劉洋 ， 鮮明 ， 馮予淇

（1.國家能源高含硫氣藏開采研發(fā)中心，成都 610052；2.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司，成都610052）

川中高壓氣井以震旦系燈影組、寒武系龍王廟組為勘探開發(fā)目的層。區(qū)塊儲層埋深5 500～6 500 m，井溫為140～160 ℃，縱向上存在多產(chǎn)層、多壓力系統(tǒng)。須家河組之上淺層氣活躍，嘉陵江組、飛仙關組、長興組、龍?zhí)督M等高壓氣層當量密度超過2.0 g/cm3[1-2]。川中高壓氣井采用常規(guī) 的 φ339.7 mm/φ244.5 mm/φ177.8 mm/φ127 mm套管層序，φ244.5 mm封固須家河組淺層氣，φ177.8 mm尾管封固嘉陵江組、飛仙關組等高壓氣層。2012年1月～2015年6月共完鉆52口探井，3年間φ177.8 mm尾管固井質(zhì)量聲幅評價段平均合格率為40.2%～52.9%，φ244.5 mm技術套管固井及φ177.8 mm套管回接固井質(zhì)量聲幅評價段平均優(yōu)質(zhì)率超過80%。雖然整體固井質(zhì)量較好，但仍有12口井在鉆完井期間B、C環(huán)空異常帶壓。在分析環(huán)空異常帶壓原因的基礎上，針對性地開展了韌性微膨脹水泥漿體系研究，提出了“以快治氣”防竄固井工藝研究，推廣應用了封隔式尾管懸掛器，形成較系統(tǒng)的預防環(huán)空帶壓固井技術。2016～2017年期間應用12口井，僅2口井在試油期間、生產(chǎn)期間C環(huán)空異常帶壓，較好地解決了鉆完井期間環(huán)空異常帶壓問題，對于進一步解決天然氣長期氣竄問題具有借鑒意義。

1 環(huán)空帶壓原因分析

1.1 環(huán)空帶壓基本情況

在2015年之前有12口井在鉆完井期間環(huán)空異常帶壓。這些井φ244.5 mm技術套管固井質(zhì)量聲幅評價段平均合格率為91.9%，φ177.8 mm套管回接固井質(zhì)量聲幅評價段平均合格率為94.7%，固井質(zhì)量測井評價結果均合格。但φ177.8 mm尾管固井質(zhì)量較差，聲幅評價段平均合格率僅為39.8%，底部500 m固井質(zhì)量合格，但上部800 m高壓氣層封固段聲幅評價合格率僅為26.0%。12口井在鉆進期間或試油期間環(huán)空異常帶壓，即固井后3～6個月期間；C環(huán)空氣源為須家河組之上淺層氣（φ244.5 mm套管封固段氣層），B環(huán)空氣源主要為嘉陵江組、龍?zhí)督M等高壓氣（φ177.8 mm尾管封固段氣層）。環(huán)空帶壓基本情況如表1所示。

表1 鉆完井期間環(huán)空帶壓統(tǒng)計

1.2 環(huán)空帶壓原因分析

根據(jù)前述環(huán)空帶壓基本情況描述，分別以M39井C環(huán)空帶壓以及G6井B環(huán)空帶壓為例，分析環(huán)空帶壓原因。

1.2.1 C環(huán)空帶壓

以M39井C環(huán)空帶壓為例。該井φ244.5 mm技術套管下入深度為3 200 m，固井水泥漿采用常規(guī)密度低失水防竄水泥漿，施工排量、頂替技術措施達到設計要求，固井后采用了環(huán)空憋壓候凝技術，滿足固井“三壓穩(wěn)”原則。固井質(zhì)量聲幅評價段優(yōu)質(zhì)率為80.3%， 合格率為94.5%， 須家河以上氣層封固質(zhì)量良好， 但固井5個月后，出現(xiàn)C環(huán)空異常帶壓， 氣源為φ244.5 mm技術套管封固的須家河之上淺層氣。由此推斷環(huán)空帶壓與固井質(zhì)量無直接關系。

通過水泥環(huán)完整性評價裝置及軟件分析研究了后續(xù)工況對水泥環(huán)密封完整性的影響。室內(nèi)開展水泥環(huán)破壞實驗，圍壓10 MPa下模擬管柱試壓35 MPa。實驗結果如圖1所示，試壓后水泥環(huán)完整性破壞，產(chǎn)生輻射狀裂隙。

圖1 室內(nèi)實驗模擬管柱試壓

同時采用水泥環(huán)應力計算軟件模擬分析，計算結果見圖2，試壓50 MPa后井深1 500 m以上須家河淺層氣產(chǎn)生明顯微環(huán)隙。分析表明，一定圍壓下管柱試壓可造成水泥環(huán)封隔失效，因此推斷管柱試壓造成水泥環(huán)破壞是C環(huán)空帶壓的重要原因。

圖2 試壓50 MPa后水泥環(huán)形成的微環(huán)隙

1.2.2 B環(huán)空帶壓

以G6井B環(huán)空帶壓為例。該井φ177.8 mm尾管下入深度為5 300 m，采用密度為2.30 g/cm3高密度大溫差水泥漿固井，施工排量、頂替技術措施達到設計要求，固井后也采取了憋壓候凝技術措施。但固井質(zhì)量聲幅評價段合格率僅為46.2%（如圖3所示），固井質(zhì)量不合格，井深4 000 m以上嘉二、飛仙關、長興、龍?zhí)兜雀邏簹鈱佣畏夤藤|(zhì)量差。從固井質(zhì)量圖分析，氣層封固段固井質(zhì)量差，而底部和頂部非氣層段固井質(zhì)量較好，由此推斷候凝過程中上部高孔滲地層氣竄，導致水泥漿中含氣，影響了測井評價結果，是導致固井質(zhì)量差的重要原因。

φ177.8 mm尾管固井后下開鉆井液密度大幅降低（由2.21 g/cm3降低為1.38 g/cm3），井底壓力下降40 MPa，固井質(zhì)量測井評價結果見圖4， 固井質(zhì)量合格率下降為8.0%，進一步削弱了封固質(zhì)量。同時，回接固井后，全井清水試壓70 MPa，根據(jù)軟件計算結果如圖5所示，井深3 000 m以上井段在試壓后形成不同程度微環(huán)隙，為高壓氣層氣竄提供了流動通道。據(jù)以上分析推斷，φ177.8 mm尾管固井質(zhì)量差，候凝過程中氣體侵入水泥漿基體，后續(xù)工況如降密度、試壓進一步削弱了封固質(zhì)量，形成微環(huán)隙，導致氣體竄至井口，是導致B環(huán)空異常帶壓的重要原因。

圖3 第1次電測結果

圖4 第2次電測結果

圖5 試壓后水泥環(huán)形成的微環(huán)隙

綜上所述，常規(guī)水泥石力學性能不適應川中高壓氣井層間封隔要求，固井后管柱試壓、鉆井液密度降低，導致水泥環(huán)完整性受損，形成微環(huán)隙，微裂隙是C環(huán)空帶壓的重要原因。φ177.8 mm尾管固井質(zhì)量差，后續(xù)工況如試壓、降密度進一步削弱固井膠結質(zhì)量，是B環(huán)空帶壓的重要原因。

2 預防環(huán)空帶壓固井技術

針對鉆完井期間B、C環(huán)空異常帶壓問題，在φ244.5 mm技術套管和φ177.8 mm套管回接固井中使用常規(guī)密度韌性微膨脹水泥漿，降脆增韌，提高水泥環(huán)耐久性，同時采用“以快治氣”防竄固井工藝改善φ177.8 mm尾管固井質(zhì)量，推廣應用封隔式尾管懸掛器，在B環(huán)空形成由高密度大溫差防竄水泥漿、封隔式尾管懸掛器、韌性微膨脹水泥漿組成的多重防護井屏障，是減輕環(huán)空帶壓問題的關鍵[3-4]。

2.1 優(yōu)化韌性微膨脹水泥漿體系

2.1.1 韌性微膨脹水泥漿體系簡介

韌性微膨脹水泥漿體系設計思路[5-6]如下：優(yōu)選增韌劑降低水泥石楊氏模量，提高其彈性變形能力；優(yōu)選超細活性材料作增強劑，提高水泥石密實度及強度，降低加卸載引起的殘余應變，預期解決φ244.5 mm套管和φ177.8 mm回接套管在試壓條件下因水泥石失效引起的層間封隔問題。

增韌劑由彈性材料與無機纖維組成。彈性材料充填于水泥晶體間，能緩沖應力作用，而無機纖維具有粒間搭橋作用，避免應力集中引發(fā)破壞。超細增強劑粒徑分布范圍為1.07～14.09 μm，其主要由玻璃相結構組成，硅質(zhì)含量高，火山灰活性效應強，與Ca（OH）2反應生成C—S—H相，可消除增韌劑對強度的負面影響。通過室內(nèi)實驗優(yōu)選，常規(guī)密度韌性微膨脹水泥漿體系配方為：G級水泥+7%彈性材料+1%無機纖維+10%增強劑+3%聚合物降失水劑+0.6%分散劑+0.6%緩凝劑+0.2%消泡劑。

2.1.2 韌性微膨脹水泥石力學性能及密實性評價

常規(guī)密度韌性微膨脹水泥漿體系性能如表2所示，可以看出，該水泥石在80 ℃及21 MPa下養(yǎng)護7 d后，抗拉強度較常規(guī)水泥石提高42.8%，彈性模量降低39.9%，同時具備一定體積微膨脹。

表2 常規(guī)密度韌性微膨脹水泥漿體系力學性能（7 d）

由于超細增強劑粒徑明顯小于水泥顆粒，能與之形成顆粒級配，提高水泥石密實度。采用振搗加壓法測量增強劑對水泥堆積度的影響，見圖6。

圖6 增強劑對堆積度的影響

由圖6可以看出，增強劑加量增加到20%時，水泥堆積度最高，但流動度一般。為兼顧密實度與流變性，將增強劑設計加量定為10%。

對比80℃養(yǎng)護48 h的常規(guī)水泥石和韌性微膨脹水泥石孔結構和滲透率（見表3）可以發(fā)現(xiàn)，韌性微膨脹水泥石的孔隙率、孔體積、中孔含量下降，而凝膠孔上升，滲透率下降了一個數(shù)量級，其密實度高于常規(guī)水泥石。

表3 水泥石孔結構參數(shù)和滲透率

通過加卸載實驗發(fā)現(xiàn)密實度高的韌性微膨脹水泥石，壓實變形和殘余變形較常規(guī)水泥石小，應力滯后環(huán)不明顯，可防止循環(huán)載荷下產(chǎn)生微環(huán)隙，見圖7和圖8。

圖7 韌性微膨脹水泥石循環(huán)加載

圖8 常規(guī)水泥石循環(huán)加載

2.1.3 韌性微膨脹水泥石力學完整性評價

采用水泥環(huán)密封完整性評價裝置，分析水泥環(huán)抗外載荷破壞能力，結果如表4所示。第1、2組實驗模擬管柱試壓50 MPa， 分析上部井深1 000 m水泥環(huán)破壞情況。圍壓10 MPa下，常規(guī)水泥石在試壓35 MPa，穩(wěn)壓5 min后卸載，將壓力泄至5 MPa，通氣5 min竄通，水泥環(huán)產(chǎn)生明顯裂紋，見圖9（a）；第5、6組實驗，韌性微膨脹水泥石試壓50 MPa后卸載，通氣不竄通，水泥環(huán)無明顯裂紋，見圖9（c）。第3、4組實驗模擬管柱試壓50 MPa，分析井深3 000 m處水泥環(huán)破壞情況。圍壓30 MPa下，常規(guī)水泥石試壓50 MPa，穩(wěn)壓5 min后卸載，將壓力泄至5 MPa，并通氣5 min竄通，但無明顯裂紋，推測試壓后可能產(chǎn)生了微環(huán)隙，見圖9（b），第7、8組實驗韌性微膨脹水泥石試壓65 MPa后卸載，通氣不竄通，水泥環(huán)無明顯裂紋，見圖9（d）。

以上分析表明，韌性微膨脹水泥石抗外載荷破壞能力較常規(guī)水泥石提高40%以上。

表4 水泥環(huán)完整性評價試驗（90 ℃）

圖9 實驗結束后的水泥環(huán)圖片

2.2 形成“以快治氣”防竄固井工藝

區(qū)塊φ177.8 mm尾管封固段溫度范圍為80～150 ℃，面臨長封固段高溫大溫差固井難題。在水泥漿稠化時間設計滿足安全施工的條件下， 封固上部嘉陵江組等高壓氣層的水泥漿稠化時間因溫度降低而過度延長， 極易引發(fā)氣竄[7-9]。為保證封固質(zhì)量， 控制上部活躍的高壓氣水層， 因此將兩凝水泥漿界面由飛仙關、 長興組層位提高到上層套管鞋處， 尾漿稠化時間附加安全時間由90 min縮短至30 min， 構成了“以快治氣”的防竄固井工藝。

具體措施如下：①為封固上層套管鞋處嘉陵江組活躍高壓氣層， 設計兩凝水泥漿體系， 提高兩凝界面， 尾管封固全部裸眼段； 為保證施工安全，開展了頂替模擬實驗，分析尾漿上竄風險。如圖10所示，通過計算，尾漿在頂替過程中上竄2～4 m3，因此將φ177.8 mm尾管與上層φ244.5 mm技術套管重合段延長至400～600 m。同時對尾漿開展升降溫稠化實驗，模擬尾漿上竄至喇叭口并循環(huán)出井口的可泵送時間。如圖11所示，尾漿正常稠化時間為210 min，升降溫稠化時間達到395 min，滿足安全施工要求。②優(yōu)化高密度大溫差防竄水泥漿體系， 嚴控稠化時間， 縮短水泥凝結時間。研發(fā)寬溫帶緩凝劑， 并使用活性增強劑和高密度鐵礦粉增加有效膠結相含量，提高水泥石強度。控制尾漿稠化時間附加安全時間為30～60 min。高密度大溫差水泥漿性能如表5所示，尾漿在11 h內(nèi)終凝，領漿在30 h內(nèi)終凝，達到“以快治氣”目的。

圖10 頂替模擬尾漿上竄結果

圖11 水泥漿升降溫稠化曲線

表5 高密度大溫差水泥漿性能

2.3 推廣應用封隔式尾管懸掛器

研發(fā)了封隔式尾管懸掛器，作用機理是：注水泥施工結束后，上提鉆柱使彈爪出坐封筒，彈爪張開；下放鉆柱，彈爪下壓坐封筒，下行剪斷座封剪釘壓縮膠筒，實現(xiàn)尾管與上層套管的封隔；封隔后，上提鉆柱，起出送入工具；最后，回接插管連接在回接套管底部后下送插入回接筒，實現(xiàn)回接密封。封隔式尾管懸掛器最大懸重250 t，整體抗壓能力達到70 MPa氣壓密封，下壓彈爪機械坐封后，環(huán)間封隔承壓達到40 MPa，解決了φ177.8 mm尾管固井后喇叭口竄氣問題。同時在φ177.8 mm套管回接固井中使用常規(guī)密度韌性微膨脹水泥漿體系，在B環(huán)空形成由高密度大溫差水泥漿體系、封隔式尾管懸掛器、常規(guī)密度韌性微膨脹水泥漿體系組成的多重防護井屏障，減輕氣體泄漏風險。

3 現(xiàn)場應用

該預防環(huán)空帶壓固井技術在川中高壓氣井應用12口井。推廣應用“以快治氣”防竄固井技術和高密度大溫差水泥漿體系后，φ177.8 mm尾管固井質(zhì)量聲幅評價段平均合格率由52.98%提高至73.18%。φ244.5 mm技術套管和φ177.8 mm套管回接固井采用常規(guī)密度韌性防竄水泥漿體系，固井質(zhì)量聲幅評價段平均優(yōu)質(zhì)率分別達到了80.6%和89.9%， 僅2口井在試油期間、 生產(chǎn)期間C環(huán)空異常帶壓，解決了鉆完井期間的環(huán)空異常帶壓問題。

4 結論與建議

1.常規(guī)水泥石力學性能不適應川中高壓氣井層間封隔要求，固井后管柱試壓、鉆井液密度降低導致水泥環(huán)完整性受損，形成微環(huán)隙、微裂隙是C環(huán)空帶壓的重要原因。φ177.8 mm尾管固井質(zhì)量差，后續(xù)工況如試壓、降密度進一步削弱固井膠結質(zhì)量是B環(huán)空帶壓的重要原因。

2.針對環(huán)空帶壓問題，優(yōu)化了韌性微膨脹水泥漿體系， 形成了“以快治氣”防竄固井工藝，推廣應用封隔式尾管懸掛器?，F(xiàn)場應用12口井，φ177.8 mm尾管固井質(zhì)量合格率由52.98%提高至73.18%。φ244.5 mm技術套管和φ177.8 mm套管回接固井質(zhì)量聲幅評價段平均優(yōu)質(zhì)率分別達到了80.6%和89.9%，僅2口井在試油期間、生產(chǎn)期間C環(huán)空異常帶壓，較好地解決了鉆完井期間的環(huán)空異常帶壓問題。

參 考 文 獻

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