（石油与天然气工程专业论文）川东北海相高压气井固井技术研究与应用.pdf

川东北海相高压气井固井技术研究与应用 论文作者：孙健( 石油与天然气工程) 指导教师：步玉环( 副教授) 李延伟( 高级工程师) 摘要 川东北探区钻探目的层主要以飞仙关组、嘉陵江组天然气藏为主，完 钻井深大多在5 0 0 0 6 0 0 0 m 。由于地质构造特征复杂，目的层埋藏深，具有 高温、高胜、j 土力层系多、压力梯度差异大的特点，造成固片作业难度大。 针对| i 东北高压气井固井质量合格率低，固井质奄成为制约川东北探区勘 探开发正常发展的瓶颈这一难题，进行了影响固井质悬因素的调研与分析。 对天然气的气侵、气窜机理进行了理论分析，对防窜问题进行了研究，确 定rj f i 东北高压气井同井合理的压稳设计计算方法，确定j ，压稳系数f s u r 。 在水泥浆体系方面进行了针对性的理论研究、窄内试验与现场应用。摸索 出一套适合川东北高压气井固井的抗高温非渗透防气窜d z j 一2 f s a m 膨胀 型高密度水泥浆体系和l x 2 0 0 胶乳防气窜水泥浆体系。针对川东北高压气 井涌、漏h 层，压力窗口窄的固井难题对新型油井水泥添加剂a n t i l e a k a g e f i b e r 纤维进彳了研究及室内评价，应用添加该纤维的水泥浆体系能疑著提 高同井质量，起到剂多效的作用。研制出耐高温，适用- f 川东北矿化度 较高的井下环境使用，密度在l1 23 9 c m 3 可任意调节的m s r 前置液体系。 通过在普光构造、老君构造、清溪构造、通南巴构造：毛坝构造十多【_ 】井 的成功应用，证明该技术适用于川东北探区，能够保证并提高崮井质且， 实现中石化川东北勘探丌发远景目标。 关键词：川东北，高压，水泥浆，防气窜，固井 s t u d yo nc e m e n t i n gt e c h n o l o g yo fh i 曲p r e s s u r eg a s w e l l f o rm a r m ep h a s ei nn o r t h e a s ts i c h u a n s u nj i a n ( o i la n dg a se n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db y a s s o c i a t ep r o f e s s o rb uy u - h u a na n dl iy a n - w e i a b s t r a c t t h en a t u r a l g a s r e s e r v o i ri nn o r t h e a s ts i c h u a ne x p l o r a t i o nb l o c ki s g e o l o g i c a l l yn a m e db yf e i x i a n g u a ng r o u p ，j i a l i n g j i a n gg r o u p ，a n dm o s tc o m p l e t i o nw e l ld e p t hr a n g eb e t w e e n5 0 0 0 ma n d6 0 0 0 m d u et ot h e s ec o m p l e x g e o l o g i c a ls t r u c t u r ea n dd e p t ho ft a r g e tz o n e ，ht h p m u l t ip r e s s u r eg r a d i e n t a n dd l f f e r e n t m l a l w a y sc a u s ep r o b l e m s f o rc e m e n t i n go p e r a t i o nh o wt o i m p r o v ec e m e n t i n gq u a l i t y , g a sc h a n n e l i n g m e c h a n i s ma n d p r e v e n t i n o n m e a s u r e sa r es t u d i e di nt h i sp a p e rar e a s o n a b l eb a l a n c e dp r e s s u r ec e m e n t i n g p r o g r a m m ea n dc o e f f i c i e n tf s u rf o rl i pg a sw e l li n n o n h e a s es i c h u a na l e d e t e r m i n e dah i g hd e n s i t y , g a sc h a n n e l i n gp r e v e n t i o ns l u r r ys y s t e ma d d e dw i t h d z j 一2 f s a m ，l a t e xs l u r r yl x 2 0 0a r ed e v e l o p e de s p e c i a l l y f o rt h o s eh i g h p r e s s u r eg a sw e l l st os h o o tt h ep r o b l e mo fk i c k o u ta n dl e a k a g eo c c u r i n gi nt h e s a m el a y e r , a n t i l e a k a g ef i b e ri ss t u d i e da n dt e s t e di nl a bt od e m o n s t r a t ei t s c a p a c i t yf o ri m p r o v i n gc e m e n t i n gp r o b l e m s m s - rp r e f l u s h w i t had e n s i t y b e t w e e n1 ，lg c m 3a n d23 9 c m 3h a sb e e nd e v e l o p e df o rah i g hi o n i cu n d e r h o l e c o n d i t i o n si nn o r t h e a ts i c h u a nt h ee n t i r et e c h n i q u eh a sb e e na p p l i e di no v e r t e n w e l l sd i s t r i b u t e di n p u g u a n gs t r u c t u r e ，l a o j u ns t r u c t u r e ，q i n g x i s t r u c t u r e ，t o n gn a n b as t r u c t u r e a sw e l la sm a o b as t r u c t u r ea p p l i c a t i o n s s h o w e dt h a tt h et e c h n i q u ei sa b l et oi m p r o v ec e m e n t i n gq u a l i t ya n ds u i t a b l ef o r t h ee x p l o r a t i o no f t h i sa r e a k e yw o r d s ：n o r t h e a s ts i c h u a n ，h i g hp r e s s u r e ，s l u r r y , g a sc h a n n e l i n gp r e v e n t i o n ， c e m e n t i n g 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取褥 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国石油大 学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 。：旷 签 名：凼：兰坠 土- 0 年 。 月 f o 口 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学俯论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印f ，| 及电子版，允许论文被连阅和倡阅：学校可以 公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩 或其他复制手段保存论 文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名： 导师签名： z ，生 葺量：亟： ) 0 9 年 月 ，。日 1 7 年年月，厂日 中国石油大学( 毕东) 工程硕士论文第l 蕈前言 第1 章前言 | f 东北地区位于四川省东北部，是中石化南办勘探开发分公司的：e 要勘探区块，地跨四川省达州、巴中及周边地区，i | i 要的h 标地质构造 包括普光构造、毛坝构造、清溪构造、双庙构造、大湾构造、黑池梁构 造、通南巴构造和元坝构造等海相地层。区内沉彩 地层主要划分为海相 沉积下组合( 震旦系志留系) ，海相沉积上组合( 志留系二叠系三叠系 一侏罗系) 和陆相沉积上组合( 侏罗系一自垩系) 。随着2 0 0 2 年底第一口完 成爿毛坝1 片在飞仙关- 三段发现了岛广天然7 i 从，近年来，招继在普咒l 井、河坝l 井、清溪1 井发现了高产天然气流，在川东北勘探中取得了 重大突破，累计获得各类天然气地质储2 7 9 4 】7 r1 0 8 r n 3 ，勘探大场丽已经 形成。 j f l 东北地区是以含天然气为主的碳酸盐岩裂缝型油气藏。川东北海 栩钻井以5 0 0 0 6 0 0 0 m 的新区深探j # 为主，备具复杂性的陆、海相地层。 由于四川盆地的压扭性特点和复杂的构造戍力作用，川i 东北地区地下地 质情况非常复杂，呈现出诸多复杂的地质构造特缸 ，为完井、固井t 程 带来了许多难题。 上部陆相地层高陡构造倾角大，坍塌严莺。下部海楣地层含多套压 力系统，且有含硫化氢的超高压天然气层以及盐水层、盐膏层、易漏失 地层等。在钻井施工中频繁描现垮塌、并漏、喷漏同存、气侵。 四川盆地存在以下特殊地质情况：川东地区产层以天然气藏为主， 地层压力和产层压力高；油气水冠示层位和压力层系多：受裂缝的影晌， 同产层的地层压力梯度差异大；目的层埋藏深；地层含多种腐蚀性介 质，大部分井要钻遇石膏层、膏盐层、煤层等复杂地层，除产层天然气 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文第l 章前言 以外，还伴随有心s 、c 0 2 等酸性气体。 受这些因素的影响，不仅使钻井面临许多方面的复杂情况，也使钻 井中各个阶段的固井条件变得复杂，使得每轮井周井完成后，总要留下 部分遗憾，影响到设计该层套管的初衷，以及继续钻井过程中的井控安 全，这种影响进而出现在产层套管固井中，最终得到的只是耗资不菲的 次品。影响勘探开发总体目标的实现。 2 中国石油大学( 华东) 工程硕l 论文筇2 章川j 、北薜榭离址气押围， 现状 第2 章川东北海相高压气井固井现状 2 1 川东北海相气井固井的复杂条件 21 1 川东北海相气井井身结构设计的特殊性 j l i 东北海相深井井身结构设计，是以实现综合优化为日标的。在确保 井控安全和完成地质设计任务”的前提下，优化钻片速度、缩短建井周期、 减少井下复杂情况、保护己钻开的储层。 目前大多数井仍然在采用传统方法钻井，控串t j - - 次开钻钻头尺寸以提 岛钻速也依然在采用。有限的锚又、套辑尺、j 组f i 使7 ： 在进j i 井身设计时， 第一层技术套管必须有较大的下深，封隔钠序2 8 0 0 3 9 0 0 m 的整个陆相地 层，或更进一步将第一层技术套管下今更深的海年| l 地层进行封隔，以保证 视为“风险钻井”的海相主要储层段能干f | 对安全钻井，使其能有更多的可 能用套管分隔压力系数差别较大的小m 储层，以降f 氏j t ：控风险和硫化氢气 体溢出的危害，以及保护已铀歼的储层。 工】此，毛，儿设计给第一层技术套 管固井提出了大尺寸、小问隙、长封段问片的特殊要求。 由于j i l 东北为一新医，钻井地质条件具有小可预见性，合理的井身结 构设计必须要进行实钻跟踪，以致修改设计来进行补充，达到完善钻井工 程设计的目的。修改设计以及井身结构设计设计的预留余地，钻井设计中 设计了非常用尺寸套管柱，这就要求对需要的设计井段进行特殊的小于常 规间隙的固井。 21 2 陆相地层固井的复杂技术条件 川东北地区钻井第一层技术套管圈井以封隔陆相地层为主要目的。陆 相地层砂、泥岩互层，地层压力系数大多趋j 二常压，泥、页岩水敏性坍塌， 在一些区块要发生自然漏失。看似简单的钻井井段，当需要平衡陆相地层 3 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文第2 章川东北海相高压气井固井现状 因水化而增加的坍塌压力、陆相地层偶见的异常压力以及需要适当钻入海 相略高的压力地层，因此提高了钻井液密度时，大部分井都会出现不同程 度的漏失。地层承压能力较低，漏失井段因井眼长丽变得较难确定。为了 维持正常钻井和固井的井眼准备，曾经花费较多时间去进行提高地层承压 能力的工作。又由于技术套管多数要面临高压井控的原因，两级注水泥暂 不能成为解决地层承压能力和水泥低返问题的技术支撑”1 。 2 1 3 海相地层固井的复杂技术条件 海相地层井段的中间套管或产层套管以封隔不同压力的储层为主要目 的。海相碳酸盐岩储层段孔洞、裂缝发育，地层压力系数异常，平衡井压 需要较高的钻井液密度。成井后地层流体活跃，与并筒流体始终处于动态： 要么溢流，要么漏失，要么气液互动置换达到动态平衡，所谓“平衡窗口 窄”。海相地层段除了多压力层系外，在厚度较大的相同地层压力的同一储 层中，由于储层上下深度差别，同层也会出现“上喷下漏”。目前海相地层 段的固井比钻井的难度还要大；动态平衡情况下的水泥浆会凝固失常；提 高地层承压能力还必须顾及对储层的伤害；使用屏堵虽然可以取得正面效 果，但由于需求往往是临时随机的，广谱的屏堵配方不都能解决问题。如 果封固该井段下入的足非常用尺寸套管，井眼和套管的小问隙，需要更高 的地层承压能力：另外，小间隙圃井、高密度水泥浆周井的诸多问题，采 用传统的一般固井方式对付固井效果很不理想。 因此，陆相地层段固井以长封固、大水泥量、地层低压漏失以及部分 井固井间隙小于常规的特点，海相地层段的固井以高温、高压、高密度、 多压力层系、不易掌握的井筒动态平衡以及小间隙固井的特点，挑战固井 技术，挑战固井质量。 4 中国4 i 油大学( 华东) 工程硕l 论文第2 争川尔北海相离压气井同并现状 2 2 川东北海相气井固井技术现状 221 固井质量 2 0 0 1 年以来，川东北海相新探，已经在普光、毛坝构造上钻第三轮 井，以及在河坝、双庙、黑池梁、丁山、金鸡、老露和大湾等构造相继丌 新并。目前，探区己动用钻机2 5 台，新勘探已经形成较大场面。 截止到2 0 0 6 年2 月份| t 东北海丰 | 地f x 已完成阎片施j ：9 3 井次。表层 套管固井2 7 井次，其中固井+ 次成功的2 4 井次，一次合格率8 9 ，经补 救后基本合格的l 并次，不合格的2 井次。技术套管嗣并3 3 并次，其中固 井一次成功的2 4 井次，次合格串7 3 ，经补叛后牡木台格的8 井次，不 合格的1 井次。生产套管同井3 3 片次，其t l ，崮井一次成功合格的2 7 爿二次， 一次合格率8 2 ，经补救后基奉合格的2 井次，不合格的4 井次。 ( 1 ) 表层套管固井情况 表层套管固井情况见表2 1 。 表2 一l 川东北地区表层套管圊井情况统讨表 井号外径m i l l下深，m返商声幅解释备注 河坝1 井0 5 0 81 4 7 9 2地面 不合格内插法固办： 河坝2 井 0 3 3 975 9 58 4地面 合格内插法固井 黑池l 井m 3 3 973 7 44 9地蛳 质节合格内插丝蛳井 毛坝i 井 m 3 3 9 73 0 76 7地面 质蛩合格内插法围片 毛坝2 井 m 3 3 973 0 0 【) 7地面 质芾台格内插法同井 毛坝3 井 m 3 3 973 0 33 0地面 质量合格常_ l j l ! 固计 毛坝4 井m 3 3 973 1 0 9地面质量合格常规固井 双庙l 井 0 3 3 972 0 34 6地面 质量优质内插法固井 大湾l 井 0 3 3 974 9 98 6地面 质量合格内插法固井 人湾2 井 m 3 3 975 6 35 4地面 质量台格常规周井 普光1 井 m 3 3 973 0 2 6 5地面 质量合格w 1 1 c 周井 普光2 并 m 3 3 9 73 1 25 ( ) 返高不够质爷合格内插座密封失效 普光3 井m 3 3 973 0 02 8地血质量优质内插法【古1 井 普光4 井 m 3 3 975 4 86 0地面 质量优质内插法同井 普光5 井 m 3 3 9 73 0 30 0地面 质量合格内插法固井 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文第2 章j i i 东北海相高压气井固井现状 普光6 井 m 3 3 9 73 0 86 0地面 质量合格内插法固井 普光7 井m 3 3 973 0 75 6地面质量合格 内插法固井 普光8 井 m 3 3 975 0 9 0 0地面 质量合格内插法同井 普光9 井m 3 3 975 6 55 6地面质量合格内插法阎井 普光l l 井 m 3 3 973 1 50 6地面 质量合格内插法固井 老君l 井m 3 3 977 5 0 9 2地面质量合格 内插法固井 清溪1 井 0 3 3 978 0 2 5 6地匦 质量合格内插法固井 金鸡1 井 0 3 3 973 0 62 0 返高不够不合格内插法固井 丁山t 并 中3 3 9 75 0 92 4地面 质量合格内插法周井 官5 井 m 3 3 973 0 l8 2地面 质量合格常规周井 官8 井 0 3 3 973 4 l1 6地面 质量合格内插法固井 官l o 井 0 3 3 9 72 2 53 3地面 质量合格内插法固井 官7 井 3 972 0 60 0地面 质量合格内插法固井 ( 2 ) 技术套管固井情况 技术套管固井情况见表2 2 。 表2 - 2 川东北地区技术套管周井情况统计表 井号外径m i l l下深1 1 1返高声幅解释各注 口1 3 3 9 72 1 8 35 5地面质量合格双级固井 河坝1 井m 2 4 4 50 31 3 9 4 4 二级低返。环空挤注补救合格 双级固井 m 2 5 0 8- 4 3 3 59 2分级箍漏 黑池1 并 m 2 7 3 13 3 8 65 4地面 质量合格双级固井 毛坝l 井0 2 4 4 52 7 6 3 1 4一级井漏质量优质双级固井 毛坝2 井 m 2 4 451 7 9 l5 2 井漏挤注质曼合格常规固井 毛坝3 井m 2 “52 0 5 8 4 8一级低返7 0 米质量合格双级固井 0 2 4 4 51 9 5 l9 7 一级、二级均井漏， 补救合格 一级两凝固井 双庙1 井 二级后挤注二级两凝固井 1 7 4 9 9 3 补挤水泥堵 西1 9 3 7井漏，补挤水泥悬挂固井 3 3 9 1 0 0 黼。质量合格 一级低返2 0 0 m补救基本 分级箍漏、 普光1 井m 2 4 4 53 4 7 22 2 二级低返合格回压凡尔失灵 普光2 井 m 2 4 4 53 0 6 7 9 4地面 质量合格双级固井 普光3 井 m 2 4 4 53 6 4 50 5地面 质量合格两凝固井 普光4 井 m 2 4 453 5 7 96 8一级返至7 2 5 m 补灌 质量合格双级固井 普光5 并 m 2 7 3 13 3 4 50 0地面 质量合格两凝固井 普光6 井 m 2 4 4 53 4 6 66 0地面 质量合格双级固井 6 r p 圈石油大学( 华东) j - 程硕l 论文第2 辛川自- ：- i l 海相高压气并固并现状 分级箍打不开 普光7 井 m 2 4 45 3 5 3 88 1不合格双级固井 ：级阍，n 自j r 挤沣 普圯8 井 m 2 4 453 5 6 l6 ( j地嘶 质量合格双级固井 普光9 井中2 4 453 6 2 28 l地面合格 双级【匐j 二 金鸡1 井 m 2 7 3 l 1 9 8 75 l地面质爷合格两凝井 n 上il 井 m 2 7 3 l1 7 7 l7 1 ：)地面 质量台格两凝井 官5 井 m 2 4 452 1 7 70 8地面 质量合格两凝l 叫井 官8 井m 2 4 452 3 3 86 1地面 质量合格双级固井 官1 0 井 m 2 4 452 3 5 51 4地面 质罩合格单级围井 官7 井m 2 7 3 12 1 1 05 5地面 质量合格两凝固井 ( 3 ) 产层套管固井情况 产层套管同井情况见表2 3 。 表2 - 3j i 悚北地区i l ：雯竹瑚井情况统； 表 井号外径m l l l下深mi 巨高，i n卢幅解释备注 中1 9 374 0 3 24 6 5 0 0 28 24 0 3 2 4 6 质量台格悬挂井 m 1 2 74 8 4 91 6 6 1 3 04 8 4 9 1 6悬挂 河坝l 井 中1 3 973 8 2 76 8 4 8 4 91 6地血 质量合格回接 母1 7 7 8o 3 8 2 76 8 2 5 8 4 6 5 4 3 1 85 l2 5 8 46 5 悬挂 毛坝1 并 m 1 7 78 质量合格 0 2 5 8 46 5地面 回接 l5 8 70 8 l 4 3 92 9 初返2 0 2 5 ，气补救合格悬挂 毛坝2 井 m 1 7 78 0 15 8 70 8窜地面 回接 l8 5 l1 4 4 8 1 7 4 7 1 8 5 11 4悬拌 毛坝3 井 母1 7 7 8 质镀台格 o 1 8 5 i1 4地面 i n 】接 m 1 4 6 l3 1 7 87 3 4 3 0 02 7 下套管井漏粘悬挂 双庙1 井 m 1 4 6 l1 6 6 24 9 3 1 7 8 7 3 卡气窜至地面 补救合格 回接 0 1 7 7 8 0 1 6 6 24 9 3 3 1 46 3 5 6 7 03 73 3 1 46 3悬挂两凝 普光1 井巾1 7 78 质量合格 o 3 3 1 46 3地面回接两凝 2 8 0 03 9 5 3 4 99 62 8 0 03 9 悬挂两凝 普光2 井m 1 7 78质量合格 0 2 8 0 03 9地面州接 3 4 5 l4 3 _ 6 1 0 52 33 6 8 9 低密度不合格悬挂两凝 普光3 并0 1 7 7 8 0 3 4 5 l4 3地面 其它封吲段好 回接 3 3 7 64 6 6 1 1 26 03 3 7 6 4 6悬挂两凝 普光4 井 m 1 7 78 质量合格 o 3 3 7 64 6地面回接 7 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文第2 章川东北海相高压气井固井现状 m 1 9 3 + 7 3 0 3 5 9 0 5 6 6 7 8 03 0 3 7 1 0 质量合格 悬挂两凝 普光5 井0 3 0 3 71 0地面回接 m 1 2 7 05 5 6 65 5 “) 8 98 45 5 6 7 7 5 质量合格悬挂两凝 3 1 8 87 9 5 5 0 6 7 63 1 8 87 9 悬挂两凝 普光6 井 西1 7 78质量合格 o 3 1 8 8 7 9地面回接 3 3 2 32 2 5 1 6 81 7 尾管窜水，挤悬挂两凝 普光7 井m 1 9 3 ，7不合格 0 3 3 2 32 2灌地面回接 m 1 9 3 7 1 5 7 2 9 9 3 4 9 55 2l5 7 2 9 9 质量合格悬挂两凝 丁山1 井 中1 2 73 2 8 76 7 - 4 6 0 88 l3 2 8 7 6 7质量合格悬挂圃井 官5 井 m 1 7 7 82 0 4 47 6 - 2 5 2 3 “】2 0 4 47 6 不合格悬挂固井 官8 井0 1 7 7 82 1 4 23 5 2 5 2 92 32 1 4 2 3 5不合格悬挂固井 2 2 2 复杂的川东北气井固井现状 河坝l 井、双庙i 井为代表的川东北海耜复杂固井井况，有别于常规 固井施工条件，同时兼有多压力层、高压、井漏、小间隙条件等。川东北 复杂井况周井主要表现形式： ( 1 ) 固井水泥量大。由于陆相地层封固段长，地层坍塌扩径，引起固 井水泥用量大。河坝l 井m 3 3 9 7 m m 技术套管，下深2 1 8 3 5 5 m ，固井水泥 量6 2 0 t ：0 2 4 45 m m 技术套管，下深4 3 3 5 9 2 m ，固井水泥量2 6 0 t 。普光1 并眈4 4 5 r a m 套管固井水泥量达3 8 0 t 。普光4 井的毗4 4 5 m m 套管固井水 泥量2 6 4 t 。普光3 井的m 2 4 45 r a m 套管固井水泥量也在3 2 0 t 。大灰量的固 井施工需要施工装备机械化、自动化程度达到较高水平。 ( 2 ) 海相多压力层。在同一裸眼井段中钻开嘉陵江和飞仙关压力系数 分别为2 0 3 和2 2 0 的两个储层。在另一裸眼井段中，钻开二叠系吴家坪组、 茅口组、石炭系黄龙组仍然是不同压力系数的三个储层。双庙l 井在同一 井眼内的须家河地层的压力系数小于1 2 5 ，雷口坡地层的压力系数为1 4 2 ， 嘉陵江地层的压力系数为1 8 8 。严重的“喷、漏”同存。 ( 3 ) 海相地层高压、高温。毛坝l 井飞仙关压力系数设计为1 3 6 ，实 际达到l9 0 。河坝l 井嘉陵江压力系数设计为1 7 6 ，实际达到20 3 ，飞仙 8 中固石油大学( 华东) 工程硕士论文第2 辛川尔北海相商k 气并同井现状 关压力系数设计压力系数1 8 0 ，实际压力系数达到2 2 0 。 普光l 井固气层套管时井深5 7 0 0 m ，片底温度达到1 2 6 c ；河坝l 井 井深6 1 3 0 m ，井底温度达到1 4 5 ( 2 ；双1 井完钻片深5 5 0 05 5 m ，井底温度 达到1 2 0 c 。高温、商压的井况针对水泥浆提出了特殊要求，并增加了固 井工艺技术难度。 ( 4 ) 陆菥 地层低承j 丘能力。陆栩地层井段长，各种原因引发漏失情况 增多。双庙l 井从7 2 0 1 9 5 35 m 断断续续发生漏失，漏速从几l r l 3 到几十 m 3 ，毛坝3 井从9 7 5 1 1 6 0 m 断断续续发生漏失，漏速从2 0m 3 到6 0m 3 ，两 口井固技术套管均采用双级注水泥同j r ，第一。级同井时均发生水泥浆漏失。 双庙l 井第二级固j 时仍发生水泥浆漏火。毛坝1 井、毛坝2 井、普光l 井、河坝1 井二部陆棚地层均h 现f i 旧程度的漏失。陆相地层低承压能力 不支持常规的围井方式，导致水泥低返。 ( 5 ) 多匿力层小问隙同井。河坝1 在膨胀管未能有效封隔压力系数 2 0 3 的嘉陵江储层情况f ，义钻开压力系数22 0 的飞仙关储层，m 2 1 6 m m 钻头钻达井深5 0 0 7 m ，平衡地层压力的钻井液密度调整在22 2 2 3 7 9 c m 3 范围内，井简内 j 现不同程度的溢流或钻井液漏失。多次采取屏堵措施之 后，地层承压能j 仪能达剑2 5 0 9 e r a 3 当量泥浆密度。设计需要f 入 m 1 9 3 7 m m 无接箍尾管，进行井筒与套管环空问距仅为1 1 2 m m 的小间隙内 固井。固井设计使用2 4 0 9 c m 3 水泥浆，瓜固井施工中影响顶替效率的部分 控制参数，都与地层承压钱力有关，可旌工压力空间很窄。实际施工以5 0 0 l m i n 的排量，控制井筒内最大当景密度不超过地层漏失当量密度。圃井水 泥浆体系和斯伦贝谢公司合作完成。固片结果，事先进行扩眼的飞仙关储 层井段以及扩眼的嘉陵江储层的上f 井段，封囡良好，基本达到封固目的； 其余小间隙井段声幅值较高。究其原因，要足围井施工因受限于复杂井 况，顶替效率低。在河坝l 井继后一个井段0 1 6 5 m m 井眼下m 1 2 7 m m 套管 9 中国石油大学( 华东) 3 一程硕士论文第2 章川东北海相高压气井固井现状 固井中，再度证明：小间隙固井仍然是南方海相的难题；其次是施工水泥 浆实际仅能达到2 2 0 9 l e m 3 ，使其失去了平衡地层压力施工和候凝的可能， 高密度井况下的固井也是南方海相固井的又一难题。而超商密度井况在川 东北海相也彳；乏其例，官7 井钻至二迭系龙潭组地层，钻遇超高压气层， 现场用加重材科将钻井液极限加重到2 6 5 9 c m 3 ，也未能平衡地层流体压 力，目前的技术条件暂不支持继续完成该井，因为最起码固井需要的超高 密度水泥浆技术成为难题。 尽管河坝l 井早己经完成，但随着同区块新井的开钻，和它相同的问 题以及海相固井的其他诸如双庙1 井严重“喷、漏同存”井况下的固井难 题，都将在南方海相复杂井固井中重现。井身结构只能调整这些复杂情况 出现的井段，但还须在其他井段最终去面对它们，去完成复杂井况下的固 井任务，实现合格固井。 川东北海相钻井近几年来施工约3 0 多口井，每年要增加l o 来口井， 没有建立适当地支撑海相固井的专门研究机构和长于海相固井施工的专业 队伍。川东北海相同井固井技术依附于钻井施工队伍所在单位可能调集的 技术力量和施工队伍。依靠各自一次次地摸索，求得逐渐适应。目前海相 固井技术有限的成果、经验及教训不能共享，处于各类固井成功不能把握 的保守状态。因为现实掌握的固井应用技术很有限，周一般问题的井容易 成功，而囿复杂井况的井失败的几率较高。这类复杂井，胜利固井公司从 固井问题显现开始，就已经主动介入具体井现场技术问题的研讨，以求得 技术支撑和作必要的技术储备。 2 3 南方海相气井固井需要解决的难题 2 3 1 高压、高温、防气窜固并 高压、高温、防气窜固井一是向固井水泥浆挑战，再是向平衡压力圃 1 0 中国石油大学( 华东) 工程硕 论j 第2 章川尔北海相高压气升啕井现状 井工艺挑战。海相地层崮井目前已优先采用钻井尾管、产层尾管“先悬挂， 后回接”的同井方式，人大降低厂高压井平衡压力圃井防气窜的难度。但 目前气窜题仍困扰海相地层高j 托、高温防气窜同井。 2 3 2 “喷、漏同存”的固井 海相地层的复杂井况包括各种不问类型的“喷、漏同存”，同层，喷漏 层上下易位等，但同井时都必须提高地层承压能力。海相地层的多种复杂 特征中，其高含h 2 s 气体已在套管柱材料选择、强度设计和施 井控安全 中加以考虑，其余高压、多压力层特征则是引起“喷、漏同存”的直接原 因。海相地层的储层是喷或漏并没有明显的区分，很可能在平衡高压提高 的钻井液密度时，使低j | 、- 储坛或 j 身发生漏失。因此提高地层承压能力需 要考虑减少对储层的伤害。海相地层孔沁、裂隙彤态、尺寸的不确定性， 会降低屏堵”1 的成效，也需要考虑屏场的町靠度，固井时是否会再度发生 漏失，而漏失的是水泥浆，将造成史大的伤害。因此，屏堵需要可靠、有 效的工艺技术及其配套的新副材料。 2 3 3 小间隙固井 在深井阶段，产层宾管和4 l 常钌系列套管固井，都存在要进行小问隙 固井。过去的实践只收到政变小蛔隙逃 亍扩瞅的方法题井的成效，但现场 需要攻关者直接向小间隙周井挑战，形成完善的配套工艺技术。 目前尚没有针对川东北海相复杂地层固井的专门研究机构提供技术方 案，需要工程技术人员先认识固井旄 的井况，寻求相对稳妥的对策。 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文第3 章高温高压防气窜固井技术 第3 章高温高压井防气窜固井技术 3 1 川东北南方海相高温、高压、防气窜国井难点分析 川东北海相勘探区域主要集中在的河坝、普光、毛坝、双庙、清溪、 老君地区。其中河坝、毛坝、普光和双庙气田具有比较典型的高压高产气 藏，同时存在高压井涌和井漏的复杂情况，给固井作业带来极大的挑战。 3 1 1 j i | 东北地区海相地质特点 川东北地区自三叠系须家河组开始海相地层，最深达志留系( 河坝l 井6 1 0 0 m ) ，主要目的气层有上三叠统须家河组、三叠统嘉陵江组二段、飞 仙关组、上二叠统长兴组和石炭系黄龙组等。以裂缝型、孔隙型和溶洞型 气藏为主，缝间连通性较好。该地区年平均气温1 3 4 ，平均地温梯度 2 1 8 c l o o m 。基本地质参数见表3 一l 。 3 1 2 川东北地区国井基本情况 该地区气层固并以尾管固井完井为主，再回接至井口，气层固井质量 均不太理想，固井基本情况见表3 2 。 3 1 3 高温、高压、防气窜固井主要难点分析 通过对以往施工井的资料分析，认为川东北地区高温、高压、防气窜 的固井主要难点有以下三个方面。 ( 1 ) 异常压力地层防气窜固井难题 川东北海相产层以天然气藏为主，地层压力和产层压力高，一般都达 到了o 0 2 m p a m 以上。大多数地层纵向上有2 3 个气层，甚至更多。可交 互出现从异常低压( 近静水柱压力) 到异常高压( 可达0 0 2 3 5 m p a m 以上) 多个压力系统。弗且在同一产层横向上受多裂缝性影响，地层压力梯度差 异很大。由于天然气藏压力高，加之天然气密度低、可压缩、易膨胀等特 中萌石油大譬( 华糸) i 栏胡论文第3 章高温高压防气窜阖井技术 性，防止气体上窜不单是钻井过程必须考虑的问题，也是崮井作业中不容 忽视的首耍问题。 表3 i川东北地高脏气层地质特征 ，采度m地层盐力系数 地层层序岩性描述 毛坝 河圳双庙普光 毛瑚 河坝_ 双庙 普光 上须家河泥岩一砂矗 2 4 l s3 5 5 02 4 2 33 4 7 31 1 1 l3lo s 。t 1 5 统组( t 3 x )( j 套) 一 椿灰色驮： 2 5 0 53 8 5 42 5 9 73 6 1 l 段 兜f 】搿 中雷口坡 一 白云岩与右 2 聃54 0 0 32 7 5 33 7 9 01 1 3 t 3 1 4 3 - l5 2 1 l o - 1 1 5 绩组( t 刃段蠢互层 _- 石膏层，底为 2 8 p n 4 f ) 6 2 8 3 f ) 3 8 2 8 段 i ：7 - ， 血 二力彳i 膏，p 2 8 9 5 4 1 0 4 3 0 2 3 段为r 厶岩 一 网上为石膏，f 二 段 为白t 岩 3 3 0 4 4 1 7 9 3 2 8 5 4 0 2 8 重 嘉陵江 署 组 一i 款岩夹4 ，膏 3 6 9 04 3 5 5 3 4 7 8 4 2 6 61 1 0 一13 11 0 - l1 5 段 ( t j ) 一 6 膏与f 1 云 3 8 0 l 4 5 2 4 3 5 7 3 4 4 3 520 3 下 段岩可坛 绩 ， 灰紫色荻岩 4 l 8 04 7 9 13 9 3 64 6 8 7 段 p qf i 膏及f 1 飞仙关 段 4 2 3 04 8 7 03 9 9 64 7 1 3 一 组 - 灰岩及挥质 13 17 7 22 0 1 1 8 至 ( t t t )灰岩夹鲕灰 4 4 2 05 3 1 04 3 0 85 1 0 l 一 段 一 长兴组生物厌岩或 4 8 2 85 2 8 9 一 上 ( e 2 c ) 溶孔云岩 1 1 孓l ，2 0 叠 统龙潭组 璇石灰岩，底 系5 3 5 3 c p 2 w ) 为炙岩 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文第3 章高温高压防气窜固井技术 表3 2川东北地区气层固井基本情况 套管外径，水泥浆密固井 井号下深，m 目的层备注 度，g e m 3 结果 毛坝l 井 1 7 784 3 1 85 l飞仙关1 9漏失尾管 河坝i 井 1 9 734 0 3 5 5 0 0 3 嘉：飞仙关 22 气窜尾昔 双庙l 井1 4 6l4 3 0 0 2 7 嘉二飞仙关 21 4井漏气窜尾管 普光2 井 1 7 78 飞仙关长兴 l4 5 18 5 合格 尾管 气层压力高，气窜危险性大，地层压力难以预测因而对地层超平衡压 力难以控制，其结果不是井漏就是气窜，水泥浆体系防窜效果差，气窜风 险大，高温高压f 水泥浆性能突变。毛坝1 井飞仙关压力系数设计为1 j 3 6 ， 实际达到1 9 0 。河坝1 井嘉陵压力系数设计为1 7 6 ，实际达到20 3 ，飞仙 关压力系数设计压力系数l8 0 ，实际压力系数达到2 2 0 。普光l 井固气层 套管时井底温度达到1 2 6 ( 2 ( 5 7 0 0 m 井深) ，河坝1 井0 1 2 7 m m 尾管固井时 井底温度达到1 4 6 c ( 6 1 3 0 m 井深) ，河坝1 井0 1 9 3 ，7 r a m 和0 1 3 9 7 m m 尾 管固井时，泥浆密度23 5g e r a 3 ，水泥浆密度2 4 0g c m 3 。经过计算，该地 区气层的潜气窜因子均大于5 ，气窜危险程度中等偏强。 在注水泥作业结束后，水泥浆逐步凝结的过程中极易出现气体上窜问 题。其原因主要有以下几点： a ，水泥浆进入环空后，由于自由水不断析出向地层的滤失，造成其水 灰比急剧下降，形成桥堵，导致环空水泥浆液柱压力小于气层压力而发生 气窜； b 环空中的水泥浆静胶凝强度为4 8 2 4 0 p a 时为由液态向固态转化期， 这一时期水泥浆逐步失去传递液柱压力的能力，即发生水泥浆失重现象， 发生气窜； c 在水泥浆凝固期间，由于水泥浆中的孔隙水随着水化和滤失而不断 减少，使水泥浆中的孔隙压力不断降低，进而导致气体侵入到水泥浆基体 内引发环空气窜； 1 4 中国f i 泊大学一华彖) l ， z 硕l 论文第3 章1 岛温岛上防气窜固井技术 d 由于施工过程水泥浆窜槽或水泥在凝固过程的体积收缩等原因造成 胶结质量1 i 好，使气体进入水泥与食管或水泥与井壁之问的间隙中，造成 层问瓦窜，甚龟窜至井【_ 。 固井作业发7 # 环空气窜的主要危害足：直接影响水泥石胶结强度，导 致层问窜流：随接影响油7 ( 层的测试评价，污染油气层，降低采收率，对 油田开发后续作业如注水、酸化压裂和分层开采等造成不利影响；严重时 可在井口冒油、宵气，甚至造成旧井后井喷事故，即使采用挤水泥等补救 工艺也很难奏效。高压气井的特殊井况和复杂的地质条件给固井作业带来 全【而的影响。 ( 2 ) j t 4 2 , 防窜1 j 防漏的矛盾。川东地区地质结构复杂，使得在同一构 造、问一井毗内，往往铂4 ；l 司的盘力系统存在，地层压力梯度差异大，突 出表现在，在钻遇高压i 层的井眼内，同时存在有低压易漏、甚至裂缝性 的漏失层，有可能j i 现j ：喷f 漏或上漏卜涌的情况。这种地层特性决定了 固井施工中压稳气层防止气体上窜和防止共漏之间的矛盾。固井防气窜压 稳是前提，耍j k 稳高瓜气层，就有j k 漏低压地层的危险，而使高压气层再 度出现失稳状态。飞仙关组7 i 层的压稳和防漏问题比较突出，河坝l 井进 入飞3 段地层后，多次发生井涌、井漏。不压井时发生气侵，压井时又产 生井漏，钻井液密度由21 9 上升到23 5 9 c m 3 。压井作业进行了一个多月， 期间井涌和井漏现象反复出现，钻井液密度可控范围在士00 2 9 c m 3 以内， 固井施工需要非常精确的控制静液压力和动压力，才能达到既防止气窜又 避免井漏的目的。 ( 3 ) 高密度高粘钻井液的顼替难度大。高密度钻井液必须高粘高切才 能保持悬浮稳定性，如河坝l 井钻飞3 段时的钻井液密度为23 3g c m 3 ，粘 度1 1 8 s ，静切力1 2 2 9 p a ，翅性粘度6 0 m p as ，动切力2 8 p a 。钻井液密度越 高，粘度切力越高，顶替难度越大。 1 5 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文第3 章高温高压防气窜固井技术 ( 4 ) 小环空间隙固井问题。由于井身结构的限制，有许多井采用“非 常规”的井身结构，如采用1 03 4 ”，75 8 ”、53 4 ”套管。如双庙l 井在81 2 ” 井眼内下75 8 “套管，理论环空间隙只有1 11 5 r a m ，这将带来以下问题： a 工具配套，非常规尺寸工具配套难度大，尤其是对尾管悬挂器的结构设 计要求更高，而在需要旋转尾管时主要依靠进口产品；b 下套管风险加大， 容易引起粘忙和漏失，套管不易居中；c 循环阻力大，固井施工压力商， 易压漏地层，降低顶替效率；d 水泥石强度降低，保证不了封隔效果。 3 2 技术对策 3 2 1 国外解决高压油气井技术方法 国外一些专业公司和研究机构在高压气井防气窜固井、深井抗高温水 泥外加剂和水泥浆体系、h ：s 和c o ：影响环境下水泥石的性能变化规律以 及深井抗高温耐腐蚀( h 2 s 和c o ：) 系列尾管悬挂器、分级注水泥器等固 并工具方面的研究取得了一系列的成果。 ( 1 ) 防气窜油井水泥添加剂 非渗透水泥浆体系是通过添加高分子聚合物或微细材料，利用化学交 联剂的交联反应或利用微细材料充填作用形成不渗透膜，增加气体在水泥 浆中的侵入和运移阻力。非渗透水泥有很多品种，但大致可分为以下两种 类型： 一类是胶乳聚合物。胶乳聚合物粒子以离散状态分布在水泥浆中，胶 乳粒子与交联剂反应并聚结形成一种不渗透薄膜，一方面可以阻止气层气 体侵入；另一方面，正是由于薄膜的作用，大幅度降低水泥浆失水。常用 的高分子胶乳有聚乙酸乙烯j , a t 6 1 和苯乙烯丁二烯( s b r ) 共聚物，s b r 能 够极好地控制水泥浆失水，水泥浆a p i 失水一般小于5 0 m l 。国外的这类产 品主要有g a s b l o k 等。1 9 8 7 年以来，斯仑贝谢公司应用这种气体封堵 j 6 中饵，i 灌j 人学( 华身| jf # 硕 论文第3 章岛温高压防气窜固井技术 ( g a s b l o k ) 技术已有1 0 0 0 个以上应用实例，成功率达9 0 0 0 。最初的g a