焦少卿 管紅濱 郭小陽 房志毅 樊凌云

(1.中國石化西南油氣分公司工程監(jiān)督中心 2.“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點實驗室·西南石油大學(xué)3.長城鉆探國際鉆修井公司 4.中國石化西北油田分公司完井測試中心)

川東三高氣井固井水泥漿設(shè)計應(yīng)注意的問題以及現(xiàn)場應(yīng)用效果＊

焦少卿1管紅濱1郭小陽2房志毅3樊凌云4

(1.中國石化西南油氣分公司工程監(jiān)督中心 2.“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點實驗室·西南石油大學(xué)3.長城鉆探國際鉆修井公司 4.中國石化西北油田分公司完井測試中心)

川東高含硫氣層具有高溫、高壓、壓力窗口窄、高低壓共存、氣水同層、裂縫發(fā)育等特點,固井水泥漿設(shè)計難度大。固井期間經(jīng)常又漏又噴,層內(nèi)、層間竄通,水泥漿返高不夠,導(dǎo)致固井后期出現(xiàn)竄槽、微間隙,形成長期竄流通道;同時高溫、高壓、高含硫使水泥石和套管受到腐蝕,影響水泥環(huán)的完整性及正常鉆井和開發(fā),給實施增產(chǎn)措施帶來難以補救的困難。針對高溫、高壓、高含硫天然氣井固井設(shè)計水泥漿時應(yīng)注意的問題,對水泥性能、監(jiān)控混灰、復(fù)核實驗等進行了合理設(shè)計,包括平衡壓力設(shè)計、材料選擇、干混監(jiān)控、組織協(xié)調(diào)等以及吸取 ××井水泥漿設(shè)計的教訓(xùn),為類似的固井作業(yè)水泥漿設(shè)計提供了有效的借鑒。圖 2表 3參 5

高溫高壓 高含硫天然氣井 水泥漿設(shè)計 固井 竄流 監(jiān)控混灰

1 前言

近年來,隨著石油工業(yè)的迅速發(fā)展,高溫、高壓和高含硫天然氣井的勘探與開發(fā)給鉆井提出了挑戰(zhàn),而固井又是連接鉆井和開發(fā)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),其成敗直接影響單井產(chǎn)出,因而對固井的各個環(huán)節(jié)都要仔細(xì)考慮、嚴(yán)格把關(guān)。

2 高溫、高壓、高含硫氣井設(shè)計水泥漿時應(yīng)注意的問題

類似川東北裂縫性高溫、高壓、高含硫氣井固井,水泥漿性能試驗除了按照《GB/T19139油井水泥試驗方法》執(zhí)行外,還應(yīng)該注意以下幾點,否則可能引起作業(yè)失敗。

2.1 防氣竄設(shè)計原則

在平衡壓力固井前提下,根據(jù)水泥漿失重機理設(shè)計合理的漿柱組合和施工參數(shù),盡量延緩液態(tài)水泥漿膠凝速度,延長非膠凝時間;候凝過程中縮短水泥漿柱的失重時間,特別是膠凝態(tài)過渡期,加快過渡期膠凝強度的發(fā)展,減少因水泥漿失重后造成環(huán)空液柱壓力下降引起地層流體竄流,在設(shè)計中應(yīng)同時考慮由于膠凝引起的失重、體積收縮引起的失重以及橋堵引起失重所造成的氣竄。以下重點介紹固井工程中容易被忽視的幾個細(xì)節(jié)問題:材料選擇、干混監(jiān)控、組織協(xié)調(diào)。

2.2 材料選擇

高溫、高壓和高含硫天然氣井固井材料選擇遵循的原則:

(1)使用高抗硫酸鹽型 G級或 H級油井水泥。G級和 H級水泥成分完全一樣,只是兩者的粗細(xì)程度不同,所配置水泥漿的懸浮穩(wěn)定性和流動能力不同。

(2)產(chǎn)層固井水泥中加入一定比例的微細(xì)材料,選用減輕劑、加重劑等外摻料時要充分考慮其粒徑與水泥顆粒的粒徑級配,提高水泥石的致密性,在不影響水泥漿綜合性能的前提下降低水泥石滲透率。

(3)窄壓力窗口漏失層,宜采用高強低密度防漏水泥漿體系,要求外摻減輕劑、堵漏纖維的技術(shù)指標(biāo)滿足施工要求,同時水泥石質(zhì)量需滿足致密性、沖擊韌性、抗腐蝕、耐久性等性能要求。

(4)根據(jù)固井水泥漿設(shè)計選用合乎要求的水泥漿外加劑體系,降失水劑高效降失水提高有效粘度并增加觸變性,有效地封堵孔隙、增大氣體運移阻力;緩凝劑有效延長非膠凝時間,保證作業(yè)安全。

(5)井底靜止溫度大于 110℃時,應(yīng)在水泥中加入至少 35%的晶態(tài)二氧化硅以增加高溫下水泥石長期穩(wěn)定性。井底靜止溫度大于 110℃時水泥石強度衰退,進而導(dǎo)致滲透率增加,使得水泥石強度在所處的環(huán)境下變得更容易減退。因此,高溫井注水泥作業(yè)要特別重視長期的套管支撐和層間分隔。

2.3 干混監(jiān)控

(1)干灰混合之前使用灰?guī)觳牧蠈嶒炇遗浞竭M行復(fù)核 (主要是稠化時間、密度和強度),確保所用水泥、外摻料、外加劑和混合水等與現(xiàn)場作業(yè)要求的材料完全一致;

(2)設(shè)計循環(huán)溫度大于 90℃的深井所使用的水泥性能一致,以免由于水泥性能不穩(wěn)定導(dǎo)致作業(yè)失敗,單井必須采用同牌號、同產(chǎn)地、同批號水泥;

(3)混灰完成后進行小樣多點復(fù)核水泥漿性能,保證混配均勻;

(4)固井作業(yè)前在現(xiàn)場復(fù)查大樣的稠化時間,滿足施工設(shè)計要求。

2.4 組織協(xié)調(diào)

各個相關(guān)部門之間溝通協(xié)調(diào)與合作配合,充分發(fā)揮組織和個人的力量;上級提前通知設(shè)計方,保證有足夠的庫存水泥等材料和足夠的時間設(shè)計合理的配方。

3 現(xiàn)場實例

3.1 ××井的基本概況

××井的地理位置為四川宣漢縣桃花鄉(xiāng)文鳳村4社,所處構(gòu)造位置為七里北構(gòu)造南段高點較高部位,屬于典型的三高 (高溫、高壓和高含硫)氣井。設(shè)計井深 6250m,固井井深 4732m,靜止溫度為115℃,循環(huán)溫度 100℃。分級箍位置井深 2100m處,靜止溫度為 60℃,第二級固井水泥試驗溫度取50℃。固井難點:溫差大,存在漏層和多個高壓氣層,固井水泥漿用量大,飛仙關(guān)氣層中硫化氫氣體對水泥石腐蝕嚴(yán)重。

3.2 實驗評價

(1)實驗材料

嘉華 G級水泥 G、嘉華固井增強劑 GZ、四川江油德園漂珠 PZ、四川峨眉托陽微硅WG、重慶永川渝西石英砂 SS、稀釋劑 SJ、降失水劑 HS-J、高溫緩凝劑HJ、降失水劑 LJ-2、消泡劑 XJ、××井現(xiàn)場水樣。

(2)防氣竄水泥漿設(shè)計思路

遵循平衡壓力固井原理和顆粒級配原理[4][5],設(shè)計防竄三凝直角稠化水泥漿體系。自上而下,緩凝水泥漿體系設(shè)計加入了油井水泥增強劑和微硅,密度高于當(dāng)量地層壓力,目的在于提高水泥石的強度,解決大溫差水泥漿低溫段強度低的問題,有效封蓋氣體的上竄。緩凝低密度水泥漿設(shè)計使用漂珠和微硅,由于微硅的平均粒徑遠(yuǎn)比水泥和漂珠小 (微硅平均粒徑約為 15μm,G級水泥約為 48μm,漂珠約為 250μm),能夠充填漂珠和水泥顆粒之間的空隙,增加水泥漿固體含量和水泥石的強度,降低水泥漿的失水量和水泥石的滲透率,同時減緩套管和水泥環(huán)腐蝕。產(chǎn)層固井設(shè)計使用常規(guī)密度快干直角稠化抗溫防竄水泥漿體系,其中加入了石英砂和微硅,一方面過平衡壓力控制產(chǎn)層氣竄,另一方面增加其強度和抗高溫強度衰退。

3.3 實驗室水泥漿設(shè)計及應(yīng)用效果分析

根據(jù)上面的思路,設(shè)計出緩凝常規(guī)密度、緩凝低密度、快干常規(guī)密度抗溫防竄三套體系,各種性能都達(dá)到高溫、高壓、高含硫氣井固井的要求,其中防氣竄能力良好,均為直角稠化且初稠較低 (表 1),稠化曲線見圖 1、圖 2、圖 3。

配方1:G:GZ:WG(90:5:5)+0.5%SJ+0.7%LJ-2+0.8%HS-J+0.4%HJ+0.01%XJ+0.48W/S;

配方2:G:PZ:WG(70:20:10)+0.8%SJ+1%LJ-2+0.65%HS-J+0.01%XJ+0.58W/S;

配方3:G:SS:WG(100:30:5)+0.3%SJ+1.2%HS-J+0.1%HJ+0.01%XJ+0.42W/S。

由于第一次混灰時材料批號和實驗室設(shè)計材料不一致 (表 2),混灰罐和運輸車沒有清理干凈等原因?qū)е?3個配方稠化時間均大大減少,其中配方 1和配方 3密度與設(shè)計誤差大,現(xiàn)場取樣觀察可知快干常規(guī)密度防竄灰樣中混有漂珠,確定為混灰過程誤加漂珠或者是混灰罐中殘存大量的漂珠。經(jīng)研究決定,第一次混灰全部作廢,按照實驗室設(shè)計重新混灰,并嚴(yán)格監(jiān)控每一個環(huán)節(jié)進行第二次混灰。

表1 實驗室設(shè)計水泥漿性能參數(shù)(90℃)

圖1 水泥漿 (配方 1)稠化曲線 (TT=357min)

圖2 水泥漿 (配方 2)稠化曲線 (TT=223min)

圖3 水泥漿 (配方 3)稠化曲線 (TT=170min)

第二次混灰使用與實驗室設(shè)計同一批號的材料,水泥漿小樣性能復(fù)核實驗和實驗室設(shè)計結(jié)果相當(dāng)吻合 (表 3),固井質(zhì)量合格率 90%以上、優(yōu)質(zhì)率高達(dá) 77.3%,較同區(qū)塊其它井固井質(zhì)量明顯提高(同區(qū)塊井大多數(shù)井固井優(yōu)質(zhì)率 40%左右,不同程度的存在氣竄,嚴(yán)重的井口帶壓)。

表3 第二次水泥漿性能參數(shù) (90℃)

此次失敗帶來了重大的經(jīng)濟損失,同時給固井作業(yè)敲響了警鐘,讓我們意識到成功固井作業(yè)除了需要合理的設(shè)計外,更重要的是嚴(yán)格控制每一個細(xì)節(jié) (材料、混灰、組織協(xié)調(diào)等),任何一個環(huán)節(jié)出問題都可能導(dǎo)致前功盡棄,造成嚴(yán)重的后果。

4 結(jié)論與建議

(1)高溫、高壓、高含硫氣井固井水泥漿設(shè)計需要準(zhǔn)確的現(xiàn)場井底靜止溫度、循環(huán)溫度、壓力等參數(shù),為設(shè)計合理的水泥漿配方提供科學(xué)的依據(jù)。同時,必須保證實驗室設(shè)計材料與現(xiàn)場使用材料完全一致,嚴(yán)格監(jiān)控混灰,并提高組織協(xié)調(diào)能力。并須按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)真準(zhǔn)備,嚴(yán)格執(zhí)行,否則可能引起作業(yè)失敗。

(2)試驗井固井質(zhì)量合格率 90%以上、優(yōu)質(zhì)率高達(dá) 77.3%,固井質(zhì)量較該區(qū)塊其它井明顯提高,無氣竄跡象。

(3)固井是一項系統(tǒng)工程,影響固井質(zhì)量的因素多且復(fù)雜,單一依靠固井作業(yè)提高固井質(zhì)量是不可行的,必須優(yōu)化鉆井和固井的各個環(huán)節(jié)才能達(dá)到最佳效果。

1 郭小陽,張玉隆,劉碩瓊,等 .低壓易漏長裸眼注水泥工藝研究[J].天然氣工業(yè) .1998.9,18(5):40-44.

2 中國石油勘探與生產(chǎn)分公司工程技術(shù)與監(jiān)督處 .鉆井監(jiān)督 (下冊)[M].北京:石油工業(yè)出版社,2005.

3 劉崇建,黃柏宗,徐同臺 .油氣井注水泥理論與應(yīng)用[M].北京:石油工業(yè)出版社,2001.

4 劉乃震,王廷瑞,劉孝良 .水泥漿防氣竄性能設(shè)計及合理的漿體組成研究[J].天然氣工業(yè) .2002.22(3):49-50.

5 周明芳,倪紅堅 .顆粒級配增強低密度油井水泥的實驗研究[J].鉆采工藝,2006.29(6):104-106.

CEM ENTING SLURRY DESIGN FOR HT/HP AND HIGH H2S CONTENT GASW ELLS

J IAO Shaoqing1,GUAN Hongbin1,GUO Xiaoyang2,FANG Zhiyi3and FAN Lingyun4(1.Engi
neering Supervision Center,Sinopec SouthwestOil&GasCompany;2.State KeyLaboratoryofOil and GasReservoir Geology and Exploitation,Southwest Petroleum University;3.Well Services International Company,CNPC GreatwallDrilling Company;4.Completion Testing Center,Sinopec Northwest Company).

HT/HP and high H2S content gaswells,similarwith one in eastern Sichuan Basin,are featured by narrow pres-sure window,coexistence of high and low pressure,gas/water in same layer and developed fractures.So it's difficult to design cementing slurry.During cementing some problems such as lost circulation and blowout,in-layer and interlayer crossflow,lower cement top may happen usually,resulting in channeling,micro-gap,and crossflow path in later cementing.Moreover,cement stone and casing are corroded by HT/HP and high H2S content.It can bring negative effectson the integrity of cement sheath,drilling development and stimulation.Aiming atproblems of cementing slurry designed for such kind of gaswells,this study designs the property of cement,solid chemical,fluid and compound monitoring,rechecking experiment etc.,including balanced-pressure design,chemicals selection,and organization coordination.Some design experiences from one well have been summarized.It can provide guidance for new design.

HT/HP,high H2S content gaswell,slurry design,cementing,crossflow,solid chemical,fluid and compound monitoring

＊此論文屬四川省應(yīng)用基礎(chǔ)研究項目部份內(nèi)容,項目編號:2007JY029-136。

焦少卿,男,1982出生,西南石油大學(xué)油氣井工程碩士研究生畢業(yè),從事油氣井固井水泥漿體系設(shè)計、固井工作液、固井材料研究以及鉆井監(jiān)督工作。地址:(618000)四川省德陽市龍泉山南路二段 221號天韻休閑酒店中石化西南油氣分公司工程監(jiān)督中心鉆井監(jiān)督所。電話:15983830051,13882211190。E-mail:j.s.q0207@163.com

NATURALGAS EXPLORAT ION&DEVELOPMENT.v.33,no.2,pp.60-63,4/25/2010

(修改回稿日期 2009-06-19 編輯 文敏)