管外封隔器固井技術在臨興地區(qū)淺層氣井的應用

李 建，和鵬飛，馮 雷，王 烊，王 濤，李洪磊

（1.中海油能源發(fā)展股份有限公司山西分公司，山西晉中 030600；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司監(jiān)督中心，天津 300452）

淺層氣埋深淺，能量足，開發(fā)周期短，成本低，具有較高開發(fā)價值。鄂爾多斯盆地臨興區(qū)塊在紫金山構造儲藏著豐富的淺層氣，最近三年進行了規(guī)模開發(fā)，成效顯著。由于淺層氣井埋藏淺、壓力高，在鉆井作業(yè)過程中風險極高，極易發(fā)生井涌、井噴等事故，特別是固井作業(yè)，封固難度大，在水泥漿凝固過程中易發(fā)生氣竄，出現(xiàn)環(huán)空帶壓情況。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(nèi)外還沒有很好解決的影響固井質(zhì)量的難題，其中最關鍵和危險的問題就是氣竄[1]。管外封隔器固井技術通過阻斷油氣上竄通道，保持環(huán)空壓力穩(wěn)定，可以實現(xiàn)淺層氣的封固，解決淺層氣井開發(fā)難題，實現(xiàn)了臨興地區(qū)淺層氣井的安全、優(yōu)質(zhì)開發(fā)。

1 臨興區(qū)塊淺層氣情況

（1）淺層氣井區(qū)位于鄂爾多斯盆地臨興區(qū)塊紫金山構造帶北部，整體為北西—南東走向的背斜構造。鄂爾多斯盆地東緣發(fā)育中上元古界、下古生界的海相碳酸鹽巖層、上古生界—中生界的濱海相、海陸過渡相及陸相碎屑巖層，新生界僅在局部地區(qū)分布。其中中生界紙坊組及和尚溝組為淺層氣井區(qū)主要油氣勘探開發(fā)層系，氣層孔隙度主要分布在10 %～16 %，滲透率主要分布在0.6 mD～11 mD（見表1）。

表1 地層信息

（2）根據(jù)已鉆井的實測值以及地震資料進行預測，紙坊組及和尚溝組氣層壓力系數(shù)分別為1.55 和1.33，屬于異常高壓儲層。

（3）淺層氣井大部分為大斜度定向井，采用二開井身結構，一開Φ311.15 mm 井眼鉆進至氣層以上，進入基巖20 m 中完，下入Φ244.5 mm 套管。二開Φ215.9 mm井眼鉆開氣層，鉆進至完鉆井深，下入Φ139.7 mm 套管（見表2）。

表2 井身結構

（4）前期完成的部分淺層氣井出現(xiàn)溢流、井漏等復雜情況，固井作業(yè)出現(xiàn)氣竄致使環(huán)空封固質(zhì)量不合格和環(huán)空帶壓。

2 固井技術難點與對策

2.1 技術難點

地層松軟、疏松、不成巖，水泥石無法與井壁形成有效膠結[2]。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(zhì)水泥環(huán)的形成，影響封固質(zhì)量[3]。淺層氣井固井作業(yè)需要全封，井底壓力高，易發(fā)生漏失。另因淺層氣井溫度低，在40 ℃左右，水泥漿稠化時間不易控制，凝固期間易發(fā)生水泥漿失重導致氣竄。最上部氣層在200 m 以內(nèi)，容易誘發(fā)氣竄，難以實現(xiàn)壓穩(wěn)；前期已完成部分井出現(xiàn)固井質(zhì)量差，呈現(xiàn)“糖葫蘆”形狀并有環(huán)空帶壓情況。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[4]的技術和措施使用后沒有取得明顯效果。

2.2 技術對策

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[5]。在總結分析國內(nèi)外淺層氣井開發(fā)經(jīng)驗的基礎上，制訂了適合臨興地區(qū)的管外封隔器+防氣竄水泥漿固井技術：

（1）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[6]。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)空密封效果和用于氣井封固防竄方面的應用[6]。通過分析對比，選擇水力膨脹式封隔器加放在套管重合段，在頂替結束后進行漲封，以阻斷氣體上竄通道，保持環(huán)空壓力穩(wěn)定，實現(xiàn)淺層氣的良好封固（見圖1）。

（2）采用快凝防氣躥水泥漿體系，采取兩凝稠化，提高水泥石的彈韌性，控制尾漿直角稠化。提高對氣層的封固能力，使用低密度水泥漿替代部分前置液以減少對氣層的擾動。利用領漿在尾漿凝固過程失重的情況下實現(xiàn)壓穩(wěn)地層。稠化時間控制在90 min 以內(nèi)并加入晶格膨脹劑以降低水泥漿稠化失重時的氣竄影響，水泥漿中加入纖維提高地層的承壓能力防止地層發(fā)生漏失，采用塞流頂替模式提高頂替效率減小漏失風險。

3 應用效果

圖1 套管封隔器結構圖

（1）通過對比，選擇使用渤海鉆探的TWF140 型封隔器，放置在套管重合段。TWF 型系列套管外封隔器是采用膨脹膠筒為密封元件，以組合閥系控制座封的永久式套管外封隔器，主要用于復雜油、氣、水井完井工程作業(yè)中，以實現(xiàn)各種目的的井下封隔與橋堵，對改善和提高油、氣、水井的固井完井質(zhì)量有顯著作用。該工具操作簡便、性能可靠、適應性強，是一種重要的固井完井工具。

在施工過程中，當頂替膠塞通過封隔器控制閥系統(tǒng)時，將密封在進液孔上的斷開桿碰斷，打開進液孔。當頂替膠塞運行到浮箍處時，使套管內(nèi)形成密封并開始憋壓，液體經(jīng)控制閥系統(tǒng)的進液孔進入開啟閥，當壓力達到設定值時開啟閥上的銷釘被剪斷，開啟閥打開，液體流經(jīng)單流閥、限壓閥進入中心管與膠筒間的膨脹腔內(nèi)，使封隔器膨脹與上層套管緊密接觸形成密封。

TWF140 型封隔器可承壓10 MPa～35 MPa，開啟閥銷釘剪斷壓力在9.0 MPa～10.0 MPa，現(xiàn)場施工時留3.0 MPa～4.0 MPa 的安全壓力。現(xiàn)場頂替結束碰壓后緩慢加壓，開啟閥銷釘剪斷，封隔器膨脹座封，穩(wěn)壓3 min～5 min 使封隔器充分膨脹，然后迅速放壓至零，各閥關閉，自鎖完成座封。

（2）優(yōu)選水泥漿配方，提高防氣竄性和封堵性。

領漿配方：G 級水泥+1.5 %防氣竄劑+0.6 %減阻劑+43 %現(xiàn)場水

尾漿配方：G 級水泥+1 %降失水劑+1.5 %流型調(diào)變劑+1.5 %防氣竄劑+0.5 %減阻劑+2 %晶格膨脹劑+纖維+42.5 %現(xiàn)場水

通過纖維提高地層封堵性和晶格膨脹劑提高水泥石飽滿度及補償體積收縮。使用低密度水泥漿替代部分前置液以減少對氣層的擾動，在滿足15 min 的安全時間的前提下，盡量縮短稠化時間實現(xiàn)直角稠化，實際作業(yè)中基本控制在90 min 左右。采用0.3 m3/min 塞流頂替，提高頂替效率降低漏失風險。

（3）管外封隔器固井技術在臨興地區(qū)淺層氣的鉆井作業(yè)中得到了大規(guī)模的應用，解決了淺層氣井固井作業(yè)的難題，淺層氣井固井質(zhì)量大幅提升，未再出現(xiàn)環(huán)空帶壓情況。

4 結論

管外封隔器固井技術通過把水力膨脹式封隔器加放在套管重合段，以阻斷氣體上竄通道，保持環(huán)空壓力穩(wěn)定，可以完成對淺層氣的良好封固，實現(xiàn)淺層氣井的安全、優(yōu)質(zhì)開發(fā)，值得在淺層氣井鉆井作業(yè)進行推廣應用。