn)為應(yīng)該安放在鉆井過程中漏失最嚴(yán)重的地方,因此,過去往往將分級箍放置于漏失層劉家溝組頂部以上100 m,但是,實(shí)際使用效果并不理想,漏失現(xiàn)象仍然很嚴(yán)重。實(shí)際分級箍安放位置應(yīng)根據(jù)地層孔隙壓力、巖石密度、鉆速、壓力剖面幾方面結(jié)合起來確定較為薄弱的地層,把分級箍放置于該地層位置以上100 m,通過實(shí)際應(yīng)用,防漏效果較好。

3.2 正注反擠工藝

部分井漏失嚴(yán)重,地層承壓能力很低,即使進(jìn)行堵漏、采用低密度水泥漿、分級注水泥工藝也難以保證固井過程中不發(fā)生漏失。對于這類井采用正注反擠工藝,即首先進(jìn)行正注水泥漿,然后從井口環(huán)空注入水泥漿。在正注過程中根據(jù)漏失情況判斷漏層位置,正注結(jié)束后立即從環(huán)空擠入水泥漿,一方面保證環(huán)空液柱壓力足夠,防止下部氣竄,另一方面將返過漏層的部分水泥漿擠入地層,為井口環(huán)空注水泥漿提供通道。反注水泥漿關(guān)鍵技術(shù)是水泥漿定位,防止水泥漿無限地漏入地層。根據(jù)漏層位置、漏速、施工排量確定好水泥漿密度、稠化或初凝時間,并在水泥漿中加入堵漏材料,使先期到達(dá)漏層的水泥漿在漏層中快速駐留、凝結(jié),從而達(dá)到防漏目的。

3.3 提高頂替效率

由于地質(zhì)疏松,巖性穩(wěn)定性差,形成了不規(guī)則的“糖葫蘆”井眼,為將大井眼中鉆井液驅(qū)替干凈采取了以下措施。

(1)安裝不同類型的扶正器。根據(jù)電測井徑曲線,規(guī)則井眼段使用普通弓形扶正器,“糖葫蘆”井眼段使用旋流扶正器,利用旋流片改變環(huán)空液流方向,流體在環(huán)空中呈螺旋上升,其擾動作用將大井眼滯留的鉆井液驅(qū)替出來,使水泥漿完全充填。

(2)采用活性強(qiáng)的沖洗隔離液。在沖洗隔離液中加入適量的表面活性劑,當(dāng)沖洗隔離液與鉆井液接觸時表面活性劑可以很好地稀釋鉆井液,使鉆井液流動性變好,從而避免了滯留鉆井液的存在,最終提高頂替效率。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

2010 年以來在延長氣井中應(yīng)用上述技術(shù)固井93 口,固井施工成功率100%,固井優(yōu)良率由過去的16%提高到93.54%,漏失率由88%下降到2.15%,充分保證了氣井固井質(zhì)量。

延488 井為預(yù)探井,?215.9 mm 鉆頭完鉆井深4 107 m,?139.7 mm 套管下深4 060.32 m,完鉆鉆井液密度1.25 g/cm3,鉆井過程中井眼內(nèi)多處發(fā)生漏失,上部地層承壓能力差,漏失相當(dāng)嚴(yán)重。本井考慮氣層封固的重要性,以固好下部氣、水層為設(shè)計(jì)重點(diǎn),實(shí)行分級注水泥作業(yè),將分級箍安放在2 292.59~2 293.66 m,一級、二級分別設(shè)計(jì)密度1.90 g/cm3和1.40 g/cm3的水泥漿,同時考慮上部地層漏層多,承壓能力差等特性,考慮二級注水泥一旦漏失進(jìn)行反擠水泥作業(yè)的設(shè)計(jì)方案。該井共下入弓形和旋流扶正器115 只,現(xiàn)場施工第一級1.39 g/cm3低密度水泥漿46 m3,注入1.89 g/cm3高度水泥漿29 m3,打開分級箍循環(huán)正常。一級水泥漿凝固好后進(jìn)行第二級注水泥作業(yè),第二級固井注入1.35 g/cm3低密度水泥漿42 m3,注入1.89 g/cm3高度水泥漿17 m3,替漿后期發(fā)生井漏。候凝10 h 后從環(huán)空注入20 m3密度1.90 g/cm3高度水泥漿,最終候凝48 h 測井解釋固井質(zhì)量優(yōu)質(zhì)。

5 結(jié)論

(1)先期預(yù)堵漏,動靜結(jié)合做好地層承壓試驗(yàn),提供良好的井眼條件是保證施工安全、提高固井質(zhì)量的前提條件。

(2)優(yōu)選水泥漿體系,使用氣鎖、晶格雙膨脹劑,合理設(shè)計(jì)漿柱結(jié)構(gòu),保證在窄安全密度窗口條件下達(dá)到既能防漏,又能防竄的目的。

(3)大溫差下使用強(qiáng)度增長劑,僅在水泥凝固過程中發(fā)生作用,不影響水泥漿稠化時間,解決了低溫下水泥漿不能正常凝固、水泥石強(qiáng)度發(fā)展低的技術(shù)難題。

(4)依據(jù)測井得到的孔隙壓力、巖石密度、鉆速、壓力剖面等資料結(jié)合起來確定較為薄弱的地層,由此選擇分級箍安放位置的方法更為合理。

(5)正注反擠是解決嚴(yán)重漏失、實(shí)現(xiàn)全井水泥有效封固行之有效的方法之一。

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