提高柴东气田天然气井固井质量技术.pdf

第 2 7卷 第 4期 2 0 1 0年 7月 钻井液与完井液 DRI LLI NG FLUI D COM PLETI ON FLUI D V_0 l _ 2 7 No ． 4 J u l y 201 0 文章编号 1 0 0 1 5 6 2 0 2 0 1 0 0 4 0 0 6 2 0 4 提高柴东气田天然气井固井质量技术 王刚， 康世柱 ， 沈勇， 王翱飞， 李亮祖， 谭靖儇 西部钻探青海钻井公司，青海芒崖 摘要对柴达木盆地 第 四系不成岩地层天然 气气田进行 了提 高 固井质量 的研 究，分析 并得 出了影响柴东气 田 天然 气井固井质量和施工安全 的因素为天 然气气窜和井漏。为解决该 问题 ，要求水泥浆使用 防气窜降失水 剂、晶 格膨胀材料和纤维防漏材料，并缩短稠化过渡时间和静胶凝强度过渡时间。在柴东气田天然气井的表层套管固井 使用低温低密度促凝早强水泥浆，并配合使用插入法固井技术，防止管内、管外的窜流发生 ； 在技术套管固井中 采用双凝 防窜水泥浆和套 管居 中技术及近平衡压力 固井技 术，并应用螺旋紊流定位器提 高顶替效率 ，通过应用该 技术固井合格率为 1 0 0 ％，优质率为 8 5 ％，施工安全率为 1 0 0 ％，全年无一口井发生管外窜事故 ； 在气层套管固井 中应用增韧双膨胀防漏水 泥浆 ，其具有很好的防漏、防窜性能。 关键词 天 然气井固井 ； 柴东气 田 ；固井 ；固井质量 中图分类号 T E 2 5 6 文献标识码 A 青海油 田柴达木盆地第四系不成岩地层天然气 气 田包括涩北一号气 田、涩北二号气田、台南气 田、 察尔汗浅层。柴东含气构造地质总特征为 气层分 布井段长，储层岩性杂 ，粒度小 ，岩石胶结程度低 ， 成岩性差 ，孔隙度高，渗透性好。涩北最浅气层在 3 0 m 以下 ，存在浅部地层水 ，地表 3 0 c m 以下可见 盐水。台南浅层气分布在 1 O 0 ～8 0 0 m井深 ，钻进 过程 中，气测有明显的异常。台南气 田地下水埋藏 浅，初见水位为 1 ． 5 ～2 ． 6 m，浅层盐水较活跃。在 水泥浆候凝期间地层水侵人会对其造成污染。 1 影响固井质量的原因 ①柴东地区 由于地层原 因天然气井井漏频繁 ， 不仅严重影响固井质量 ，而且易诱发井喷 ，管外窜 现象严重。②表层钻井环空大，钻井液性能差 ，死 泥饼多 ， 顶替效率无法提高 ，管内管外窜时有发生 ， 水泥浆与井壁结合不好 ，从测井图上看 出有 明显气 窜通道存在。井下温度低 ， 年平均温度在 l 0 左右， 水泥浆的稠化时间和早期强度均不理想。候凝期问 水泥浆失重引起管外窜导致严重事故。③ 台南气 田 Ql 2地层岩性疏松 ，成岩性差 ，浅层气发育 良好 ， 7 0 0 ～ 1 0 0 0 m井段易发生井塌且该层位气层非常活 跃 ，气层压力系数较高，在该区块该层位技术套管 固井时 ，在水泥浆候凝失重期间气体窜槽情况时有 发生 ，层 问有效封隔能力降低 ，不仅严重影响了技 术套管的固井质量，对钻井井 队三开产生 了较大的 安全隐患。综上所述 ，影响柴东地区天然气井固井 质量的根本原因是天然气气窜和井漏。 2 室 内研 究 根据柴东地区天然气气窜的特点及井漏频繁发 生的原因， 研究 出了相应的水泥浆和配套施工工艺， 并在该地区6 0口天然气井 固井 中应用 ， 达到了防窜、 防漏的效果 ，提高了固井合格率和优质率。 2 ． 1 防止气窜 该气 田天然气气窜的几种主要形式有 钻井液 窜槽 和泥饼干裂引起的气窜 ； 界面微间隙引起的气 窜 ； 水泥浆失重引起气窜 ⋯。阻止气窜可采取 以下 措施 ①使用防气窜降失水剂控制失水量在 5 0 mL 以下 ； ②缩短水泥浆稠化过渡时间 ； ③采用晶格膨 第一作者简介 王刚，工程师，1 9 7 7年生，毕业于江汉石油学院，现在从事固井工作。地址 青海省海西州芒崖花土 沟镇青海钻井公司固井工程技术公司 ； 邮政编码 8 1 6 4 0 0；电话 1 3 8 3 0 7 5 5 3 9 9； E ma i l 5 4 2 6 6 7 7 6 9 q q ．c o m。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 7卷 第 4期 王刚等 提 高柴东气田天然气井 固井质量技术 6 3 胀材料阻止水泥环体积收缩产生微 间隙 ； ④增加水 泥浆静胶凝强度 的发展速度 ，使其具有较短静胶凝 强度过渡时间 ，防止气泡在水泥凝 固前流动 [ 2 - 3 [ 。 2 ． 2 防 止井漏 柴东含气构造的漏失形式为低压渗漏，可在水 泥 中加入纤维防漏材料 ，其作用在于 ①在水泥浆 泵送过程中有利于清洁井眼和提高环空流动壁面剪 应力 ； ②在水泥浆被顶替过程 中，不 同尺度 的纤维 材料能够进人漏失性地层不同尺寸的裂缝并搭桥成 网，达到堵漏的 目的 ； ③随水泥浆体进入地层深部 ， 浆体稠度增加 ，提高漏失性地层的承压能力 [4 】 。 2 ． 3水泥浆 配方 2 ． 3 ． 1 表层套管 固井水泥浆 由于井下温度低 ，水泥浆 的稠化时间和早期强 度 1 ． 4 MP a 均不理想 ， 导致表层 固井声幅质量较高 ， 候凝期问水泥浆失重引起管外窜 ，进而导致严重事 故。因此 ，研究 出了低温低密度促凝早强水泥浆配 方如下 [ 5 -6 1 。 1 C级 水泥 2 ． 5 ％低 温早 强 剂 0 ． 3 ％分 散剂 2 ％促凝剂 0 ． 1 ％消泡剂 该配方水灰 比为 0 ． 4 7 ，密度为 1 ． 7 7 g ／ c m ， 流动 度 为 2 1 0 mm ； 2 0 o 、5 MP a 下 的升温速率为 0 ． 5 6 ℃ ／ mi n ，初始稠度为 2 4 B c ，稠度达到 3 0 、5 0 、7 0 、 1 0 0 Bc的时间分别为 1 7 3 、1 8 3 、2 0 2 、2 0 5 mi n； 8 h 强度为 4 ． 5 MP a 。由此可见 ，在温度 只有 2 0 下 ， 1 配方水泥浆流变性能好 、密度较低 ，稠化过渡时 问短 ，且早期抗压强度 高，能阻止气窜的发生。 2 ． 3 ． 2 技术套管固井水泥浆 柴东地 区 台南气 田技 术套管 下入井深 一般 为 8 0 0 1 0 0 0 m，而 在 2 0 0 1 0 0 0 m井 段 ，易 发生 井塌 ，且该层位气层非常活跃 ，导致水泥浆候凝失 重期 间气体窜槽情况时有发生 。因此 ，研究 出了双 凝防窜水泥浆 ，其配方如下。 2 G级高抗硫酸盐嘉华水泥 1 ． 5 ％降失 水剂 0 ． 6 ％分散剂 1 ． 5 ％膨胀剂 0 ． 1 ％消泡剂 3 2 1 ． 0 ％促凝剂 2 和 3 配方水灰 比为 0 ． 4 6 ，密度为 1 ． 8 8 g ／ c m ， 流动度分别为 2 5 0和 2 4 0 mm； AP I 失水量为 3 6 mL， 2 4 h抗压强度为 1 6 ． 5 MP a； 在 2 8℃、1 3 MP a 下初 始稠度分 别为 2 3和 2 8 B c ，稠度 达到 3 0 、5 0 、7 0 、 1 0 0 B c时，2 配 方 的 时 间 分 别 为 1 8 1 、1 9 5 、1 9 8 、 2 0 3 mi n； 3 配方 的时间分别为 1 4 8 、1 5 2 、1 5 7 、1 5 9 mi n 。可 以看出 ，该双凝 防窜水泥浆具有较低的失 水量 ，可防止气侵 的发生 ； 2个配方均有较短的稠 化过渡时间，可减少发生气窜的危险时间 ； 计算可 得 其 w 上部 为 5 ． 1 2 ，防气窜 中等 ； S P N 下部 为 2 ． 8 9防气窜好。该水 泥浆配方利用上部水泥浆稠 化时间长于下部的原理 长约 5 0 mi n ，可补偿水泥 浆候凝期 间失重 、液柱压力较低 的问题 ，阻止水泥 浆失重引起 的管外窜 。同时，该双凝防窜水泥浆配 方加入了晶格膨胀材料来阻止水泥环体积收缩 ，达 到了防止产生微间隙导致气窜的 目的。 2 ． 3 ． 3 气层套管固井水泥浆 采用 以油井水泥膨胀剂和增韧剂为主的增韧双 膨胀防漏水泥浆 ，在抗窜防漏 的同时增加水泥环的 韧性。其 中增韧剂加量 为 1 ． 0 ％～3 ． 0 ％、降失水剂 加量 为 1 ． 0 ％～2 ． 0 ％、分散剂 加量 为 0 ． 2 ％～0 ． 6 ％、 膨胀 剂加量 为 2 ． 0 ％～4 ． 0 ％、消泡剂 加量 为 0 ． 1 ％。 该水泥浆具有较理想的稠化过渡时间、较低 的失水 量和较高的防漏 、防窜效果 f 8 ] 。具体配方如下。 4 G级高抗硫嘉华水泥十 1 ．8 ％降失水剂 0 ． 5 ％ 分散剂 2 ％ 增韧剂 3 ％ 膨胀剂 0 ． 1 ％消泡剂 4 配方水 灰 比为 0 ． 4 6 ，密度 为 I ． 8 8 g ／ c m ，流 动度为 2 2 0 ml T l ； 在 4 5 c C、1 7 MP a 下 ，初始稠度为 2 2 B c ，稠度 达到 3 0 、5 0 、7 0 、1 0 0 Bc的时间分 别 为 1 4 7 、1 5 4 、1 5 8 、1 6 3 mi n； 4 8 h抗 压 强 度 为 1 8 ． 9 MP a ，AP I 失水量为 3 9 mL 。 2 ． 4 现场 施工工 艺 2 ． 4 ． 1 表层套管固井 采用 内插法加螺旋紊流定位器 的固井工艺 ，提 高 了表层套管固井 的顶替效率。在施工 中，要求固 井施工完成后关井候凝 ，防止浅部地层气窜 出，提 高表层套管 固井安全。 2 ． 4 ． 2 技术套管固井 为提高顶替效率 ， 井径不规则的井段 向下 5 0 n l ， 加入 1只螺旋紊流定位器 ，利用螺旋形橡胶导流翼 与井壁紧密吻合 ，使之形成螺旋通道。水泥浆或钻 井 液在通过时产 生旋流作用 ，改变水泥浆 的流型 、 流态 ，从而提高顶替效率 ； 在大尺寸井眼和大尺寸 技术套管的固井施工中，采用变排量顶替技术，近 一 步提高了技术套管固井质量 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 1 0年7月 2 ． 4 ． 3 气层套管固井 应用 以冲洗液 隔离液 领浆 稀水 泥浆 正常水泥浆 尾浆的施工方案 ，冲洗液和隔离液的 接触时间控制在 4 mi n以上 ，紊流接触时间控制在 1 0 mi n以上 ，减少水泥浆与钻井液混浆的比例 ，防 止出现混浆后 ，由于水泥浆性能严重下降 ，导致管 外窜、井漏等事故发生而影响固井质量 ； 应用变排 量顶替技术 ，采用近平衡压力固井方式 ，将 固井施 工 的最高压力控制在底层破裂压力之 内，防止井漏 的发生而水泥浆失返。在气层套管 筛管 固井施 工中，应用滚轴扶正器与刚性扶正器相结合的方式 下人套管 ，不仅使套管或 筛管 顺利下人 ，而且 使套管居中度提高，改善固井质量 ； 应用套管居中 漂浮技术和变排量顶替技术 ，在水平井气层套管固 井压塞时，利用小排量在水平段注入清水 水泥浆 密度为 1 ． 4 0～ I ． 4 5 g ／ c m ，再用大排量顶替 ，使水 平段套管居中度大幅度提高 ，提高顶替效率。 3 现 场应 用 3 ． 1 台I - I 3 2 井技术 套管固井 台 H3 - 2井技术套管下入顺序为4 , 3 1 1 ． 1 5 mm钻 头 1 0 5 0 1 1 3 2 4 4 ． 5 mm技术套管 1 0 4 8 m ； 要 求水泥浆返至地面。该井主要 固井难点表现在 ① 该井在 8 0 0 ～1 0 5 0 m井段 ，高压气层、水层显示 异常活跃 ， 该井段中途完钻时 ， 钻井液密度加至 1 ． 4 2 g ／ c m。 ，要求水 泥浆具有 防气窜水窜 的能力 。②测 井电测井径显示 ，在 2 0 0 ～1 0 5 0 m井段平均井径 为 3 1 ． 8 6 c m，但在 8 0 0 ～ 1 0 4 5 m井段 平均井径为 3 3 ． 2 8 c m， 说明该井在 8 0 0 ～1 0 4 5 m井段环空较大 ， 套管居中难度大，固井顶替效率差。 使用双凝水泥浆 2 和3 及配套工艺技术固井， 主要实验数据如下。稠度达到 3 0 、5 0 、7 0 、1 0 0 B c 时，2 和 3 配方的过渡时间分别为 1 8 9 、1 9 7 、2 0 6 、 2 1 4和 1 7 2 、1 7 6 、1 7 8 、1 8 1 mi n 。 应 用 S P N法 计 算 可得 Ⅳ 下部 为 2 - 3 5 ，具有 良好 的防窜性能 ，同 时上部水泥浆 的稠化时间比下部时问长 3 3 mi n ，有 利 于水泥浆候凝期间液柱压力的补偿 ，防止气窜发 生 。现场实际应用 5 0 m 水泥浆 ，上部井段应用 1 0 m 领浆 ，下部井段应用 4 0 m 尾浆。 该井在 8 4 0 1 0 4 0 m井段共 加 4只螺旋紊 流 定位器 ，以改变该井段大环空的水泥浆流态 ，提高 顶替 效率。根 据该井 实测井径 ，在 8 0 0 1 0 4 0 m 井段每 1 0 m加 1 只刚性扶正器 碰到螺旋紊流定位 器的套管则不加 ； 在 2 0 0 ～8 0 0 m井段每 3 0 m加 1 只，共加 4 0只， 应用 固井设计软件模拟， 套管居中度 为 7 8 ％， 有利于提高顶替效率。应用该水泥浆配方 和 固井工艺的台 H3 ． 2 井 ，其 固井质量为优质 ，而 没有应用该项技术 的台 H4 1 井 ，在 8 0 0 1 0 0 0 m 井段 固井质量较差。 3 ． 2台1 - 1 3 1 井水 平井气层套 管固井 台 H3 1 井 井深为 2 0 9 3 ． 8 2 m 垂深为 1 3 4 6 ． 5 5 1T I 。该井在 1 0 5 8 ． 3 9 ～1 4 9 0 m井段 ，井径为 2 3 3 ． 2 mm，水泥返至地 面。该井固井难点为 同时在水 平段 下入 6 1 5 m的 西1 3 9 ． 7 mm筛管和造斜段 的套 管 ； 使水平井下入套管的部分有效居 中，防止贴边 ； 根据地层情况 ，该井施工工艺及技术措施如下。 1 应用增韧双膨胀防漏水泥浆 4 配方 ，防 止该井发生井 下漏失和气窜 。该水泥浆水灰 比为 0 ． 4 6 ，密度为 1 ． 8 8 g ／ c m ， 流动度为 2 5 0 mm ； 3 5℃、 2 0 MP a 下升温速率 为 1 ． 8℃ ／ mi n ，初始稠度为 2 2 B c ，稠度达到 3 0 、5 0 、7 0 、1 0 0 B c的过渡时间分别 为 1 7 9 、1 9 3 、1 9 7 、2 0 1 mi n； 4 8 h抗压 强 度 为 1 9 ． 5 MP a ，A P I 失水量为 3 0mL 。 2 扶正器位置。西1 3 9 ． 7 mm筛管扶正器安放 位置为从第 1 根加起 ，前 3根筛管每根加 1只滚轴 扶正器 ； 其余井段每 3根筛管加 1只滚子扶正器。 造斜至 A点 ，每 3根筛管加 1只滚轴扶正器 ； 封隔 器上下各加 1 只滚轴扶正器 ，直井段套管 4 0 0 ～ 1 0 5 8 m井段 每 3 0根套管加 1 只刚性扶正器，共 加入 3 2只刚性滚珠滑轮扶正器和 2 0只螺旋刚性扶 正器。这样可使套管和筛管顺利下人 ，同时刚性滚 珠滑轮扶正器可扶正套管，提高了固井质量。 3 现场固井施工过程 中，共注入 2 ． 5 I n 清洗 液 清水 、3 ． 5 m 隔离 液 、3 m 密 度为 1 ． 6 0 g ／ c m 的领浆。应用变排量注水泥及顶替方式 ，在套管内 应用小排量注水泥 ，在前置液 出套管后，加大注水 泥排量及大泵替钻井 液排量，将整个 固井施工压力 控制在 1 2 MP a以内，防止井漏。该井固井全过程 无井漏现象发生 ，水泥浆返出地面 ，全井段固井声 幅值小于 1 0 ％，固井质量为优。 3 ． 3 现场推广应用及效果 2 0 0 8 年以来 ，该固井工艺技术共在东部气田应 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 7卷 第 4期 王刚等 提 高柴东气田天然气井固井质量技术 6 5 用 6 l 口井，其中台南气 田5 5口，涩北气 田6口，合 格率为 1 0 0 ％， 施工安全率为 1 0 0 ％， 水平井固井 2 7口， 优质率为 8 2 ％ ； 表层套管 内插 法 固井 2 1口，优质 率为 4 5 ％ ； 技术套 管双凝水 泥浆 固井 5 2口，优质 率为 8 5 ％ ； 增 韧双膨胀 防漏水 泥浆 固井 6 0口，优 质率为 8 2 ％。达设计返高率除技术套管双凝水 泥浆 固井为 9 8 ％外 ，其余均为 1 0 0 ％。 4结论 及 建 议 1 ． 天然气井表层套管固井使用低温低密度促凝 早强水泥浆 ，并配合使用 了插入法 固井技术 ，防止 管 内、管外 的窜流发生 。 2 ． 技术套管固井采用双凝防窜水泥浆 ，并应用 螺旋紊流定位器提高顶替效率。该技术应用后 ，固 井合格率 为 1 0 0 ％，优质率 为 8 5 ％，施工安 全率为 1 0 0 ％，全年无一 口井发生管外窜安全事故。 3 ． 气 层套管 固井使用 了增韧 双膨胀 防漏水泥 浆 ，其 防漏 、防窜性能优异 。应用气层套管 固井工 艺 ，特别是水平井 固井施工工艺后 ，固井合格率为 1 0 0 ％，优质率为 8 2 ％，达到了设计返高率为 1 0 0 ％ 的效果 。 参 考 文 献 [ 1 ] 补成中，樊朝斌，彭刚 ． 川 I 东北地区高压气井固井防窜 技术分析 [ J J ． 钻井 液与完井 液 ，2 0 0 8 ． 2 5 1 8 1 - 8 3 ． [ 2 ] 刘崇建，谢应权 ，郭小阳，等 ． 水泥浆凝结过程中的气 窜问题 [ R J ． 西南石油学院学报，1 9 9 8 ，2 0 4 1 2 1 4 ． [ 3 ] 王祥林，黄义春，等 ． 固井工程中的抗窜研究 [ R ] ． 石油 学报 ，1 9 9 9 ， 2 0 4 8 8 ． 9 2 ． [ 4 ] 张希文，李爽，张洁，等 ． 钻井液堵漏材料及防漏堵 漏技术研究进展 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 0 9 ，2 6 6 7 4． 7 6． 79 ． [ 5 ] 赵艳，周仕 明 ． 新型防窜水泥浆体系的研究与应用 [ J ] ． 钻井液与完井液 ，2 0 0 1 ，1 8 6 2 7 ． 2 9 ． [ 6 ] 马淑梅，林荣壮，宋艳涛 ． 一种低温浅层多功能抗窜水 泥浆体系 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 1 0 ，2 7 1 5 8 6 0 ． [ 7 ] 李早元 ，郭小阳，罗平压 ． 多元材料复合改性水泥浆体 系 [ J ] ． 钻井液 与完井液 ，2 0 0 8 ，2 5 1 3 3 3 5 ． [ 8 ] 姚晓， 吴叶成 ，等 ． F 2 7 A油井水泥防漏增韧剂的研究及 应用 [ J ] ． 天然气工业，2 0 0 4 ， 2 4 6 6 6 6 9 ． 收稿 日期2 0 1 0 0 3 1 5 ；HG F 1 0 0 4 M7 ；编辑马倩芸 ～ 、 0 E 、 ￡ f 、 、 c ￡ 、 ‘ 、 f 5 、 ， ￡ 、 0 ， l } c 、 c ” 6 々 ￡ 上接 第6 1 页 3 结 论 1 ． 胶乳能显著降低水泥石 的弹性模量 ，但掺有 胶乳 的水泥石 的抗 冲击功较低 ，所 以不能提高水泥 石的韧性 。 2 ． 掺有玻璃纤维 B的水泥石 ，其抗 冲击功和弹 性模量无显著改善 ，抗折强度和抗压强度降低 ； 掺 有化纤 T的水泥石 ，其抗 冲击功显著提高 ，抗压强 度降低 ； 掺有纤维增韧材料 F R的水 泥石 ，其抗 冲 击功增幅最显著 ，弹性模量显著降低 ，抗压强度和 抗折强度提高。故纤维增韧材料 F R可 以降低水泥 石的脆性 ，显著提高水泥石的韧性。 3 ． 与净浆相 比，抗冲击防窜水泥浆 的固化体抗 冲击 功增 加 5 4 ％～6 2 ％，抗压强度基本保 持不变 ， 弹性模量降低 1 8 ．O ％～1 9 ．5 ％，渗透率降低 趋于 零 。随着养护龄期 的延长 ，净浆和胶乳水泥浆体 收缩率增大 ，抗冲击 防窜水泥浆体膨胀率增大。故 抗冲击防窜水 泥浆体具有较高的韧性 以及优异的防 窜性能 。 4 ． 抗冲击 防窜水泥浆体系的失水量较低 ，自由 水为零 ，流变性能较好 ，稠化时问可调 ，该水泥浆 的工程性能满足固井施工的基本技术要求。 参 考 文 献 【 1 ] 姚 晓，樊松林，吴叶成，等 ． 油井水泥纤维增韧材料 的研 究 与应 用 【 J ] ． 西安 石 油 大 学学 报 自然 科学 版 ， 2 0 0 5 ， 2 0 2 3 9 4 3 ． 【 2 ] 孙富全 ， 靳建洲 ． 胶乳水泥浆体系 [ A] ． 2 0 0 4年 固井技 术 研讨会 论文集 [ c J _ 北 京 2 0 0 4年 固井技术 研讨会论 文集 编委会 ， 2 0 0 4 9 0 9 4 ． [ 3 ] 步玉环 ，王瑞和，穆海朋，等 ． 碳纤维改善水泥石韧性 试 验研究 【 J ] ． 石油大学学报 自然科 学版 ， 2 0 0 5 ， 2 9 3 53 60． [ 4 ] A P I ． AP I R e c o mme n d e d P r a c t i c e 1 0 B，S p e c i fi c a t i o n f o r Ma t e r i a l s a n d T e s t i n g for We l l C e me n t s [ S ] ． Wa s h i n g t o n DC API ．1 9 97． 收稿 日期2 0 1 0 0 1 1 5 ；HGF 1 0 0 4 M4 ；编辑 马倩芸 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m