元壩地區(qū)固井技術(shù)難點與對策探討

朱 弘

(中國石化南方勘探分公司研究院，四川成都 610041)

元壩地區(qū)固井技術(shù)難點與對策探討

朱 弘

(中國石化南方勘探分公司研究院，四川成都 610041)

川東北元壩地區(qū)面臨井深、高溫、高壓、固井安全密度窗口窄、防漏防竄矛盾突出等諸多技術(shù)固井難題。針對元壩地區(qū)已完成井固井質(zhì)量不穩(wěn)定、環(huán)空竄氣的現(xiàn)狀，創(chuàng)新性地在元壩15口井固井作業(yè)中使用了泥餅固化防氣竄固井技術(shù)，該技術(shù)有效提高了固井質(zhì)量,對下步該地區(qū)提高固井質(zhì)量、減少環(huán)空竄氣有一定的借鑒意義。

元壩地區(qū)；固井技術(shù)；泥餅固化；固井質(zhì)量

超深、超高溫、復(fù)雜壓力體系環(huán)境，并同時存在長裸眼、小間隙、窄窗口、漏失等固井難題，集中體現(xiàn)在元壩地區(qū)固井施工中，造成了世界級固井難題。固井質(zhì)量不穩(wěn)定、環(huán)空竄氣兩大問題已經(jīng)成為元壩氣田后續(xù)開發(fā)的隱患。近年來在川東北元壩地區(qū)先后采用了防氣竄水泥漿體系、防氣竄固井工藝技術(shù)及防氣竄工具等新體系、新工藝和新工具，井身結(jié)構(gòu)也不斷優(yōu)化，固井質(zhì)量有了明顯改善，但上述兩個問題卻依然存在。

1 地層特點

元壩地區(qū)固井面臨的主要地質(zhì)難點是“三高一低、一小一長、兩厚一大”，即高溫、高壓、高產(chǎn)，部分層位承壓能力低；部分開次套管的環(huán)空間隙小，封固的裸眼段長；長時間施工在井壁形成厚泥餅，嘉陵江組鹽層厚，長封固段的領(lǐng)、尾漿溫度差別大。地層由上到下存在6套壓力系統(tǒng)，見圖1。

圖1 元壩地區(qū)地層壓力系數(shù)分布圖

(1)上部陸相地層主要包括沙溪廟組、千佛崖組、自流井組和須家河組，其中，上沙溪廟組地層底部垮塌嚴(yán)重，承壓能力低；千佛崖組地層水敏性強(qiáng)；自流井組至須家河組地層是高壓裂縫性地層，噴漏同存，安全窗口狹窄。

(2)海相飛仙關(guān)和長興組氣層是主要目的層，埋藏深度都在7 000 m左右，屬于常壓氣藏，但儲層溫度高，最高達(dá)160 ℃，且含H2S和CO2；嘉陵江組五、四段地層的主要巖性是石膏和鹽，存在蠕動性膏巖層和高溫高含硫氣層，YB2井發(fā)生鹽膏層段擠毀套管的故障，YB102-側(cè)1井在鹽膏層段發(fā)生了卡鉆；嘉陵江組二段高壓水層發(fā)育；長興組礁灘相白云巖儲層壓力系數(shù)低，易發(fā)生滲透性漏失；茅口組-棲霞組地層為高壓地層[1]。

2 固井技術(shù)難點分析

(1)固井質(zhì)量不穩(wěn)定，產(chǎn)層井段固井合格率不高。近幾年在元壩探區(qū)234井次的固井中，合格井次204次，平均固井質(zhì)量合格率僅為87.17 %，詳見表1。2010年氣層段固井質(zhì)量合格率僅有71.43 %，固井質(zhì)量不穩(wěn)定。

(2)固井環(huán)空竄氣問題突出。HB1井完井時環(huán)空帶壓，SM1、JX1井固井完成后套管內(nèi)井噴，LJ2井技套在一次固井后發(fā)生了溢流氣竄。XQX1井φ193.7 mm尾管固井后氣竄明顯，對后期的測試作業(yè)造成了很大影響。據(jù)統(tǒng)計，元壩地區(qū)有13口井發(fā)生氣竄，其中YB205井表層套管與技術(shù)套管之間的壓力為16.5MPa，技術(shù)套管與油層套管之間的壓力為7.7 MPa；YB21井φ273.1 mm套管與φ193.7mm套管之間壓力高達(dá)30 MPa 。這些問題給后期鉆井施工、測試和開采作業(yè)帶來了安全隱患，制約了元壩地區(qū)的勘探進(jìn)程。

表1 2009-2011年元壩探區(qū)固井質(zhì)量情況統(tǒng)計

3 關(guān)鍵技術(shù)措施

沈忠厚院士指出，油井水泥環(huán)本身雖存在許多微裂紋，但它們不能形成連通通道，因此一般不會發(fā)生竄流。泥餅的存在使得固井二界面膠結(jié)強(qiáng)度很低，而泥餅無法實現(xiàn)固化，當(dāng)它受到浸泡、沖刷或干涸、拉裂等作用后便會脫離或產(chǎn)生微裂縫，形成氣竄通道。因此，泥餅的影響是引起元壩地區(qū)固井質(zhì)量不穩(wěn)定和環(huán)空氣竄的主要因素之一[2]。泥餅固化防氣竄技術(shù)在鉆井液和水泥漿不變條件下，實現(xiàn)了泥餅固化與界面交聯(lián)，解決了固井質(zhì)量不穩(wěn)定和環(huán)空氣竄的問題。

3.1 固井二界面泥餅固化機(jī)理

泥餅中只含有潛在的膠凝性礦物，其本身不具有固化性能，氣井水泥漿的固化反應(yīng)并不能引發(fā)泥餅的水化反應(yīng)，泥餅的固化仍需要可溶性活性離子浸入，激發(fā)其活性[3-4]。泥餅固化劑促使固井二界面泥餅固化的反應(yīng)實際上是一個動態(tài)的物理化學(xué)變化過程，整個反應(yīng)過程涉及到物理擴(kuò)散、物理化學(xué)吸附、鈉硅酸鹽膠凝硬化、石英的激活反應(yīng)、有機(jī)高分子聚合物脫水成膜、黏土礦物的解聚、水泥水化和活性離子的重新聚合。泥餅固化反應(yīng)流程如圖2所示。

圖2 泥餅固化反應(yīng)流程

固井二界面處原本松散的泥餅在泥餅固化劑的作用下已經(jīng)固化為凝餅，凝餅中的膠凝物質(zhì)和高分子聚合物交聯(lián)體通過對黏土礦物和鉆井巖屑的粘接作用和孔隙的填充作用，相互交錯連接，形成了三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了固井二界面的整體固化膠結(jié)，顯著提高了固井二界面膠結(jié)強(qiáng)度。

3.2 泥餅固化劑配伍性評價

GJE-Ⅰ型泥餅固化劑是疏液膠，是由鈉硅酸鹽、有機(jī)高分子聚合物等與水按一定比例配置的混合溶液，為多相不均勻分散體系，由固體顆粒以多分子聚集體分散于分散劑中形成；GJE-Ⅱ型泥餅固化劑是親液膠，是由鈉硅酸鹽、硫酸鹽、鈉堿等與水按一定比例配置的混合溶液，為單相均勻分散體系，由高分子化合物以單分子形式分散于分散劑中形成。目前這兩種固化劑已在元壩地區(qū)3 300 m左右井深技套固井、5 000 m左右井深高壓氣層尾管固井成功使用，配伍性良好。

3.3 元壩地區(qū)泥餅固化防氣竄固井技術(shù)方案

泥餅固化技術(shù)施工工藝簡單，泥餅固化劑與水泥漿和鉆井液(前置液)配伍性良好，在不用改變鉆井液和水泥漿性能的條件下，只需要在固井施工作業(yè)前向井筒內(nèi)注入2 m3GJE-Ⅰ型泥餅固化劑(保證其與井壁泥餅接觸時間達(dá)到70 s)，再注入4 m3GJE-Ⅱ型泥餅固化劑(確保其與井壁泥餅接觸時間達(dá)到140 s)，接著注入3～5 m3低密度領(lǐng)漿，最后按照設(shè)計密度水泥漿固井，直至施工結(jié)束。

GJE-Ⅰ型泥餅固化劑密度是1.11 g/cm3，GJE-Ⅱ型泥餅固化劑密度是1.05 g/cm3，做固井設(shè)計要充分考慮到氣層壓穩(wěn)。低密度領(lǐng)漿密度的確定方法可以參照：若水泥漿密度為2.1 g/cm3以上，低密度領(lǐng)漿密度可為1.80～1.90 g/cm3；若水泥漿密度為1.90～2.1g/cm3，低密度領(lǐng)漿密度可為1.65～1.75 g/cm3；若水泥漿密度為1.55～1.70 g/cm3，低密度領(lǐng)漿密度可為1.45～1.50 g/cm3，低密度領(lǐng)漿密度具體值以單井配伍性實驗結(jié)果為準(zhǔn)。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

2013年，泥餅固化防氣竄技術(shù)首次在YB211井尾管固井中進(jìn)行了現(xiàn)場試驗，固井施工正常順利，固井一、二膠結(jié)質(zhì)量均為優(yōu)質(zhì)。為了驗證該技術(shù)在相同層次相同類型探井中的使用效果，相繼在YB107、YLH-1、YL28井技術(shù)尾管及YL11等井完井尾管和YL20等井技套固井，共計15口井18井次進(jìn)行了現(xiàn)場試驗，固井施工正常順利，固井一、二界面質(zhì)量合格率100 %。與2011年及以前元壩地區(qū)未使用該項技術(shù)對比：技套固井質(zhì)量合格率提高19.70%，氣層固井質(zhì)量合格率提高15.56%，且固井質(zhì)量優(yōu)良率達(dá)到了83.3 %，尤其是固井二界面膠結(jié)質(zhì)量較以前有了大幅度提高，泥餅固井防氣竄固井技術(shù)使用效果明顯。

5 結(jié)論與建議

(1)泥餅固化防氣竄固井技術(shù)大幅度提高了元壩地區(qū)深井固井質(zhì)量，且層間封隔能力和防氣竄效果顯著，滿足后期酸化壓裂的要求。該新技術(shù)試驗井中已測試的YL11、YL12、YL20、YL27井和YB211、YB107井，均獲得了工業(yè)氣流。

(2)該新技術(shù)施工工藝簡單，泥餅固化劑與水泥漿和鉆井液(前置液)配伍性良好，完全能滿足深井固井施工安全要求。

(3)該技術(shù)實現(xiàn)了鉆井液和水泥漿不變條件下水基鉆井液泥餅的化學(xué)固化和界面交聯(lián)。

(4)要進(jìn)一步加強(qiáng)泥餅固化劑與2.4 g/cm3以上高密度水泥漿及油基泥漿的配伍性研究；改進(jìn)泥餅固化劑，提高泥餅固化劑與高密度水泥漿的配伍性；開展降低泥餅固化劑用量的研究，以便更好地壓穩(wěn)氣層。

(5)建議開展提高超深井第二界面膠結(jié)質(zhì)量固井技術(shù)研究。目前國內(nèi)尚沒有在海相氣層超深井中(6 000～8 000 m)使用泥餅固化劑的先例，開展此項研究可以提高海相氣層超深井的固井質(zhì)量和環(huán)空封隔能力。

[1] 李真祥，高航獻(xiàn). 元壩地區(qū)超深探井復(fù)雜地層固井難點及對策[J].石油鉆探技術(shù)，2010，38(1)：20-25.

[2] 顧軍. 論固井二界面封固系統(tǒng)及其重要性[J].鉆井液與完井液，2005，22(2):7-10.

[3] 劉浩亞，邵春.不同條件下泥餅固化提高固井二界面膠結(jié)強(qiáng)度的實驗研究[J].石油與天然氣化工，2012,41(2):191-195.

[4] 曾艷軍，唐偉軍，張凱，潘利，郜海波，周峰.油基鉆井液水平井固井技術(shù)在川渝地區(qū)的應(yīng)用[J].石油地質(zhì)與工程，2014，28(6)：106-108.

編輯：李金華

1673-8217(2015)03-0119-03

2015-01-19

朱弘，1987年生，2010年畢業(yè)于重慶科技學(xué)院石油工程專業(yè)，現(xiàn)從事鉆井現(xiàn)場管理工作。

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