張宗偉 郭鵬程 衣德強 李 鵬 楊 偉 常啟帆

1.中國石油長慶油田公司第五采氣廠 2.中國石油長慶油田公司第一采氣廠 3.中國石油長慶油田公司油氣工藝研究院4.中國石油長慶油田公司第四采氣廠 5.中國石油青海油田公司第一采氣廠 6.中國石油大學（北京）石油工程學院

0 引言

天然氣井縱向上有多套氣層共存時，通常會采用上、下氣層先后接替投產(chǎn)的方式生產(chǎn)，以此來降低層間干擾引發(fā)的產(chǎn)量損失[1-2]、延長氣井的穩(wěn)產(chǎn)周期。氣井完井作業(yè)時，通過投放橋塞、填砂等方式封閉下部氣層，打開上部氣層先期開采；采氣至上部地層壓力衰竭、產(chǎn)量不足時，通過打撈橋塞、沖砂等修井作業(yè)打開下部氣層，補充氣井產(chǎn)能，提高氣井穩(wěn)產(chǎn)效果。打開下部氣層前，上部已投產(chǎn)地層壓力系數(shù)普遍較低，井筒液柱壓力與地層壓力間漏失壓差較高，需暫堵上部已投產(chǎn)氣層，然后向井筒注滿修井液，提供穩(wěn)定液柱壓力，為打撈橋塞、沖砂等作業(yè)提供安全的井筒環(huán)境。

早期，采用超細水泥類堵劑[3]，封堵強度足夠，但泵注困難，推廣受限。后來的凍膠[4]、固化水[5]、強化型固化水[6]、吸水型暫堵液[7]等暫堵材料可保持液體注入，解決了泵注困難；但這些材料自身為固體或者通過化學反應形成固體物質(zhì)，暫堵上部地層后存留井筒易堵塞管柱，暫堵后必須用清水快速頂替至地面，才能保證后續(xù)打撈橋塞、沖砂等作業(yè)順利完成。新層揭開瞬間，井筒流體進入地層置換出氣體，該部分氣體竄入井筒后快速降低液柱壓力，由于清水不具備封堵能力，井筒流體持續(xù)漏入地層，加快氣體置換速度，作業(yè)安全度降低且大量清水進入新層后有可能傷害產(chǎn)量接替效果。此外，其他油溶性堵劑[8]、非牛頓植物膠[9]、絡(luò)合水[10]等封堵材料雖然堵塞管柱的概率不高，但存留在井筒內(nèi)性能不穩(wěn)定，揭開新層瞬間無法提供足夠的封堵性能。

為此，適用于此類氣井投產(chǎn)作業(yè)的修井流體需滿足封堵性能良好、存留井筒性能穩(wěn)定等要求：①暫堵上部已投產(chǎn)低壓氣層，保證井筒可充滿液體；②流體預留井筒底部后，上部空間可直接注入清水至井口；③井筒內(nèi)流體保持液態(tài)且具備攜巖能力，滿足新層揭開前的打撈橋塞、沖砂等作業(yè)要求；④新層揭開瞬間，預留井筒底部流體的封堵能力足夠，進入新層并控制地層氣體置換，同時快速提高地層承壓能力，井口直接補充清水后保持液柱壓力穩(wěn)定或小浮動波動，實現(xiàn)控壓；⑤作業(yè)結(jié)束后，上、下氣層中流體順利返排，新、老氣層產(chǎn)能可快速恢復。

絨囊流體是一種針對油氣井漏失控制而開發(fā)的無固相封堵流體體系。流體中尺度分布在30～300 μm 的囊泡結(jié)構(gòu)在漏失壓差下進入地層通道后，通過堆積、拉抻、填塞方式形成承壓結(jié)構(gòu)，平衡井筒流體與地層間壓差，封堵性能良好[11]。前期先后應用于鉆井過程防漏堵漏[12]、低壓氣井老井側(cè)鉆封堵[13]、低壓氣井不降壓壓井暫堵[14]、深部地層轉(zhuǎn)向壓裂暫堵[15]等領(lǐng)域。井筒中，絨囊流體與清水混漿后性能穩(wěn)定，形成液體活塞后可抑制地層氣體上竄[16]。同時，流體在井筒內(nèi)始終保持液態(tài)，攜巖性能良好，前期解決了上塌下漏復雜地層的隨鉆防塌控漏[17]。絨囊流體面對新層揭開瞬間的氣竄和漏失，封堵見效快速，維持井筒液柱壓力穩(wěn)定[18]；并且絨囊流體無固相和自降解的特征，返排徹底，應用轉(zhuǎn)向壓裂暫堵時實現(xiàn)了原縫無損[19]。由此可見，絨囊流體為解決多種工況下、復雜地層漏失提供了手段支持[20]，也為下部氣層接替上部氣層投產(chǎn)作業(yè)的氣井控壓暫堵提供了流體選擇。為此，筆者在實驗室評價井筒空間內(nèi)絨囊修井液靜置后密度、流變性、懸浮性、封堵能力、儲層傷害程度等性能穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，探討了控壓暫堵一體化修井作業(yè)的可行性，進而將研究成果投入實際應用并取得了成功。

1 室內(nèi)評價實驗

室內(nèi)參考天然氣井產(chǎn)層垂深3 800 m 設(shè)定溫度50～120 ℃、壓力10～40 MPa 的井筒環(huán)境，以直徑50 mm、高度約1.5 m，總?cè)莘e近2 L 的密閉圓柱液缸模擬井筒結(jié)構(gòu)。絨囊修井流體配方為2.0%囊層劑+1.2%絨毛劑+0.5%囊核劑+0.8%囊膜劑+0.1%氫氧化鈉。實驗評價絨囊修井流體在井筒環(huán)境靜置后密度、表觀黏度、懸浮性等基本性能和封堵能力、地層滲透率恢復率等關(guān)鍵性能變化。

1.1 密度及黏度穩(wěn)定性實驗評價

根據(jù)絨囊流體特征，以密度參數(shù)表征囊泡含量，密度越低，囊泡含量越高；以表觀黏度參數(shù)表征囊泡強度，黏度越大，囊泡強度越大。測定絨囊修井流體在溫度50～120 ℃，壓力10～40 MPa 的井筒環(huán)境中靜置0～64 h 后密度和表觀黏度變化（表1）。

由表1 可知，隨靜置時間增大，流體密度升高，表觀黏度降低。靜置64 h 時，密度升至0.94 g/cm3，表觀黏度降至50.50 mPa·s，表明流體中囊泡數(shù)量及強度緩慢衰減，但仍保持足夠封堵性能。

1.2 混漿及懸浮穩(wěn)定性實驗評價

先后向模擬井筒中灌入初始密度0.85 g/cm3絨囊修井流體和1.00 g/cm3清水各1 L 模擬混漿效果。恒溫120 ℃靜置64 h 后，打開底部閥門逐次取液200mL，測量密度及40/60 目石英砂顆粒沉降時間，重復實驗取均值。實驗數(shù)據(jù)如表2 所示。

表1 絨囊修井流體靜置不同時間后密度與表觀黏度分布表

表2 依次取出液體密度及顆粒沉降時間分布表

由表2 可知，前4 次累計取出800 mL 流體密度0.93～0.94 g/cm3，沉降時間432.2～445.1 s，懸浮性能穩(wěn)定。第5 次取液密度升高至0.97 g/cm3，沉降時間降至215.3 s，出現(xiàn)混漿。第6 次取液密度0.99 g/cm3，砂礫沉降時間26.8 s，存在微量混漿。第7～10次取出液體密度、砂礫沉降時間與清水一致，基本無混漿。實驗表明，絨囊修井流體與清水在井筒中混漿程度較低。

1.3 封堵能力穩(wěn)定性實驗評價

以直徑25 mm、長50 mm，氣測滲透率300～500 mD 的人造巖心柱塞模擬地層，飽和地層水（8%KCl）后，控制柱塞出口回壓0.5 MPa，以1.0 mL/min 穩(wěn)定流速注入配制后未靜置的絨囊修井流體，當柱塞出口無流體流出時，重復注入地層水至驅(qū)壓超過20 MPa，表征流體初始封堵強度足夠。溫度50～120 ℃，壓力10～40 MPa 環(huán)境中，靜置絨囊修井流體0～64 h 后再分別以1.0 mL/min 穩(wěn)定流速注入柱塞至驅(qū)壓達20 MPa，記錄絨囊流體累計注入體積，再重復注入地層水，記錄驅(qū)壓升至20 MPa 所用時間，實驗數(shù)據(jù)如表3 所示。

由表3 可知，靜置時間越長，巖心柱塞中重復注入地層水的驅(qū)壓增速越慢。靜置64 h 后累計注入絨囊流體體積從1.5 mL 升至4.2 mL，地層水注入驅(qū)壓升至20 MPa 所用時間較未靜置體系延長19.66 min，表明絨囊修井流體封堵性能存在緩慢衰減，但仍可實現(xiàn)承壓20 MPa。

1.4 儲層保護效果實驗評價

無論是已打開低壓氣層還是新揭開氣層，井筒流體進入地層后若返排效果不佳將傷害產(chǎn)氣效果。對于壓裂后形成人工裂縫的致密氣層，目前室內(nèi)常在巖心柱塞中加工裂縫以模擬地層裂縫[21]。以直徑25 mm、長60 mm、氣測滲透率20～80 mD 的巖心柱塞模擬地層基質(zhì)，中部加工高0.1 mm 貫穿縫模擬地層裂縫，注入絨囊修井流體至驅(qū)壓達20 MPa 后卸除驅(qū)壓，注入破膠劑加速返排，測定基質(zhì)和裂縫氣測滲透率恢復效果。實驗數(shù)據(jù)如表4 所示。

表3 巖心柱塞中重復注入地層水至驅(qū)壓達20MPa 時間分布表

表4 絨囊修井流體返排后基質(zhì)與裂縫滲透率變化表

由表4 可知，基質(zhì)滲透率恢復率介于88.03%～90.06%，裂縫滲透率恢復率介于95.62%～97.07%，均大于88%。實驗表明，絨囊修井流體返排后，地層中流體流動通道恢復效果良好。

2 現(xiàn)場應用實例

鄂爾多斯盆地靖邊氣田、蘇里格氣田等區(qū)域垂直方向多套致密氣層發(fā)育，為提高單井穩(wěn)產(chǎn)效果常實施多層分壓先后合采[22]。近年來，伴隨已投產(chǎn)氣層壓力系數(shù)下降、產(chǎn)氣能量衰竭，部分氣井逐漸通過修井作業(yè)打開下部預留氣層，改善氣井穩(wěn)產(chǎn)效果。期間，為實現(xiàn)單井多套氣層控壓暫堵一體化修井，引入絨囊修井流體，先后于6 井次完成現(xiàn)場應用。以其中GX-1 井、GY-1 井為例，分析技術(shù)應用效果。

2.1 GX-1 井先導試驗效果

GX-1 井構(gòu)造位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡，2012年7 月完鉆，完鉆井深3 680 m。上部二疊系石盒子組、山西組砂巖層壓裂改造后投產(chǎn)，下部奧陶系馬家溝組酸化改造后投放橋塞封隔氣層，未投產(chǎn)。初期氣井日產(chǎn)氣量超過4.0×104m3，至2015 年衰減至0.5×104m3/d，產(chǎn)能不足，計劃打撈深度3 328 m 處橋塞，釋放下部馬家溝組氣層產(chǎn)能，實現(xiàn)接替投產(chǎn)。修井前井口油壓5.2 MPa，上部氣層壓力系數(shù)僅0.62，考慮鄰井揭開下部氣層后重復漏失嚴重，應用絨囊修井流體實施連續(xù)暫堵。先期反循環(huán)泵入絨囊修井流體78 m3后泵壓升至5 MPa，上部氣層暫堵成功，拆井口、起原井管柱等作業(yè)順利，打撈橋塞瞬間井口補充清水約8 m3后見液，暫堵下部氣層成功。參考鄰井數(shù)據(jù)，估算下部新層的地層壓力接近19 MPa，計算絨囊修井流體提高新層承壓能力近13 MPa。GX-1 修井過程平均漏速低于0.12 m3/h，作業(yè)結(jié)束后氣舉排液，放噴至第6 天，入井流體返排率達92%，氣井產(chǎn)量接近1.2×104m3/d，作業(yè)成功。

2.2 GY-1 井先導試驗效果

GY-1 井構(gòu)造位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡，2002年9 月投產(chǎn)，完鉆井深3 540 m。試氣后下入橋塞封閉下部山西組氣層，上部石盒子組先期投入生產(chǎn)。投產(chǎn)初期日產(chǎn)氣量超過4.0×104m3，至2006 年9 月日產(chǎn)氣已降至0.2×104m3，為此，計劃打撈深度3 310 m 處橋塞釋放下部山西組氣層產(chǎn)能。

考慮上部地層壓力系數(shù)已低于0.70，為解決下部地層打開瞬間氣竄和漏失控制難題，提高作業(yè)安全性，應用絨囊修井流體實施控壓暫堵。先期反循環(huán)泵入絨囊修井流體88 m3后泵壓升至3 MPa，上部氣層暫堵成功。后續(xù)，打撈橋塞受阻改為磨銑工序，直接利用絨囊修井流體循環(huán)洗井，磨銑期間揭開新層發(fā)生二次漏失，井口直接補充清水10 m3見液，控制平均漏速低于0.15 m3/h。參考鄰井資料，估算新層的地層壓力接近20 MPa，計算絨囊修井流體提高新層承壓能力近12 MPa。作業(yè)結(jié)束后地層流體返排率超過90%，日產(chǎn)氣量升至1.5×104m3，作業(yè)成功。

2.3 區(qū)域整體應用效果

統(tǒng)計6 口氣井現(xiàn)場施工信息，包括上部氣層壓力系數(shù)、上部氣層中深等數(shù)據(jù)，如表5 所示。

表5 現(xiàn)場6 口井絨囊修井流體施工數(shù)據(jù)表

由表5 可知，6 口氣井上部已投產(chǎn)老氣層壓力系數(shù)衰減至0.56～0.72，絨囊修井流體成功暫堵。暫堵上部地層后，考慮下部新層壓力系數(shù)普遍高于上部地層，液柱壓力接近時漏失壓差更小，且地層中絨囊流體體積越大，承壓能力越強。以進入上部地層暫堵的絨囊修井流體體積為參考，計算井筒內(nèi)預留絨囊修井流體19～45 m3。實際施工中，揭開下部氣層后井口補充清水5～15 m3見液，控制平均漏速僅0.07～0.23 m3/h，氣井上部與下部氣層暫堵效果穩(wěn)定。

3 討論與分析

根據(jù)室內(nèi)實驗與現(xiàn)場應用效果，討論與分析絨囊修井流體應用下部氣層接替上部氣層投產(chǎn)作業(yè)中控壓暫堵一體化效果。

3.1 井筒環(huán)境中囊泡含量及強度穩(wěn)定

絨囊流體封堵機理中，流體內(nèi)囊泡含量及其強度影響封堵性能強弱，囊泡含量越高，強度越大，封堵性能越好。由于現(xiàn)有方法難以直接表征囊泡含量及其強度，實驗測定流體密度和表觀黏度參數(shù)，間接評價囊泡含量及其強度變化。對比實驗中絨囊修井流體靜置0～64 h 過程密度與表觀黏度變化趨勢。靜置64 h 后，流體密度升至0.93 g/cm3，增幅0.07 g/cm3，表觀黏度降至51 mPa·s，降幅10.34 mPa·s。研究表明，流體存留井筒溫度與壓力環(huán)境下，囊泡含量和強度均緩慢衰減，但仍處于設(shè)計范圍，基礎(chǔ)性能穩(wěn)定。同時，流體中始終無固相生成，可提供穩(wěn)定液柱壓力，為暫堵上部地層后起下管柱、循環(huán)洗井等工序提供液體介質(zhì)，解決了常規(guī)堵劑自身含固相或預留井筒生成固相堵塞管柱的缺陷，提高封堵流體與修井工藝的兼容性。

3.2 井筒內(nèi)與清水混漿后懸浮性穩(wěn)定

井筒充滿絨囊修井流體后，下部新層揭開瞬間的氣竄和漏失控制效果最佳，但單井用量過大，升高成本。常規(guī)作業(yè)時，預留少量絨囊修井流體于井筒底部，上部直接充滿清水以保持液柱壓力足夠，降低成本。此時，井筒內(nèi)絨囊修井流體與清水混漿程度影響流體性能。為此，以密度、懸浮性為評價參數(shù)，分析絨囊修井流體與清水混合后不同區(qū)域的混漿程度。

混合流體靜止64 h 后，測定底部800 mL 絨囊修井流體密度升高9.41%～10.59%，砂礫沉降時間穩(wěn)定332.2～348.7 s，性能穩(wěn)定無混漿。中部200 mL 絨囊修井流體密度升高14.12%，沉砂時間下降36.93%，計算清水混漿程度50%。中部200 mL 清水密度下降1.00%，沉降時間提高109.78%，存在輕微混漿。

計算現(xiàn)場6 口氣井井筒底部預留絨囊修井流體液柱高1 380 m～1 790 m，上部清水液柱高1 750m～2 300 m，以20%混漿段計算無污染絨囊修井流體體積19～36 m3，大于實際進入新層體積5～15 m3，清水混漿并未影響絨囊修井流體暫堵效果。

絨囊流體中表面活性劑和大分子提供的界面張力、疏水締合力和分子間力及其他作用力抵抗上部水分子進入，抑制混漿，保證井筒底部預留部分封堵性能穩(wěn)定。與此同時，大量囊泡結(jié)構(gòu)提供的物理黏度與表面活性劑提供的化學黏度提供懸浮性，滿足新層打開前井筒內(nèi)洗井和橋塞磨銑后碎屑、雜質(zhì)等攜帶要求?，F(xiàn)場GY-1 井磨銑橋塞作業(yè)中，井筒內(nèi)26 m3絨囊修井流體與清水混合后攜帶井底磨銑碎屑效果良好。

3.3 井筒中靜置后封堵地層性能穩(wěn)定

面對上、下兩套氣層不同時間的暫堵要求，絨囊修井流體封堵性能穩(wěn)定是實現(xiàn)控壓暫堵的關(guān)鍵。以實驗中絨囊修井流體封堵前后，地層水注入驅(qū)壓增幅和升壓時間表征流體封堵強度和起效速度，對比流體靜置不同時間后封堵性能變化。

實驗中，絨囊修井流體靜置0～64 h 后注入巖心柱塞，以重復注入地層水驅(qū)壓升至20 MPa 為節(jié)點，累計注入絨囊流體從1.5 mL 升至4.2 mL，驅(qū)壓升至20 MPa 所需時間從33.87 min 升至53.53 min，增幅58.04%。實驗表明，絨囊修井流體的封堵性能隨井筒中靜置時間延長存在緩慢衰減，但仍保持足夠的封堵性能。

現(xiàn)場6 口氣井中，絨囊修井流體提高上部低壓老氣層承壓能力8.50～13.31 MPa，初始封堵性能良好。GX-1 井、GY-1 井中，絨囊修井流體存留井筒48～72 h 后進入新層，提高地層承壓能力約12～13 MPa，封堵性能穩(wěn)定。計算6 口氣井下部新層揭開后瞬間損失液柱壓力介于2.7～8.0 MPa，控制平均漏速維持介于0.12～0.23 m3/h，達到上、下多套地層控壓暫堵一體化作業(yè)目標。

絨囊修井流體的封堵能力隨流體內(nèi)囊泡含量及其強度衰減而下降，通過優(yōu)選表面活性劑和大分子類型及加量比，控制井筒溫度和壓力環(huán)境下，流體中囊泡數(shù)量及其強度衰減速度緩慢，保持基本性能穩(wěn)定。對于以模糊封堵機理為核心的絨囊流體，無須依靠化學反應形成固態(tài)或近固態(tài)結(jié)構(gòu)，降低體系對環(huán)境溫度和壓力的敏感性，提高存留井筒中流體封堵性能的穩(wěn)定性。新層揭開瞬間，流體在漏失壓差作用下快速進入地層，控制地層中高壓氣體置換與井筒流體漏失，提高揭開新層與封堵新層的連續(xù)性，快速控制井筒流體漏失，緩解液柱壓力波動，維持上部氣層已有封堵效果的穩(wěn)定性，實現(xiàn)控壓暫堵一體化。

3.4 基質(zhì)與裂縫中儲層傷害程度較低

地層接替投產(chǎn)作業(yè)中，上部老氣層壓力系數(shù)較低，暫堵后氣體通道恢復能力弱。下部新氣層揭開瞬間井筒流體進入地層后，潛在儲層傷害風險也較高，要求絨囊修井流體暫堵后可快速返排，恢復地層產(chǎn)氣通道。盡管目前已有學者推薦使用流量法評價天然氣多層合采儲層傷害程度[23]，但考慮到多層接替時不同氣層能量差異較大，主要產(chǎn)氣層仍然單一，故仍然采用滲透率評價儲層傷害程度。對比實驗中絨囊修井流體返排后，裂縫與基質(zhì)的滲透率恢復率分布，如圖1 所示。

圖1 基質(zhì)與裂縫中滲透率恢復率分布圖

由圖1 可知，基質(zhì)滲透率恢復率88.03%～90.06%，均值89.24%，裂縫滲透率恢復率95.62%～97.70%，均值96.46%，氣體流動通道恢復能力良好。現(xiàn)場GX-1 井、GY-1 井修井作業(yè)結(jié)束后直接氣舉排液，流體返排率均超過90%，新氣層接替后氣井產(chǎn)量超過1.0×104m3/d，達到預期目標。研究表明，絨囊修井流體儲層傷害程度低，有利于保障新、老氣層作業(yè)后產(chǎn)量快速恢復，提高氣井多層接替穩(wěn)產(chǎn)效果。

4 結(jié)論

1）絨囊修井流體暫堵上部已投產(chǎn)低壓氣層后，預留一定體積于井筒底部，保持流體性能穩(wěn)定，提供打撈橋塞、沖砂等作業(yè)液體介質(zhì)。下部新層打開瞬間，流體快速進入新層后控制氣體置換與井筒流體漏失，維持液柱壓力穩(wěn)定。作業(yè)結(jié)束后，配合返排措施可快速恢復上、下氣層產(chǎn)氣能力，實現(xiàn)了下部氣層接替上部氣層投產(chǎn)作業(yè)控壓暫堵一體化。

2）絨囊修井流體預留井筒底部后，可快速控制新層揭開瞬間出現(xiàn)的高壓氣體置換和井筒流體漏失。此時，當井筒底部修井流體進入地層實施封堵后，需從井口及時注入常規(guī)清水修井液至充滿上部井筒空間，維持井筒液柱壓力始終穩(wěn)定，保證控壓效果。

3）天然氣井多種復雜漏失控制應用中，絨囊流體面對不同物性、不同壓力系數(shù)地層的封堵最小體積預測方法仍需攻關(guān)。通過井筒中絨囊流體體積達到或者略超過封堵最低體積，可最大程度降低單井用量，壓縮作業(yè)成本，進一步挖掘技術(shù)經(jīng)濟潛力。