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，注水泥結束后，環(huán)形空間發(fā)生油、氣、水竄是國內外還沒有很好解決的影響固井質量的難題，其中最關鍵和危險的問題就是氣竄[1]，其引起的問題包括：有損害的層間竄流，生產套管井口環(huán)形空間壓力的升高以及井噴所導致鉆井設備損失。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合堵漏技術，應用了防竄膨脹水泥漿體系[3-4]，對于因水竄造成產氣量下降進行了研究[5]，使用快干水泥，低溫早強，低密高強水泥漿體系，提高表層套管固井質量，采用MTA方法防氣竄固井技術，提高第二界面固井質量，提高防竄能力[6]。以上技術措施主要是從水泥漿配方和改善泥餅質量方面入手來提高固井質量，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度低，第二膠結面的固井質量難于徹底提高。

套管外封隔器固井技術是一種特殊固井技術，通常用于漏失井、返水層、高壓井、多套壓力并存井等復雜井完井固井中[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，提高固井質量，延長氣井使用壽命和生產安全。

1 影響固井質量因素分析

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，導致氣層壓不穩(wěn)，造成環(huán)空氣體竄槽。在開發(fā)中后期，由于產層壓力下降，固井過程中井漏更為普遍，從而嚴重影響著固井質量。

1.2 泥餅質量差，井眼縮徑嚴重

根據(jù)地質巖性分析，地層中泥巖和砂質泥巖以伊利石含量為主，伊利石遇水分散強烈，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，形成的泥餅質地松散且厚，巖屑與井壁粘附，造成縮徑。泥餅質量差，影響了固井二界面膠結質量，而且下套管過程中易井漏和下套管后建立循環(huán)困難，影響固井質量。

1.3 巖石力學性能差，固井二界面膠結強度低，防氣竄難度大

根據(jù)水泥環(huán)與地層巖石第二界面膠結強度評價標準，地層巖石抗壓強度越高，對于提高水泥環(huán)的膠結強度就越有利，巖石抗壓強度越低，水泥環(huán)第二界面與地層的膠結強度就越低[15]。澀北氣田不成巖地層巖石抗壓強度特低，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，內摩擦角30.83°，泊松比為36.00，巖石抗壓強度為1.26 MPa，內聚力1.30 MPa[16]，巖石抗壓強度遠小于“不穩(wěn)定區(qū)”強度要求20 MPa，使得水泥環(huán)第二界面膠結強度極差，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強度的瓶頸所在。

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

研究表明水泥與泥巖、砂巖地層的膠結強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)質水泥環(huán)的形成，影響封固質量[17]。澀北氣田儲層多，非均質性強，從總體上分析，具有高孔隙度、中—低滲透率的特點；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；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、二號氣田井身結構設計表層套管下深為400.00 m，固井后管外竄氣現(xiàn)象很普遍，鉆井實踐證實200.00～400.00 m淺層氣發(fā)育，為了預防固井后管外竄氣，調整表層套管下深為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)初期井身結構為表層套管300.00 m，技術套管1000.00 m，為了優(yōu)化井身結構，在構造邊緣部署臺試8、臺試9進行兩層結構井試驗，表層套管下深改為600.00 m/500.00 m，試驗成功。隨后將部分井井身結構設計為兩層，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)象嚴重終止鉆探[3]。優(yōu)化井身結構，對于Ⅰ和Ⅱ層系井設計為兩層井身結構，表層下深150.00/350.00 m，其余層系為三層井身結構，表層下深150.00 m，技術套管下深800.00 m，表層套管下深太淺，一旦發(fā)生溢流關井，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，溢流關井后，發(fā)生憋竄地層。臺注5井井深500.00 m，注水一段時間后，發(fā)生管外水竄，不得不進行封堵措施作業(yè)。

2 使用管外封隔器的技術可行性

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，但注水泥時活動套管，因為是先焊井口后固井，無法實施。高速和紊流頂替因地層易漏無法實施，只能采取較低返速的方法。曾經在某口井表層固井中紊流頂替，固井過程正常，但固井質量不合格，環(huán)空灌水泥量接近環(huán)空總容積的50%。分析臺6～7井固井資料，發(fā)現(xiàn)確實實現(xiàn)了紊流頂替，固井過程也正常，結果管外竄氣嚴重。

2.2 應用防竄水泥漿體系

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，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量，只有UF/MTC一體化技術，可有效改善地層與水泥漿環(huán)的膠結性能。

2.3 應用防竄工藝措施

對于防氣竄技術有的采用雙級固井技術，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，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[20]。對于淺層氣防氣竄、防漏固井技術，采用低密度水泥漿固井技術，或雙凝水泥漿設計，優(yōu)化配方，增加水泥石強度，嚴格控制水泥漿的稠化時間和過渡時間并及時進行環(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，強制將地層中各層分開，更能有效地避免水泥漿凝固過程結束后的竄流問題。

2.4 管外封隔器適應性分析

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構和基本原理，對比了水力膨脹式和水泥膨脹式管外封隔器的優(yōu)缺點[22-23]和遇水遇油膨脹封隔器的應用于固井過程中有助于解決頂替效率低導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)的劃分標準，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，以滿足不同井況的完井設計)。

2.5 管外封隔器在水平井中的應用

澀北氣田水平井完井方式經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行不完全統(tǒng)計，如表1。

表1 澀北氣田使用管外封隔器完井不完全統(tǒng)計

2.6 應用目的

2.6.1 應用于封固防竄，優(yōu)化井身結構

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、二號氣田井身結構設計表層套管下深為400.00 m，固井后管外竄氣現(xiàn)象很普遍，鉆井實踐證實200.00～400.00 m淺層氣發(fā)育，調整表層套管下深為200.00 m/150.00 m，不鉆穿淺層氣層，但增加因套管下深淺導致的井控風險。為此，將澀北一號、二號氣田表層套管下深調整為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)化為兩層結構井，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，達到防止淺層氣管外竄的目的；生產井在生產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，碰壓結束后加壓脹封，利用封隔器膠筒側向耐壓，減少易漏層承受的液柱壓力，防止井漏，杜絕因井漏導致的固井質量差的問題。

3 結論

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

(2)固井頂替效率難于提高，目前國內防氣竄工藝技術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)生產井中應用管外封隔器能防止水竄和層間竄槽，注水井中應用管外封隔器能保證注水不會竄槽。

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