萬向臣，王 鵬，孫永剛

(1.西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065；2.中國石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院，陜西 西安 710018；3.中國石油川慶鉆探工程有限公司長慶固井公司，陜西 西安 710018；4.中國石化華北石油工程有限公司井下作業(yè)分公司，河南 鄭州 450000)

長慶神木區(qū)塊天然氣井一次上返固井技術(shù)

萬向臣1，2，王 鵬3，孫永剛4

(1.西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065；2.中國石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院，陜西 西安 710018；3.中國石油川慶鉆探工程有限公司長慶固井公司，陜西 西安 710018；4.中國石化華北石油工程有限公司井下作業(yè)分公司，河南 鄭州 450000)

長慶油田神木區(qū)塊天然氣井固井難度大，上部劉家溝組承壓能力低，下部含氣層跨度大，氣層活躍，完井改造過程中井筒內(nèi)壓力高。為提高套管串承壓能力及密封性，該區(qū)塊改分級固井為一次上返固井工藝。為解決該區(qū)塊一次上返固井難題，研發(fā)了以GGQ復(fù)合減輕材料為主的低密度水泥漿體系封固上部低壓易漏層，泡沫防竄水泥漿體系封固下部氣層活躍地層。實驗表明低密度水泥漿體系受壓后密度變化值小，且具有一定的防漏堵漏功能；泡沫防竄水泥漿體系能夠有效防止氣竄產(chǎn)生?，F(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，該套體系能夠解決神木區(qū)塊一次上返固井難題，提高該區(qū)塊固井質(zhì)量。

固井 低密度水泥漿 防氣竄 低壓易漏 泡沫水泥

神木區(qū)塊位于長慶氣田東部，鄂爾多斯盆地伊陜斜坡構(gòu)造，主力儲層為二疊系下統(tǒng)山西組及太原組，鉆進過程中依次穿越石千峰組、石盒子組、山西組、太原組、本溪組等多層含氣地層。且石千峰組上部地層劉家溝組承壓能力低，地層漏失壓力當量密度1.25～1.40 g/cm3。神木區(qū)塊天然氣井完井方式為套管射孔完井，為提高套管串承壓能力及其密封性，采用一次上返固井工藝，要求全井段封固，固井質(zhì)量滿足射孔壓裂等后續(xù)作業(yè)要求。

1 神木區(qū)塊一次上返固井難點與技術(shù) 措施

1.1 固井難點

(1)含氣層埋藏較淺、跨度較大，容易發(fā)生氣竄。據(jù)鉆井資料得知，該區(qū)塊本溪組、太原組、山西組、石盒子組、石千峰組均有不同程度的氣層顯示，1 700～2 800 m為含氣地層，多口井固井過程中出現(xiàn)氣竄現(xiàn)象[1]。

(2)上部地層劉家溝組承壓能力低，固井過程中易發(fā)生漏失，導(dǎo)致水泥漿返高不夠，同時容易因靜液柱壓力下降而未能有效壓穩(wěn)氣層導(dǎo)致氣竄。

(3)采用一次上返固井工藝，封固段長，增大了劉家溝組地層漏失的風(fēng)險。

1.2 技術(shù)措施

針對神木區(qū)塊地質(zhì)特點及存在的固井難點采取了以下措施：

(1)封固段設(shè)計合理的低密度水泥漿體系，保持低密度水泥漿體系加壓后密度穩(wěn)定且小于劉家溝組地層漏失壓力當量密度，防止一次上返固井過程中壓漏地層。

(2)提高氣層段水泥漿體系防竄性能，從水泥環(huán)界面、本體、水泥漿過度段時間等多個方面進行優(yōu)化。

(3)提高固井過程中井筒內(nèi)壓力控制技術(shù)，做好防漏壓穩(wěn)工作[2]。

2 低密度水泥漿體系

2.1 復(fù)合減輕劑GGQ

復(fù)合減輕劑GGQ是由耐壓空心微珠、防漏減輕顆粒材料、強度激活劑和穩(wěn)定劑組成，其主體成份空心微珠粒徑在100 μm左右，球度好，配置的水泥漿摩阻系數(shù)低。防漏減輕顆粒材料為球狀可變性有機材料，壓差作用下遇裂縫產(chǎn)生一定形變及時封堵裂縫端口。

將復(fù)合減輕劑GGQ配成的低密度體水泥漿與常規(guī)低密度水泥漿進行對比，按照標準GB/T 19139-2012進行耐壓密度測試，結(jié)果見表1。

表1 不同低密度體系耐壓密度測試結(jié)果

從表1可以看出，經(jīng)耐壓密度測試，漂珠體系和輕珠體系水泥漿密度變化較大，GGQ體系低密度水泥漿耐壓性好，1.30 g/cm3水泥漿體系經(jīng)40 MPa加壓測試密度變化值Δρ=0.02 g/cm3。

2.2 低密度水泥漿體系性能

結(jié)合神木區(qū)塊地質(zhì)鉆井資料，將G級油井水泥、復(fù)合減輕劑GGQ、油井水泥降失水劑、緩凝劑和消泡劑復(fù)配形成適合神木區(qū)塊低密度水泥漿體系，并對不同密度水泥漿體系進行性能測試，測試結(jié)果見表2。

表2 GGQ低密度水泥漿體系性能

從表2可以看出，GGQ低密度水泥漿體系密度可調(diào)，1.20～1.35 g/cm3水泥漿體系穩(wěn)定，耐壓密度性能好，加壓40 MPa后Δρ≤0.03 g/cm3，加壓后水泥漿密度小于神木區(qū)塊劉家溝組漏失當量密度(1.25～1.40 g/cm3)，可以實施一次上返固井工藝。

2.3 低密度水泥漿體系防漏性能測試

神木區(qū)塊劉家溝組漏失主要為滲透性漏失和微裂縫性漏失，為了模擬評價GGQ低密度水泥漿體系防漏堵漏性能，室內(nèi)進行了模擬實驗。實驗采用20目鋼珠模擬地層滲透性漏失，采用1，2，3 mm床板模擬裂縫性漏失，實驗數(shù)據(jù)見表3。

表3 GGQ低密度水泥漿體系防漏性能

從表3可以看出，同一漏失模型條件下，隨著GGQ復(fù)合減輕材料加量的增多，水泥漿體系防漏承壓能力越強，其中1.20 g/cm3水泥漿在20目孔隙+1 mm縫隙模型條件下承壓能力達到3.6 MPa，按照神木區(qū)塊劉家溝組平均垂深1 800 m計算，地層漏失當量密度提高0.20 g/cm3，為防止劉家溝組漏失成功進行一次上返固井提供了有力保障。

3 防竄水泥漿體系設(shè)計

神木雙山區(qū)塊氣層埋藏較淺、跨度較大，含氣層跨度約800 m，氣層段水泥漿候凝過程中極易發(fā)生氣竄，如果提高上部地層水泥漿密度，劉家溝組將會產(chǎn)生漏失導(dǎo)致固井過程中井口失返，將進一步增加氣竄量。

3.1 氣竄原因分析

通過理論研究發(fā)現(xiàn)，氣竄量與水泥漿過渡時間(固井結(jié)束后水泥漿到達設(shè)計層位至水泥漿水化到足以阻止氣竄的強度)長短和水泥漿失重后井筒內(nèi)外壓差大小有關(guān)[3]。

過渡段時間分兩個階段，第一階段T1為頂替結(jié)束水泥漿靜止到水泥漿稠化時間結(jié)束，第二階段T2為水泥漿稠化后強度發(fā)展至一定強度(240 Pa)足以抵抗氣竄的時間[4]。T1可以通過找準循環(huán)溫度縮短水泥漿稠化時間得以解決，T2主要通過提高水泥漿靜膠凝強度發(fā)展速度來實現(xiàn)[5]。

一次上返固井中水泥漿失重需考慮兩個方面因素：一是氣層段水泥漿凝固過程中產(chǎn)生的失重；二是低密度水泥漿靜膠凝產(chǎn)生的失重，單位長度低密度水泥漿靜膠凝產(chǎn)生的失重雖小，但一次上返低密度封固段長，該部分不可忽略。

治療后2個月，釉質(zhì)脫礦、牙周組織破壞、牙根吸收、黏膜潰瘍、牙齒松動、牙髓反應(yīng)的發(fā)生率兩組間相比均無統(tǒng)計學(xué)差異(P>0.05)；而觀察組不良反應(yīng)總發(fā)生率顯著低于對照組(χ2=5.641，P<0.05)(表3)。附典型病例臨床照片(圖1～2)。

3.2 泡沫防氣竄水泥漿體系

結(jié)合神木區(qū)塊地質(zhì)特點及其氣竄原因，室內(nèi)開發(fā)了泡沫水泥防竄水泥漿體系，泡沫水泥漿體系到達井底后產(chǎn)生微小氣泡，微氣泡包裹壓力為水泥漿初始靜液柱壓力p0，當水泥漿凝固過程中產(chǎn)生失重時，微氣泡圈閉的壓力p0大于失重狀態(tài)下水泥漿液柱壓力，可以部分補償靜液柱壓力防止氣竄的發(fā)生[6]。泡沫防竄水泥漿稠化時間設(shè)計為施工時間附加30 min(T1)，靜膠凝強度發(fā)展(48～240 Pa)小于10 min(T2)，尾漿膠凝強度達到240 Pa前低密度段水泥漿靜膠凝強度值≤50 Pa。

圖1 防竄水泥漿體系(尾漿)強度發(fā)展時間T2<10 min

圖2 低密度水泥漿體系(領(lǐng)漿)膠凝強度值

從圖1，2可以看出，泡沫防竄水泥漿體系的靜膠凝強度發(fā)展較為迅速，48～240 Pa過度時間小于10 min，領(lǐng)漿靜膠凝值在尾漿膠凝值達到240 Pa前保持較低(小于50 Pa)，可以有效防止氣竄的發(fā)生。

4 現(xiàn)場水泥漿封固段設(shè)計

神木區(qū)塊目的層垂深平均為2 700 m，215.9 mm井眼下139.7 mm套管一次上返固井，氣層段地層壓力平均為28.99 MPa，異常氣層壓力達33.1 MPa，易漏地層劉家溝組底界深度為1 800 m左右，平均漏失當量密度為1.36 g/cm3，井底平均地層破裂壓力44.98 MPa；水泥漿柱設(shè)計如下:

尾漿段：泡沫水泥漿體系，密度為1.88 g/cm3，平均封固長度為800 m，水泥面返至劉家溝底界以下100 m；

領(lǐng)漿段：GGQ低密度水泥漿體系，密度為1.30 g/cm3(實際密度根據(jù)易漏地層承壓能力情況進行調(diào)整)，平均封固長度為1 900 m，返至井口。

流體循環(huán)排量設(shè)計為25 L/s，低密度水泥漿流變性能n=0.65，K=0.50。地層破裂壓力梯度最低點為劉家溝組，其底界深1 800 m左右，底界承受壓力為靜液柱壓力(22.95 MPa)+環(huán)空摩阻(0.6～1.0 MPa)，小于平均漏失壓力24.01 MPa。

5 現(xiàn)場應(yīng)用

研究的低密度水泥漿體系和泡沫防竄水泥漿體系在神木區(qū)塊天然氣井固井中推廣應(yīng)用，全部采用一次上返固井方式，現(xiàn)場應(yīng)用數(shù)據(jù)顯示：研究的低密度水泥漿體系和泡沫防竄水泥漿體系可有效降低漏失，提高氣層段固井質(zhì)量。

表4 防漏低密度水泥漿體系現(xiàn)場應(yīng)用效果對比

從表4可以看出，同一區(qū)域內(nèi)，相同密度的不同低密度體系返高不同，GGQ防漏低密度體系能夠返至地面，說明GGQ低密度體系具有一定的防漏堵漏作用，可以部分提高漏失層承壓能力。

表5 泡沫水泥漿體系現(xiàn)場應(yīng)用效果對比

從表5可以看出，常規(guī)水泥漿體系侯凝產(chǎn)生失重后難以壓穩(wěn)氣層，氣層段固井質(zhì)量合格率均偏低。使用泡沫防竄水泥漿體系后氣層段固井質(zhì)量得到明顯改善，泡沫水泥漿體系侯凝過程中，泡沫水泥漿反應(yīng)產(chǎn)生的氣體圈閉了頂替終了的靜液柱壓力，水泥漿初凝過程中，圈閉壓力的氣體補償了因失重產(chǎn)生的壓降，從而防止氣竄的產(chǎn)生。

6 結(jié)論

(1)低壓易漏一次上返固井用低密度水泥漿體系需進行耐壓密度差測試，確保井筒壓力條件下低密度水泥漿體系當量密度小于易漏層漏失當量密度，否則失去了現(xiàn)場檢測水泥漿密度的意義。

(2)GGQ低密度水泥漿體系耐壓性能好，現(xiàn)場試驗表明該體系具有一定的防漏堵漏性能，適用于低壓易漏一次上返固井。

(3)天然氣井一次上返固井中裸眼段長，需考慮上部水泥漿體系靜膠凝值，防止因上部水泥漿靜膠凝值過大引起下部氣竄。

(4)研發(fā)的GGQ低密度水泥漿體系和泡沫防竄水泥漿體系適合于神木區(qū)塊天然氣井一次上返固井，可有效解決上部劉家溝漏失及下部地層氣竄問題。

[1] 魏周勝，周兵，李波，等.一次上返固井技術(shù)在天然氣井中的應(yīng)用[J].天然氣工業(yè)，2007，27(8)：69-71.

[2] 劉崇建.油氣井注水泥理論與應(yīng)用[M].北京：石油工業(yè)出版社，2001：270-271.

[3] 焦勇.水泥漿氣侵的根源及現(xiàn)行評價方法的評析.鉆采工藝，2000，23(3):19-23.

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(編輯 謝 葵)

One-time up-return cementing technology for natural gas wells in Shenmu block of Changqing Oilfield

Wan Xiangchen1,2,Wang Peng3,Sun Yonggang4

(1.Xi’anShiyouUniversity,Xi’an710065,China;2.EngineeringTechnologyInstituteofCCDC,CNPC,Xi’an710018,China;3.WellCementingDepartmentofCCDC,CNPC,Xi’an710018,China;4.DownWellServiceCompanyofNorthPetroleumEngineeringCompanylimited,Zhengzhou450000,China)

The cementing technology is difficultly used to natural gas wells in Shenmu area of Changqing Oilfiled.The upper stratum is Liujiagou group with low pressure-bearing ability,and the under nature gas-bearing stratum with a long stretch is active,with high pressure in the wellhole in the process of well completion.To improve the pressure-bearing ability and tightness of the casing string,the staged cementing was changed to one-time up-return cementing in this area.In order to solve the problem of the one-time up-return cementing,we researched a low density cement slurry system based on GGQ for upper stratum with low pressure-bearing ability and anti-channeling cement slurry system with foam for the under active nature gas-bearing stratum.Experimental results showed that the density change values of low density cement slurry system is small after compression,and has function of leak-proof plugging;the foamed anti-channeling cement slurry system can effectively prevent gas-channeling.Field application results showed that the system can solve problems of up-return cementing in Shenmu area,and improve the cementing quality of the area.

cementing;low density cement slurry;prevent gas-channeling;low-pressure leakage;foamed cement slurry

2016-06-25；改回日期：2016-08-26。

萬向臣(1985—)，工程師，在讀碩士，從事固完井技術(shù)研究工作。電話：18092108800，E-mail：wanxcg_gcy@cnpc.com.cn。

10.16181/j.cnki.fzyqc.2016.04.015

TE256.6

A