云應鹽穴儲氣庫固井技術

李海偉，李夢雪

（中國石油西氣東輸管道公司，上海 200122）

云應鹽穴儲氣庫位于湖北省云夢縣和應城市境內(nèi)，是為西氣東輸二線配套的一座大型地下儲氣庫，其主要功能是為西氣東輸二線下游市場的安全穩(wěn)定運行提供季節(jié)調(diào)峰和應急采氣。造腔目的層為古近系膏鹽組鹽巖段1-16 鹽群，設計井深800 m。YK1-1井是云應儲氣庫庫區(qū)內(nèi)第一口資料井，井型為直井，位于江漢盆地云應凹陷應城向斜程謝次凹，鉆遇地層層序自上而下依次為第四系、古近系，完鉆層位是古近系膏鹽組鹽巖段16 鹽群底。鉆探目的獲取含鹽地層內(nèi)部鹽層、隔夾層的地質資料及鹽巖段巖心資料，為開展造腔試驗提供地質依據(jù)[1]。YK1-1井實鉆一開φ444.5 mm 鉆頭鉆至172 m，φ339.7 mm 表層套管下至171.05 m；二開實鉆是φ215.9 mm 取心鉆頭鉆至 730 m 完鉆，φ311.2 mm 鉆頭 171.05 m～730 m 擴眼，φ244.5 mm 生產(chǎn)套管下至557.1 m。

1 固井技術難點

（1）云應儲氣庫造腔段為多夾層交互層，鹽層埋藏淺，井底溫度偏低。從云資1井井溫資料來看，井深500 m 處對應的溫度為34.47℃，600 m 處對應的地溫為36.86℃，井底溫度低。低溫下水泥石強度發(fā)展緩慢，優(yōu)選高性能的鹽水水泥漿配方困難，常規(guī)降失水劑與早強劑不配伍[2]。國內(nèi)沒有針對淺鹽層固井的外加劑，深井鹽井固井的水泥漿體系在低溫下長期不凝。常規(guī)聚合物鹽水水泥漿經(jīng)室內(nèi)試驗驗證，配方難調(diào)，綜合性能差，難以保證固井質量[3]。

（2）云應鹽穴儲氣庫上部地層承壓能力低，施工過程中易發(fā)生漏失，保證水泥漿上返至地面困難。固井過程中如果替漿排量大或水泥漿密度高，易發(fā)生漏失。水泥漿返不到井口，由于坐封了套管頭，無法從環(huán)空灌注。考慮上部地層低壓易漏，采用低密度水泥漿固井是比較可行的辦法，但是國內(nèi)目前尚沒有成熟的低密度鹽水水泥漿外加劑及水泥漿體系。

（3）上部地層易漏，固井時不允許采用大排量頂替，提高頂替效率困難，尤其是在井徑不規(guī)則井段。

（4）云應鹽穴儲氣庫要求φ244.5 mm 生產(chǎn)套管在鹽巖層至少20 m井段固井質量良好，且還要有效封固蓋層段、泥巖段及上層套管[4]，優(yōu)選綜合性能好的鹽水泥漿配方及保證鹽水水泥漿性能困難。

（5）云應鹽穴儲氣庫為國內(nèi)最淺的鹽穴儲氣庫，設計注采氣壓力僅為4 MPa～11 MPa。加之鹽穴儲氣庫井運行時間長，長期經(jīng)受交變應力的影響[5]，水泥石要長期承受交變應力的影響，對水泥環(huán)的膠結質量及長期密封性能要求高。

2 固井技術措施

云應鹽穴儲氣庫與金壇、楚州、平頂山鹽穴儲氣庫、常規(guī)油氣井固井有很大區(qū)別，固井難度大、要求高，特別是低溫早強穩(wěn)定性好抗鹽水泥漿配方、大尺寸井眼提高頂替效率的綜合措施、水泥環(huán)的長期膠結性能，因此對固井施工的各個環(huán)節(jié)提出了更高要求[6]。根據(jù)近期鹽穴儲氣庫固井施工情況及相應固井措施的現(xiàn)場應用，采取以下針對性措施和施工方案大大降低固井施工風險，有效提高云應儲氣庫YK1-1井固井質量。

2.1 井眼準備

通井過程采用原有鉆具組合，下至井底后對鉆井液進行充分循環(huán)，確保井壁穩(wěn)定、井眼暢通、無沉砂、無坍塌[7，8]。下套管過程中及時灌漿，待下完套管灌漿完畢后，單凡爾小排量頂通水眼，建立循環(huán)后再逐漸增加排量，充分循環(huán)鉆井液2 周以上，同時處理鉆井液，調(diào)整好鉆井液性能，降低黏切，增加流動性，為固井施工創(chuàng)造良好的井眼條件。為防止固井過程中底部發(fā)生竄漿，生產(chǎn)套管管腳下部157.9 m井段鉆井液采用黏度為120 s 以上稠漿對鉆井泥漿進行置換墊底。

2.2 管串設計與扶正器安放

現(xiàn)場根據(jù)實測井徑情況，合理安放扶正器，避開大肚子井段，提高套管居中度，保證環(huán)空中水泥漿的流速分布均勻，防止替漿時環(huán)空中出現(xiàn)竄槽現(xiàn)場，保證水泥漿均勻上返。

2.2.1 管串設計 φ244.5 mm 引鞋（底端密閉可鉆）+φ244.5 mm 帶旋流孔套管（套管底部固定兩個水泥傘）1 根（長度不少于 11 m）+φ244.5 mm 浮箍+變扣短節(jié)（LTC 公扣×氣密封母扣）+φ244.5 mm 氣密封套管+變扣（LTC 母扣×氣密封公扣）+φ244.5 mmLTC 聯(lián)頂節(jié)。

2.2.2 扶正器安放 下部50 m井段每根套管加1 只扶正器，井底以上50 m～200 m井段每2 根套管加一只扶正器，井底以上200 m 至井口每3～4 根套管加一只扶正器，扶正器加在套管接箍上。

2.3 前置液體系優(yōu)化

為保證沖洗液和鉆井液有好的相容性，保證對第一界面、第二界面良好的沖洗，同時考慮到?jīng)_洗液能保證井壁的穩(wěn)定，減少對鹽層的沖蝕，考慮到現(xiàn)場的可操作性及綜合成本，最后確定采用飽和鹵水作為YK1-1井固井的沖洗液，共計注入10 m3。經(jīng)測定，飽和鹽水沖洗液的塑性黏度為0.021 Pa·s，動切應力為0.88 Pa。

2.4 DRB-3S+JSS 鹽水水泥漿體系

為提高含鹽水泥漿的性能，優(yōu)選了DRB-3S 增強材料來提高水泥漿的綜合性能。增強材料DRB-3S 是基于緊密堆積理論[9]，含有多種活性材料成分，通過顆粒級配而形成的一種礦物粉末，摻入水泥漿中，使水泥漿具有極好的懸浮穩(wěn)定性和密實性，并能顯著提高水泥漿的抗壓強度、失水等性能，使其滿足封固目的層性能要求[10]。JSS 降失水劑是通過多元共聚反應制得的一種水溶性多元共聚物。JSS 在含鹽條件下一方面能形成均勻穩(wěn)定的水泥懸浮體系，起到良好的失水控制作用；另一方面，降失水劑具有較強的活性結構，其控制官能團在水泥體系中盡管有較強的吸附作用（-CONH），但不會對水泥顆粒的水化進程和水化速度產(chǎn)生較強的抑制作用，這樣能夠保證水泥漿在短時間內(nèi)形成較高的結構強度和骨架結構，即使在較低的溫度環(huán)境下，水泥漿也能具有較好的強度發(fā)展。FSS 是具有高度磺化度的聚合物縮合體，能夠有效降低含鹽水泥漿的稠度，改善水泥顆粒的分散狀態(tài)，隨著摻量的增加可以略微延長水泥漿的稠化時間，且能夠消除水泥漿的膠凝結構，使水泥漿在較長的時間內(nèi)保持可泵狀態(tài)，同時在一定的摻量情況下能夠增加水泥石的早期強度[11]。

2.4.1 水泥漿性能與配方 根據(jù)YK1-1井地質、鉆井特點，以及鹽穴儲氣庫對水泥漿性能的要求，利用現(xiàn)場鹽水、淡水和水泥在室內(nèi)進行了大量的配方篩選工作，確定了適用于φ244.5 mm 套管固井的水泥漿配方，配方如下。

上部井段：G 級高抗硫油井水泥+2.5%～4.0%抗鹽降失水劑+7%～12%DRB-3S 增強材料+1.2%～2.5%分散劑+鹽水+調(diào)凝劑。

下部井段：G 級高抗硫油井水泥+2.5%～4.0%抗鹽降失水劑+7%～12%DRB-3S 增強材料+1.2%～2.5%分散劑+鹽水+調(diào)凝劑。

2.4.2 水泥漿特性（見表1）

表1 DRB-3S+JSS 抗鹽水泥漿配方及性能

（1）良好的漿體穩(wěn)定性：DRB-3S+JSS 鹽水水泥漿體系具有良好的穩(wěn)定性，隨著JSS 加量的增加，水泥漿趨于穩(wěn)定，在JSS 含量大于3.0%以上時，水泥漿的游離水可以控制在0 mL。

（2）良好的降失水性能：DRB-3S+JSS 鹽水水泥漿體系具有良好的降失水性能，隨著JSS 加量的增加，水泥漿失水量逐漸減小，在JSS 含量為3.5%以上時，可以將水泥漿的失水量控制在100 mL 以內(nèi)。JSS 降失水劑之所以具有好的降失水效果，是因為JSS 大分子在溶液中，通過氫鍵作用形成膠狀聚集，這種穩(wěn)定的凝膠聚集物能夠楔入水泥濾餅的微孔結構，有效降低了濾餅滲透率[12]。另外，這些高分子鏈上的極性基團吸附在水泥顆粒表面，以其吸附、溶劑化作用以及對不同粒度水泥顆粒的級配作用，形成結構致密的水泥濾餅，從而有效降低了水泥漿的失水量。

（3）較強的抗鹽性能：由于JSS 共聚物中引入了強水化性能的磺酸鹽基團和鏈剛性基團，使共聚物具有很強的抗鹽、抗污染能力，JSS 的抗鹽能力隨著溫度的升高，失水量僅有略微的上升。

（4）稠化時間易調(diào)：JSS 抗鹽水泥漿體系在溫度低時緩凝因子不會發(fā)生作用，基本不會影響水泥漿的水化作用，溫度升高時使得分子結構上潛在的緩凝因子得到激發(fā)，從而延長了水泥漿的稠化時間。

2.5 其他配套固井技術

（1）固井前進行地層承壓試驗，以此為依據(jù)優(yōu)化固井施工排量及水泥漿密度，為固井設計及現(xiàn)場施工提供依據(jù)。

（2）為有效減少套管內(nèi)水泥漿與鉆井液混為一體，采用上、下雙膠塞固井。

（3）固井前先用單泵低排量頂替，待平穩(wěn)后再加大排量注入低密度水泥漿，水泥漿密度控制在1.50 g/cm3～1.60 g/cm3；然后注入常規(guī)密度水泥漿，水泥漿密度控制在1.90 g/cm3～1.95 g/cm3，排量控制在1.5 m3/min～1.8 m3/min。注水泥過程中切實保證施工連續(xù)，水泥漿密度均勻。

3 現(xiàn)場施工

準備作業(yè)就緒后開始固井施工作業(yè)。循環(huán)處理鉆井液，循環(huán)排量2.2 m3/min，調(diào)整鉆井液密度1.35 g/cm3，黏度 39 s，初切 1.1 Pa，終切 2.5 Pa，慮失量 5.1 mL/30min，含砂 0.3%，pH 為 9。管線試壓 15 MPa，10 min 壓力不降。注前置液 10 m3，密度1.1 g/cm3，排量 1 m3/min；壓下膠塞2.5 m3，密度1.1 g/cm3；注低密度水泥漿 3 m3，平均密度1.58 g/cm3；注高密度水泥漿35 m3，平均密度1.93 g/cm3，最高壓力 1.8 MPa；壓上膠塞 2 m3，壓力0.2 MPa。換水泥車頂替 18.2 m3，密度 1.35 g/cm3，壓力5 MPa；碰壓9 MPa，水泥漿返出地面11 m3。憋壓候凝72 h 后鉆開浮箍浮鞋進行聲波、變密度聲幅測井。檢測結果顯示，全井封固質量合格，符合鹽穴儲氣庫固井質量要求[13]（見圖1）。

圖1 YK1-1井φ244.5 mm 生產(chǎn)套管460 m～510 m井段聲幅測井曲線圖

4 結論

（1）采用飽和鹽水前置液、低密度水泥漿、中間漿、尾漿的環(huán)空液柱結構并配合套管居中等技術措施，提高了在“大肚子”及不規(guī)則井段的頂替效率。

（2）DRB-3S+JSS 鹽水水泥漿體系具有抗鹽性好、高早強、稠度適宜、漿體穩(wěn)定性好等特點，漿體的整體性能好，水泥漿配方易于調(diào)節(jié)，能滿足云應鹽穴儲氣庫固井的各項技術要求。

（3）形成了適應云應鹽穴儲氣庫固井的低溫下綜合性能好的鹽水水泥漿配方，解決了低溫鹽水水泥漿配方稠化時間難調(diào)、早期強度發(fā)展慢、失水量控制難等技術難題，為今后鹽穴儲氣庫固井技術發(fā)展奠定基礎。