复杂井防气窜技术与实例

四川固井防气窜技术川庆钻探工程公司井下作业公司2010年8月青岛DownholeServiceCompany,SPA徐峰严海兵目录DownholeServiceCompany,SPA三防气窜工艺技术措施二川渝深井固井难点一防气窜评价方法DownholeServiceCompany,SPA一、防气窜评价方法潜气窜因子法（GFP）GFP=MPR/OBP式中:MPR--水泥浆静胶凝强度发展引起的压力损失 MPR=SGS×4×103L∕(dh-dc) SGS-水泥浆静胶凝强度(通常取0.24×10-3)，Mpa

OBP-初始过平衡压力GFP值越大，气层发生环空气窜的潜在危险程度越大分级标准为：GFP值为1-3发生环空气窜的潜在危险程度为轻度3-8发生环空气窜的潜在危险程度为中等>8发生环空气窜的潜在危险程度为严重水泥浆性能系数法(SPN)考虑到水泥浆孔隙压力下降的主要原因是水泥浆向地层滤失，引入水泥浆的失水速率，将稠化过渡时间综合考虑；表达式：式中：FLAPI-----为水泥浆API滤失量，mlt100Bc，t30Bc-----分别为水泥浆稠度为100BC和30BC的时间，min一、防气窜评价方法一、防气窜评价方法一般评价标准：

SPN值为1～3时，防气窜能力好；SPN值为3～6时，防气窜能力中等；SPN值大于6时，防气窜性能差。胶凝失水系数法（GELFL）计算方法：一、防气窜评价方法一、防气窜评价方法GELFL是一个压稳系数，是水泥浆进入环空间隙后初始液柱压力与由于水泥浆静胶凝强度发展和失水引起的体积收缩造成的水泥液柱压力损失的差与地层压力之比。该方法综合考虑到水泥浆、钻井液密度、水泥浆封固长度、气层压力、静胶凝强度增长和水泥浆过渡状态失水引起的压力损失等对气窜的影响，所包含的现场实际因素较全面.GELFL值越小，发生气窜的可能性越大；一、防气窜评价方法GELFL值小于1，极易发生气窜，GELFL值大于1，气窜危险程度较小，GELFL值越大，发生气窜的可能性越小。现场综合评价法T值：将水泥浆稠度从30Bc～100Bc变化的时间分为10min、20min、30min三个时间变化段进行评价。

T≤10min，气窜可能性极极小；

10＜T≤20min时，防气窜效果较好；

20＜T≤30min时，防气窜能力中等。对失水速率有严格的要求，小于50ml/30min水泥浆的稳定性要求上下密度差不大于0.02g/cm3一、防气窜评价方法水泥浆性能防气窜等级强较强中差T值，minT≤1010＜T≤2020＜T≤30T＞30失水（Φ），mlΦ≤5050＜Φ≤200200＜Φ≤250Φ＞250自由液（β），%β=00＜β≤0.20.2＜β≤0.5β＞0.5防气窜综合评价表一、防气窜评价方法防气窜技术措施减小水泥浆封固长度采用二凝或者三凝水泥浆结构提高工作液密度改善工作液流变性水泥浆加入膨胀剂环空及时憋回压缩短水泥浆稠化、凝结时间一、防气窜评价方法二、川渝深井固井的难点纵向上同一裸眼井段油气显示层位多，显示活跃，压力层系多，窗口窄，保证“压稳不漏”困难；横向上同井场且井与井之间差异较大，规律性较差；漏失层多，类型多，漏失量大，防漏的难度大；井身质量差，大斜度井、水平井、S型井眼、大肚子井眼，小环空间隙井眼多。套管安全下入困难、居中困难；水泥浆混浆污染严重、顶替效率差、防窜难度大；非常规井眼、套管（无接箍、小间隙）固井质量难以保证；二、川渝深井固井的难点油气活跃的短5“尾管固井易发生气窜；深井长封固7”尾管固井易发生超缓凝、固井质量难保证；油气活跃的7套管固井易发生气窜；井深、封固段长，间隙小，循环摩阻大，循环排量难保证，顶替效率难提高；含硫化氢，属于“三高井”，施工作业危险，井控风险大；深井、超深井固井多；大型、特大型、高压力、高密度固井施工多。三、防气窜的工艺技术措施原则：1、固井前压稳2、固井中压稳3、固井后压稳了解油、气、水层的位置循环观察油气上窜速度、程度、时间静止观察油气上窜速度、程度、时间了解钻井液密度调整的历史了解井径、井斜、井筒温度、循环压力、漏失等情况了解起下钻油气显示情况1、固井前压稳

1、固井前压稳对地层做承压实验，了解地层承压能力；对地层堵漏提高地层承压能力；调整钻井液性能，在不压漏地层的情况下适当提高钻井液密度（提高OBP-初始过平衡压力）控制油气上窜速度在规定的范围内：可以根据具体情况控制气井的油气上窜速度小于20m/h，控制油井的油气上窜速度小于15m/h。安装与入井套管串匹配防喷器选用质量好的回压凡尔通井、下套管期间的井控措施1、固井前压稳2、固井过程中的压稳防窜措施

原则：1：严格按防气窜综合方法设计水泥浆体系和固井工艺技术。2：保证整个施工过程压稳油气层。技术要点设计两凝或三凝水泥浆柱结构（减少封固段长）；界面要根据地层油气显示、压力系数、油气上窜速度和井眼温度综合考虑，特别在短尾管中也采用两凝水泥浆，保证中心管起出安全，同时有效封固上层套管鞋附近的气层。2、固井过程中的压稳防窜措施两凝水泥浆的凝结时间要拉开距离，时间差大于100min，保证上部浆柱压力有效传递。快干水泥浆的稠化时间尽量短，设计顶替到位所需时间附加30-60分钟，缓凝在施工完成时间上加90-120分钟。严格要求水泥浆的性能：低滤失，小于50ml/30min；沉降稳定性好（上下密度差不大于0.02g/cm3）。2、固井过程中的压稳防窜措施2、固井过程中的压稳防窜措施控制水泥浆稠度从30Bc～100Bc变化的时间在10min以内。设计较高的前置液和水泥浆密度（提高OBP-初始过平衡压力）。尾管固井控制起钻速度，及时灌满钻井液。3、固井后的压稳防窜措施固井结束后及时（30min以内）环空憋压侯凝；根据水泥浆失重大小和地层承压能力分步憋压；憋压侯凝时间必须大于顶部水泥浆终凝时间；套管敞压侯凝采用预应力方法侯凝在水泥石强度没达到设计要求时套管内严禁其他作业测井之前严禁试压作业测井之前严禁降低套管内钻井液密度完成注替20min憋压候凝，传压率94%，初凝时憋压，传压率23%。憋压要尽早进行。其加压过程选择在水泥浆候凝30min内进行

注意事项：憋压侯凝必须确保憋压后不会压漏地层，否则造成漏失的话就成了固井事故，在憋压侯凝过程中要注意观察立套压力，一般来说压力会逐渐上升，控制压力和憋入量不超过设计的允许值。

Pw

0

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Pc

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图1-14

环空加压过程

3、固井后的压稳防窜措施减小套管变形产生微间隙①相同压差下，套管尺寸越大，变形量越大；②对于固定套管而言，变形量与受的压差成正比。外挤压力变化引起套管变形量3、固井后的压稳防窜措施3、固井后的压稳防窜措施对于浮箍失效的井严禁套管内憋压侯凝，套管内压力控制在静压差范围内；待快干水泥浆凝结后及时对套管内放压并及时补上憋压环空压力。4、后期（长期）防窜措施后期（长期）防窜是一个世界级难题大部分井是在后期发生气窜对后期（长期）防窜研究还不够墨西哥湾的OCS地区，大约有15500口生产井，共有10153层套管环空带压，其中47.1%属于生产套管带压；国内大庆庆深气田、塔里木克拉气田也相继报道出井口环空带压；川渝地区的LG1、2、3井Ф177.8mm套管回接电测固井质量合格率分别为96.92%、80.50%、86.26%，但3口井在增产作业后Ф177.8mm套管与Ф244.5mm套管环空分别带压为23.2MPa、10MPa、12MPa4、后期（长期）防窜措施

高压气井井口带压是地下气体通过长井段水泥环的微细缺陷（一胶结面、二胶结面、水泥环自身裂纹）向井口缓慢渗透的过程。4、后期（长期）防窜措施1）水泥柱收缩产生微间隙

普通油井水泥浆在高温高压下凝固时的体积收缩为水泥浆总体积的2.6%～5.0%，缩量的95%以上发生在水泥浆终凝以后，水泥浆在塑性状态下体积收缩会使水泥浆柱的孔隙压力降低(胶凝失重)，造成油、气、水侵；凝固后体积收缩使水泥环与地层和套管间的胶结出现问题，形成微间隙，既影响固井质量又会造成油气资源大量流失4、后期（长期）防窜措施2）工程因素产生微间隙名称测井条件优质率(%)合格率(%)LG8井Φ244.5mm套管固井试压15MPa前83.1890.61试压15MPa后37.5364.87LG11井Φ177.8mm套管回接固井试压15MPa前99.3299.41试压15MPa后73.1680.13射孔后40.3069.47MX1井Φ244.5mm套管固井（水泥浆密度为：2.09g/cm3）清水条件下测井0.0024.971.72g/cm3钻井液下测井47.2881.614、后期（长期）防窜措施3）水泥柱外界环境变化导致微间隙1：由于水泥浆凝固放热，和井眼温度变化，产生的膨胀——收缩效应使得水泥环与套管以及水泥环与地层之间胶结不良，温度变化从而产生微间隙。2：同时由于套管内压力变化和地应力变化、地层水的腐蚀也会导致微间隙。4、后期（长期）防窜措施1）长效水泥浆体系不渗透水泥浆体系（胶乳）膨胀水泥浆体系柔性防窜水泥浆体系自动密封水泥体系自应力水泥浆体系4、后期（长期）防窜措施

胶乳水泥浆体系设计思想降低水泥石的渗透率，提高水泥石防止气体渗透窜移能力和抗地层流体腐蚀破坏的能力；改善水泥浆的稠化转化性能，缩短稠化转化时间，防止气层及浅层流窜槽；提高抗拉强度并提高水泥石的弹性，改善射孔后水泥石的完整性；改善水泥与管柱、水泥与地层界面之间的胶结质量，防止油气水窜；降低了水泥浆的滤失量，保护油层；4、后期（长期）防窜措施膨胀防窜水泥设计思想水泥浆凝结过程是绝对体积收缩的加速阶段：失重达到高峰、水泥浆的孔隙压力低于大气压，是最容易发生地下流体窜流的过渡期。水泥浆硬化阶段已经形成了结构强度，具有了防窜能力。但硬化水泥石的体积收缩仍然很大、且随时间的推移而继续增加，如不加以控制最终形成环空微间隙，造成水窜和二界面胶结不良；在水泥浆体系中加入膨胀剂，通过晶体膨胀源重结晶或晶型转变产生体积增长，主要在水泥浆塑性状态后期和硬化状态前期发生，补充这两个阶段水泥浆的体积收缩。配方：G级水泥+膨胀剂+降失剂+缓凝剂柔性防窜水泥

提高水泥环抗裂能力减小试压、压裂等作业对套管-水泥环-地层密封系统造成的破坏和微环空的产生延长水泥环有效封隔时间减小后期环空带压的情况4、后期（长期）防窜措施应力破坏裂缝微环空107次循环后-----哈利伯顿循环次数循环次数水泥环破坏普通水泥石加压卸载后的弹性后效和残余应变普通水泥石在恒定载荷加载2h后变形曲线原浆水泥石在不同应力循环后发生变形单轴单轴围压残余应变0.3%弹性后效残余应变残余应变残余应变0.5%试样高度50mm一次应力循环水泥石的力学特征4、后期（长期）防窜措施4、后期（长期）防窜措施2）新型固井工具悬挂封隔器裸眼封隔器回接封隔器套管封隔器遇油气膨胀封隔器特种橡胶制作封隔胶筒压缩座封马牙与楔形复合跟随定位自锁随膨胀钢护隔环旋流刚性扶正