大港储气库定向井固井技术研究.doc

地下储气（油）库工程技术国际研讨会-北京2008大港储气库定向井固井技术研究蓝海峰1*蓝海峰：北京海淀区四季青镇北坞村路甲25，中石油集团钻井工程研究院钻井所，邮编：100195，电话：01052781875。1991年毕业于石油大学钻井工程专业，硕士，高级工程师，现在主要从事地下储气库的钻完井设计和现场监理。 马作鹏2 金根泰1（1.中石油集团钻井工程研究院钻井所,100097；2.大港油田固井公司）摘要：通过大港储气库定向井固井施工，分析固井施工中出现的主要问题，发现影响固井施工和固井质量的主要原因，从优化水泥浆体系、防漏、防气窜、提高顶替效率等几方面，优化固井工艺，提出一种有效的储气库定向井固井技术。主题词：固井难点 问题分析 环空憋堵 声幅值 优化工艺大港地下储气库的主要作用就是调节北京季节性用气，该储气库是周期性运行的，夏季储气，冬季采气，以缓解冬季用气紧张的矛盾。在地下储气库中的天然气压力范围为128MPa，因此，保证储气库井的密封安全非常重要。2006年在板808断块钻储气库井8口，其中6口井为二开定向井，目的层在板油组，2口井为三开定向井，目的层在板油组。对于油气开采区块的调整井固井，要保证一次固井质量合格，本身就存在较大的难度，而地下储气库井的固井质量要求更高，各层套管的固井水泥浆必须返至地面，同时水泥浆必须具备防漏失、防气窜和零失水的性能。为了使板808断块地下储气库井的固井达到储气库的设计要求，我们经过认真分析固井施工中出现的问题，采取了一系列固井优化工艺，使8口井的固井合格率达到100。1固井施工难点1）板808断块主力储层为板油组，该储层生产末期地层静压在10MPa以下。该断块板0、板油组，目前正常开发生产，地层压力约19MPa。板油组，地层压力在20MPa以上。对于储层的较大压力差，按照常规油井固井，就存在较大的难度，而地下储气库井的固井质量要求更高，生产套管的水泥环必须满足在交变应力作用下，不发生破裂，要求采用特殊的水泥浆配方，以满足地层需要。2）由于地层破裂压力随井深增大的趋势不明显。为了保证储层的封固质量，分级箍按放在距井底800m左右的位置，造成二级固井的裸眼段长，在固井施工过程中，环空顶替动态液柱压力大，一旦环空不畅，容易发生漏失，对水泥浆确保返至地面难度较大。3）在定向井下套管时，为了保证套管的居中度，就要尽量多下套管扶正器，而扶正器数量增加，将导致下套管磨阻增大，可能出现套管不能下至预定位置，影响完井作业。如何选择扶正器数量和安放位置，是固井施工的一个难点。4）在一级固井结束后，必须从分级箍循环洗出多余的水泥浆，当水泥浆上返时，可能对上部井眼造成污染，所以，如何保证二级固井的质量是一个难题。5）由于水泥封固段长，水泥浆顶底部温差较大，要控制水泥浆初凝时间在合适的范围内较难；地层情况复杂，尤其在储层还有高压能量，固井时，水泥浆在凝固过程中所产生的失重、挂壁和体积收缩现象严重，容易造成地层流体侵入，从而严重影响固井封固质量。2固井问题分析2.1固井主要问题1）在油层套管固井时发生环空蹩堵。2）生产套管固井声幅值高。2.2环空蹩堵原因分析1）在完井套管下到井底时，单凡尔顶通正常后，采用三凡尔（排量1900 l/min）开泵循环，大排量循环致使井壁刮下的泥饼、岩屑堆积，造成第一次套管环空蹩堵。2）第一次解堵后，双凡尔（排量1300 l/min）开泵循环时间太短，井壁刮下的泥饼、岩屑未循环出井口，造成第二次套管环空蹩堵。3）在经过多次上下活动套管后，由于扶正器的挂擦，破坏了已形成的坚韧井壁泥饼，井壁在大排量的冲蚀下，一些附在泥饼上的砂子和疏松的砂砾岩落块，造成环空局部形成砂桥，引起环空蹩堵。4）下套管前的通井作业没有达到预期效果，没能完全清理携带出井筒内的岩屑，在下套管时，被扶正器刮离井壁，沉降堆积造成环空堵塞。5) 固井前，为了提高顶替效率，要求将泥浆粘度降到30s左右，当泥浆粘切降低后，致使沾附在井壁上的砂子掉下,同时也破坏了井壁上的泥饼质量.2.3固井声幅值偏高原因分析1）由于表层套管下深浅，套管鞋处破裂压力低（库5-4井地层压力破裂压力试验当量密度仅为1.26g/cm3），在顶替过程中，水泥浆液柱压力大于地层破裂压力，而造成水泥浆漏失，从库54井的固井声幅图和施工过程可推测，井漏是导致水泥浆未返至地面的主要原因。2）井眼不规则，造成套管在井筒内不居中，使套管某一面紧贴井壁，在注替水泥浆时，水泥浆会沿着环空阻力小的方向上行，导致井筒环空泥浆顶替不净，而使固井声幅值偏高。偏心环形空间液体的流速、流量及流态在不同间隙处将发生变化，宽窄间隙的流速差可达几十倍。宽间隙的液体达到了紊流，而窄间隙却在作层流流动，更严重的情况是宽间隙的钻井液完全被顶替，而窄间隙的钻井液却仍然滞留在原来位置，造成钻井液窜槽，导致环空密封失效。通常固井要求套管居中度应大于67%，从而有利于提高顶替效率，并且使水泥环均匀分布，防止套管贴靠井壁，避免井眼环形底边窄间隙窜槽和套管贴靠井壁底边而形成油气通道，影响固井界面胶结质量1。3）在大肚子或不规则井眼处顶替水泥浆时，由于上升的水泥浆回落造成二次顶替，在井径扩大处形成混浆，稀释了水泥浆中添加剂的药性，使水泥浆凝固时间比设计延迟，而影响固井声幅质量，在声幅解释图上就会显示出现大肚子井段环空无水泥现象。从声幅图和井径图的对比看，声幅值高的井段井径也相对较大，成对应关系，这一现象在库5-8井也有表现，且井径大的井段多为疏松砂岩，因此在井内形成大段糖葫芦井眼（700-1950m）和大肚子井眼（700-1300m、1400-1600m），给固井施工带来了很大困难和风险。3优化固井工艺技术在注水泥和顶替钻井液过程中，环空井壁与套管壁上的虚泥饼和钻井液能否有效地被清洗及顶替干净是注水泥作业成功的关键。在固井施工中，影响清除虚泥饼、顶替效率的因素较多，如性能不佳的钻井液、不规则的井径和套管不居中而带来的窄边顶替以及井下地质条件复杂等因素。3.1水泥浆体系的优选地下储气库生产套管采用的水泥浆体系必须具备稳定性与流变性好、低失水（50ml）、析水为零、水泥石早期强度发展快、抗压强度高、稠化时间短、抗气窜能力强等特点，为了保证水泥浆的性能要求，在水泥浆配方中添加了发气膨胀剂、晶格膨胀剂、微硅、增强剂等外加剂，提高了水泥浆的防漏和防气窜性能。1）水泥浆一级领浆干水泥类型嘉华G密度(g/cm3)1.88配方嘉华G级水泥+1.80%G60S+0.30%CF40S+4.70%J-RL+0.05%G603+2.00%微硅+2.00%ES-1+2.00%F17A。循环温度()78.00试验压力(MPa)35.00实 测 性 能API失水量 45.0024h抗压强度(MPa)18.20稠化时间(min)200.002）水泥浆一级尾浆干水泥类型嘉华G密度(g/cm3)1.88配方嘉华G级水泥+1.80%G60S+0.30%CF40S+2.0%J-RL+0.05%G603+2.00%微硅+2.00%ES-1+2.00%F17A。循环温度()78.00试验压力(MPa)35.00实 测 性 能API失水量 44.0024h抗压强度(MPa)18.9稠化时间(min)103.003）水泥浆二级领浆干水泥类型嘉华G密度(g/cm3)1.60配方粉煤灰低密度水泥+1.00%JS-2+5.00%微硅3.00%ES-1+0.05%G603+1.4%HN-1+0.40%QJ-625+0.15%GF-1+3.00%F17A循环温度()65.00试验压力(MPa)25.00实 测 性 能API失水量 46.0036h抗压强度(MPa)16.20稠化时间(min)2114）水泥浆二级尾浆干水泥类型嘉华G密度(g/cm3)1.88配方嘉华G级+1.00%JS-2+0.20%GF-1+0.05%G603+1.60%HN-1 +2.00%微硅+2.00%ES-1+2.00%F17A。循环温度()65.00试验压力(MPa)25.00实 测 性 能API失水量 48.0024h抗压强度(MPa)16.70稠化时间(min)102图1 水泥浆稠化时间3.1.1防漏性能针对一级、二级均存在漏失地层这一特点，一级采用双凝水泥浆，即缓凝水泥浆+速凝水泥浆，这样不仅能保证多余水泥浆能够循环出来，又能够使速凝水泥浆快速封固下部易漏地层，二级采用低密度水泥+嘉华G级水泥，这样不仅使地层有效封固，并且当低密度水泥浆经过易漏地层时，减小了该点的当量密度，防止井漏发生，有效的保证施工连续性，降低风险。3.1.2防气窜性能环空窜流有两种可能。一是由于地层环空液柱压力与地层压力不平衡，使地层中的流体进入环行空间，产生纵向流动而发生环空窜流；二是由于顶替效率低，环空中存有泥浆带而产生流体通道，从而发生窜流。该储气库井的邻井有较高的压力，在一级固井完成进行循环时，如果水泥浆失重，就可能发生气窜，影响储层固井质量。因此，在水泥浆中加入适量的降失水剂和防气窜剂，以控制失水和析水，改善水泥石的微观结构，使之致密、不渗透、气密性好，提高水泥浆在候凝过程中的防气窜能力。3.2保证下套管施工为了保证套管安全下井，根据实钻井眼轨迹数据来分析摩阻系数，结合固井下套管软件模拟，进行下套管过程预测分析，制定下套管方案。为了保证套管的顺利下入后顺利开泵，在钻井液性能调整方面，加强了以下工作：1）为保证压稳地层，电测结束后通井时，应认真检测地层油气上窜情况，根据井下实际情况，及时调整钻井液性能，控制油气上窜速度小于15m/h；下套管前，在裸眼段进行一次短起下作业，调整好钻井液的各项性能达到完钻性能，提高泥浆的携岩能力，保证井眼畅通。2）下完套管后，先小排量顶通循环，采用变排量循环的方式,达到充分洗井的作用。再根据井下实际情况逐渐调整排量到正常循环排量（达到1.3m/s的上返速度）。在井口返出岩屑很少后，再降低钻井液粘度；固井前钻井液达到如下指标1.5小时后方可组织固井施工，即粘度达到40s左右、钻井液流型指数n值在0.6-0.8范围内。3.3提高顶替效率3.3.1固井井眼准备一个良好的井眼是保证固井质量的重要前提。在固井施工前，制定相应的技术措施，要求井队下完套管后，先小排量顶通，井眼畅通后，再大排量充分循环2周以上，使钻井液性能达到完钻钻井液性能且震动筛处无砂子返出，井眼干净，不窜不漏后才进行注水泥固井。3.3.2保证套管居中度1）为了降低套管偏心度，提高钻井液的顶替效率，防止窜槽，在完井套管固井中调整了套管扶正器的使用数量和位置，根据实际井径、井斜数据，运用计算机软件，进行套管扶正器的模拟安放，使居中度67%，并且在井口、技术套管鞋及分级箍上下各安装一只刚性扶正器，提高套管居中度。3.3.3合理使用冲洗液在固井施工中，无论是水基、油基或其它类型的钻井液与水泥浆都是不相容的。如果水泥浆与钻井液直接接触，钻井液将发生水泥侵，水泥浆会受到钻井液的污染而产生粘稠团块状絮凝物质，影响顶替效率，造成水泥浆窜槽，影响封固质量。严重时还会造成蹩堵而压漏地层或灌香肠等固井事故。冲洗液具有冲洗和稀释泥浆与隔离泥浆、水泥浆的双重作用，因此，固井时加大了Flush-A固井冲洗液的使用量，提高了对井壁和套管壁的冲洗效果和顶替效率，改善一、二界面水泥环胶结强度和胶结质量。3.3.4合理选择顶替排量及顶替液1）根据实测井径数据，结合各井的实际情况，选择合理的顶替排量，并且进行动态施工模拟，确保施工安全。通过我们的精心设计、精心施工，使每口井均能达到了良好的顶替效率。2）为防止声幅遇阻及减少水泥浆与钻井液的接触，经过现场计算后，在第1级替钻井液时，先替入一定数量经过调整处理后的钻井液，然后将水泥车现场配好的6.0m3隔离液替至分级箍附近，使其底部有0.30-0.50m3,其余在分级箍上部。这样在打开循环孔后，由隔离液清洗了循环孔及分级箍处的多余水泥浆，减小了污染。要求大泵与水泥车之间的互换，要连续平稳，减小激动压力。3）为安全、可靠的将分级箍关闭，第2级固井前井队配制一定数量1.55-1.60g/cm3的重泥浆,替钻井液时先用重浆顶替，后用原浆顶替，这样可降低压力6-7MPa 。3.4防钙侵施工第1级碰压后，管内放压，投入打开塞，打开循环孔后，循环钻井液，注意观察井口钻井液返出情况，并做好钻井液密度的测量，并加入纯碱及处理剂，防止钙侵。发现井口返出混浆及水泥浆，由固井水泥车从压井管汇处，注入清水进行稀释，防止污染泥浆堵塞高架槽，造成环境污染及复杂情况地发生。水泥浆全部排放干净后循环调整钻井液性能，准备第2级施工。4固井声幅情况 从固井声幅统计可以看出，经过固井工艺优化后，固井情况得到了大幅度提高，确保5口井二级固井达到优质，使该储气库的固井优质率达到62.5%，为储气库安全运行奠定了基础（固井数据统计如表1、图2）。井 号一 级二 级井型及目的层库 5-1优 质优 质三开井板储层库 5-2优 质优 质二开井板储层库 5-3优 质优 质二开井板储层库 5-4优 质合 格二开井板储层库 5-5优 质优 质三开井板储层库 5-6优 质优 质二开井板储层库 5-7优 质合 格二开井板储层库 5-8优 质合 格二开井板储层 表1 固井数据统计注：5-4、58、57三口井是先开钻的井。图2 库55井固井声幅质量图5经验总结1）要保证固井质量，必须优选固井工具和附件。在储气库的套管