川渝气区“三高”气井固井技术研究_技术研究

摘要

摘要：为解决川渝气区“三高”(高压、高含硫、高危)气井固井难题，在分析其固井技术难点的基础上，通过对水泥腐蚀机理的分析，提出采用水泥浆不同配料组分的颗粒粒径合理

摘要：为解决川渝气区“三高”(高压、高含硫、高危)气井固井难题，在分析其固井技术难点的基础上，通过对水泥腐蚀机理的分析，提出采用水泥浆不同配料组分的颗粒粒径合理级配来优化设计水泥浆的方法。据此，经过实验筛选出漂珠低密度水泥和纤维-胶乳-微膨胀水泥两套具有高强度、良好流变性并能形成低渗透致密水泥石的防腐水泥浆体系。从井眼准备、固井井下工具、提高注替效率、固井漏失补救、压稳等方面研究了提高固井质量的措施。现场应用结果表明，该固井技术的固井合格率和优质率都得到了明显提高。形成了一套川渝气区“三高”气井各层段套管固井技术和配套工艺技术，可用于指导生产，能够保证“三高”气井的固井质量。

关键词：川渝地区；深井；超深井；高含硫气井；水泥浆；固井工艺；应用

0 引言

近年来，川渝地区天然气勘探取得了重大突破，相继发现了多个大型气田，已成为国家重要的油气勘探开发战略接替区和“川气东送”等工程的主要气源区之一。但上述新发现的气田大部分具有埋藏深、地质构造复杂，特别是H₂S气体含量高、地层压力高、天然气产量高的特点，给固井带来困难，固井质量难以保证，甚至出现了部分井在固井后不久就井口窜气导致环空带压，给气井的安全生产带来了严峻的挑战，影响了气井的生产寿命，也给固井提出了新的课题。

1 川渝气区“三高”气井固井难点分析

川渝气区“三高”(高压、高含硫、高危)气井地质条件复杂，具有海相与陆相沉积共存、裂缝发育以及构造变化大等特点，对地质环境认识不清，没有有效的描述和碳酸盐岩地层压力预测手段，钻井经常打“遭遇战”，而现有固井长效封固质量保障技术不能满足“三高”气井的安全要求^[1]。川渝气区“三高”气井固井难点主要如下^[2]：

1) 断层多，裂缝、孔隙和溶洞发育，从侏罗系沙溪庙组-二叠统茅口组均存在严重井漏。漏失井段长，漏层连续不断，漏层位置难以找准。表层套管、技术套管和油层套管固井都出现井漏现象。

2) 井眼质量不好，主要是地层倾角大(30°～50°)、易井斜，套管居中困难；部分层段易塌，井径不规则，出现“糖葫芦”井眼；导致固井第2界面胶结不良；上部以沙溪庙组和自流井组为主；中部以嘉陵江组为主。

3) 地层纵横展布及气水关系复杂，大多数气田纵向有多个产层，呈现多压力体系(如龙16井、龙17井和LG2井等)，窄压力窗口困扰固井质量；高低压力相间，并有异常低压到异常高压交互出现的现象，相邻产层的压力梯度一般相差(0.4～0.6)MPa/100m，最高为1.0MPa/100m，压力系数当量密度为1.00～2.40g/cm³。部分地区存在高压盐水层。

4) 井深，温度、压力高(见表1)，高密度对固井材料与工艺要求苛刻。

5) 受国内套管尺寸系列的限制，常用井身结构(采用Ø508mm+Ø339.7mm+Ø244.5mm+Ø177.8mm+Ø127mm的套管结构)带来一次固井封固段长，深井超深井的下部套管固井上下温差大，大温差极易发生水泥浆超缓凝现象，固井质量无法保证。

6) 超深井油层套管小井眼、小间隙段固井质量难得到保证。高含H₂S和CO₂等酸性物质，极易发生腐蚀，导致水泥石强度降低，防腐矛盾突出(表1)。“三高”气井固井极易出现套管环空窜气，出现井口环空带压，这也是世界级难题^[3]。

表1 川渝气区部分“三高”气田特征资料表

项目	渡口河气田	罗家寨气田	铁山坡气田	LG气田
井深/m	4500～5500	3400～3600	4200～4700	6200～7000
地层压力/MPa	44～52	40～42	48～50	50～70
日产气量/10⁴m³	30～60	45～65	30～110	20～120
H₂S含量/g·m^-3	140～244	120～150	200～210	30～110
C0₂含量/g·m^-3	60～162	100～205	40～125	—
井底温度/℃	100～110	80～90	90～100	140～160

2 “三高”气井固井水泥浆研究

对“三高”气井固井而言，必须达到两个目标：①要有良好的固井封固质量；②水泥石具有良好的抗腐蚀性。水泥环柱是套管的包被，水泥环的先期腐蚀可引起和加快套管的腐蚀破坏，从而影响油气井的寿命。而水泥浆的好坏则直接决定了水泥环柱的质量。

2.1 “三高”气井水泥腐蚀机理及防腐对策

“三高”气井腐蚀源主要是H₂S和CO₂等酸性气体，由水泥石腐蚀机理可知，腐蚀介质主要是与水泥石中的成分起化学反应。H₂S与水泥石一接触就与水泥石表面的CaO起反应生成CaS、FeS、Al₂S₃，H₂S含量大时生成Ca(HS)₂，其中FeS、Al₂S₃等是没有胶结性的物质，造成水泥石一层一层地很快被腐蚀、脱落，逐渐进入内部，直致穿透。当硅酸钙的水泥石与C0₂和水接触时，发生一系列化学反应，水泥都会变成碳酸盐，使水泥石强度下降、渗透率增加、腐蚀深入。为阻止这种反应的进行，需要采用抗硫水泥和降低水泥石的渗透率与孔隙度。1990年N.Milestone通过研究发现，如果在水泥中添加少量的高钙物质，比如高炉矿渣漂珠或高钙粉煤灰(占水泥重量的15%)可提高抗碳酸化的能力；加入一定量的硅砂或硅粉，可大大提高水泥石抗腐蚀的能力^[4～5]。

2.2 水泥浆体系研究

2.2.1低密度水泥浆体系

由于常规低密度水泥浆的水灰比和外掺料较大，一般具有较低的抗压强度和较高的渗透性，不适用于“三高”气井固井。利用紧密堆积理论口1，优化水泥浆配料粒度和配比，采用不易压碎的玻璃微珠或漂珠(粒径为80～120μm)作为减轻剂、水泥(粒径为20～40μm)、增强剂(粒径为5～10μm)设计出高性能低密度水泥浆，配方为：嘉华G级水泥+减轻剂+降失水剂+调凝剂+增强剂，性能参数见表2。

表2 低密度水泥浆性能参数表

密度/g·cm^-3	流动度/cm	失水/mL	稠化时间/min	48h抗压强度/MPa	水泥石渗透率/10^-3μm²
1.45	23	45	330/343	17.1	0.0057
1.40	22	40	375/386	16.9	0.0053
1.35	22	36	390/402	16.4	0.0185

2.2.2纤维-胶乳微膨胀水泥浆体系

考虑到川渝气区固井防漏、防气窜和抗腐蚀的要求，利用纤维阻止微裂缝的生成、扩展，阻止水泥石失效防漏失；利用胶乳充填水泥石孔隙，利用微膨胀材料补偿水泥凝固过程的收缩和充填水泥石孔隙，从而提高水泥石强度，防止水泥环应力破坏，阻止气体通过水泥石基体窜流，实现有效封固。纤维材料可与孔隙、裂缝壁产生较大的摩擦、阻挂和滞留作用，在孔隙、裂缝表面形成网状结构，进而水泥颗粒在这些网状结构上吸附、堆积形成致密的水泥浆滤饼，达到封堵裂缝和孔隙、消除漏失的目的。防漏纤维材料长度范围为0.1～8mm，不同长度不同粒径掺杂在一起，以便构成不同长度级配的网状纤维群，提高粘接强度和封堵能力^[7]。胶乳水泥是近年国外用来解决深层天然气井防气窜固井的新技术。胶乳是乳化聚合物的通用名称，这种材料通常为很小的球状聚合物颗粒的乳状悬浮液，胶粒的粒径为0.05～0.5μm。由于不参与水泥水化反应，因而在水泥浆凝固后，胶乳会充填水泥石孔隙，降低水泥石渗透率，成为不渗透水泥，并进而改善强度发展。通过改善水泥浆颗粒级配，胶乳可以将水泥浆的API滤失量有效控制在50mL以内。膨胀剂是一种很微小的晶格膨胀材料，在水泥硬化过程中，可使水泥石晶格发生微小膨胀，使水泥石致密化，并充填于水泥石的毛细孔或气孔中，从而提高了水泥石的强度和抗渗等性能，改善了水泥环胶结性能。

通过上述材料复配，可设计出适合川渝气区“三高”气井固井的纤维-微膨胀水泥浆、纤维-胶乳水泥浆和纤维-胶乳-微膨胀水泥浆体系。实验筛选出的水泥浆配方和性能见表3。

表3 纤维-胶乳-微膨胀水泥浆性能参数表

配方	密度/g·cm^-3	稠化时间/min	API失水/mL	24h抗压强度/MPa	水泥石渗透率/10^-3μm²
嘉华G级水泥+35%硅粉+12%PZW-A+4%BXF-200L+1.5%BXR-300L+2.3%BCE-210L+0.5%CF40S	1.90	310/320	40	22	0.0049
嘉华G级水泥+35%硅粉+4.25%BCS-020S+3%BCT-800L+6.3%BXF-200L+1.6%BXR-300+1.85%BXR-300LEX+0.33%G603	1.88	248/259	28	23	0.0036

3 提高固井质量技术

固井质量受到诸多因素的制约，需要从工艺技术、水泥浆性能、两相液体流动规律及水泥浆凝固特性等诸多方面进行综合研究，从而制订出系统的、合理的技术措施。就川渝气区“三高”气井而言，为提高水泥环封固质量仍需要解决以下较关键的技术问题：①水泥浆顶替、清除“糖葫芦”井段以及小、窄环空钻井液的两相液体流动问题；②水泥浆凝固过程中因水泥浆失重而造成的气窜问题等^[8]。

3.1 井眼准备

钻井期间保持井眼规则，下套管前用稳定器刚性通井，固井前坚持地层承压堵漏，充分循环，保证井底清洁和井壁稳定；合理调整钻井液性能，在保证平衡油、气、水层压力的前提下，应尽量降低钻井液密度、静切力、屈服值和塑性黏度，以增大其与水泥浆性能之间的差距，提高顶替效率。

3.2 采用高可靠性固井井下工具

选用可靠性高的固井井下工具，材质上要抗硫，强度满足要求。对尾管固井采用带封隔器的尾管悬挂器，解决气井尾管固井存在的喇叭口窜气问题，保障尾管固井质量。

3.3 提高固井注替效率

研究表明，影响川渝气区“三高”气井注水泥顶替效率的因素主要有：井径不规则，套管在井内的居中度，液体在环空间的流动状态，紊流时液体流过封隔层位所接触的时间，钻井液的触变性，钻井液与水泥浆的相容性和流变性，水泥浆与钻井液的密度差等。

为提高固井注替效率，可采用以下技术措施：①用刚性扶正器强化套管居中，保证居中度在70%以上；②采用优质前置液和冲洗液，合理用量；③优化设计水泥浆注替参数，除表层套管外，在保证井下不漏失的前提下，尽量采用大排量顶替；④旋转尾管技术；⑤要精心组织施工，采用水泥批混并保持施工连续性，水泥浆混配均匀，施工密度差应控制在0.02g/cm³以下。

3.4 正注反挤补救固井工艺

固井施工应力求避免发生井下漏失，但发生井漏后就需要采用有效的措施进行补救。对于窄压力窗口、多漏失层段，采取间歇式反挤作业。当挤入上部漏失层的水泥浆停止流动一定时间后会提高该漏失层的承压能力。因此，再次开始挤注时水泥浆可能继续下行到达下部漏层。反复多次挤注就会将所有漏失层和裸眼段封固，在一定程度上能提高固井质量。

3.5 采用过平衡两凝憋回压压稳气层法固井工艺

相对而言，在高压气井中发生气窜的现象比一般气井要多得多，危险性也大，特别是“三高”气井。因此，可采用“三压稳”及两凝水泥憋回压压稳气层，防止气窜^[9]。即在注水泥结束后，水泥浆初凝前，给井口环空施加一定的回压，以补偿水泥浆在固化过程中由于“自身悬挂”而引起的静液柱压力的损失，从而防止气窜^[10]。井口环空憋压候凝的附加压力满足下列公式的要求。井口环空反憋压力时间宜在快凝段水泥初凝前1h左右实施。

p_f＞p_m+p_sc+p_ac+p_ad≥p_p+p₀

式中：p_f为地层破裂压力，MPa；p_p为地层孔隙压力，MPa；p_m为缓凝水泥浆上部井内液柱压力，MPa；p_sc为缓凝水泥浆液柱压力，MPa；p_ac为快凝水泥浆液柱压力，MPa；p_ad为井口环空反憋压力，MPa；p₀为经验值，一般取2～3MPa。

上述水泥浆体系和配套固井工艺在四川剑阁和LG地区现场应用，固井合格率和优质率得到大幅度提高(表4)。通过现场试验，提出了川1渝气区“三高”气井分井段固井技术思路和相关技术方案(表5)。

表4 部分试验井固井质量统计表 %

井号	套管层次	采用的水泥浆体系	合格率	优质率
剑门1	Ø244.5mm技术套管	低密度水泥+纤维微膨胀水泥	99.14	77.4
剑门1	Ø177.8mm尾管	低密度水泥+胶乳微膨胀水泥	80.20	31.3
LG11	Ø177.8mm尾管回接	双凝胶乳水泥	99.40	99.3
LG001-2	Ø127mm尾管	抗高温胶乳微膨胀水泥	91.00	40.6

表5 川渝气区“三高”气井各层套管固井技术方案表 mm

套管尺寸	固井方式	水泥浆体系	主要技术措施
Ø508.0	内插管固井；一次注水泥	常规水泥浆	适当高水灰比，低返速固井
Ø339.7	内插管固井；正注反挤	常规密度水泥浆(纤维防漏水泥浆)	居中，反挤作业时采用间歇式挤注工艺
Ø244.5	一次注水泥(若井漏则井口反挤)	双密度双凝水泥浆；低密度水泥浆(领浆)+常规水泥浆(尾浆)	扶正器通井，承压堵漏，大冲洗液用量，双胶塞固井
Ø177.8	尾管悬挂；一次注水泥	双凝防硫水泥浆；低密度水泥浆(领浆)+纤维-胶乳-微膨胀水泥浆(尾浆)	带封隔器的尾管悬挂器，承压堵漏，高早强高强度低失水直角稠化水泥浆，低渗透水泥石，强化管柱居中，大排量顶替
Ø177.8	回接；一次注水泥	常规密度双凝水泥浆	高早强低失水零析水水泥浆，大排量顶替，活动套管，环空加压候凝
Ø127.0	尾管悬挂；一次注水泥	抗高温、高密度防硫水泥浆(胶乳-微膨胀水泥浆)	带封隔器的尾管悬挂器(可旋转)，低失水防气窜设计，直角稠化，刚性扶正器居中，大排量顶替部件

4 结论

1) “三高”气井固井的核心是防气窜、环空有效密封和形成致密低渗高强防腐蚀的水泥石。

2) 影响固井质量的因素很多，需要综合加以考虑，并作为一项系统工程来对待。川渝气区“三高”气井固井重点要解决大温差超缓凝和井口环空带压等问题。

3) 对易漏地层在固井前要坚持地层承压堵漏，采用环空憋压候凝、带封隔器的尾管悬挂器等方法或设备有利于提高“三高”气井固井质量。以玻璃微珠或漂珠低密度水泥作领浆、纤维-胶乳-微膨胀水泥作尾浆的双密度双凝水泥浆体系可明显改善川渝气区“三高”气井Ø244.5mm和Ø177.8mm套管固井质量，固井合格率和优质率都得到了有效提高。

参考文献

[1] GUO XIAO，DU ZHIMIN，FU DEKU. What Determines sour gas reservoir development in China[R].International Petroleum Technology Conference，4-6 December 2007，Dubai.U.A.E.SPE 11422，2007.

[2] 曾时田.高含硫气田钻井、完井主要难点及对策[J].天然气工业，2008，28(4)：52-55.

[3] ADAM BOURGOYNE T，STUART SCOTT L.A review of sustained casing pressure occurring on the OCS[R/OL].http：∥www.mms.gov/tarprojects/008/008DE.pdf.

[4] KRILOV Z，LONCARIC B，MIKSA Z. Investigation of a long term cement deterioration under a high-temperature，sour gas downhole environment[R].SPE International Sympasium on Formation Damage Control，23-24 February 2000.Lafayetle，Louisiana. SPE 58771，2000.

[5] LECOLIER E，RIVEREAU A，FERRER N，et al. Durability of oilwell cement formulations aged in H₂S-containing fluids[R].IADC/SPE Drilling Conference，21-23 February 2006.Micmi，Florida，USA.SPE 99105，2006.

[6] LAWS M，RIYAMI M，SOEK H，et al. Special cement and cementing techniques improve zonal isolation in South Oman Fields VR].SPE Annual Technical Conference and Exhibition，24-27 September 2006，San Antonio，Texas，USA.SPE 102414，2006.

[7] MATA FREDDY，VEIGA MANUEL. Crosslinked cements solve lost circulation problems[R].SPE Annual Teclhnical Conference and Exhibition，26-29 September 2004，Houston，Texas，USA.SPE 90496，2004.

[8] 丁士东，周仕明，陈雷.川东北地区高温高压高含硫气井配套固井技术[J].天然气工业，2009，29(2)：58-60.

[9] BROOKS R，NEWBERRY J，COOK P，et al. Preventing annular gas flow in conjunction with 2 stage cementing[R].SPE Asia Pacific oil and gas Conference and Exhibition 20-22.October 2008，Perth. Australia. SPE 116447，2008.

[10] 石庆，徐峰，陈斌，等.高压气井套管回接固井预应力技术[J].天然气工业，2009，29(4)：52-53.

(本文作者：黄洪春^1，2 刘爱萍³ 陈刚⁴ 卢红⁵ 1.中国石油大学石油天然气工程学院(北京)；2.中国石油天然气集团公司钻井工程技术研究院；3.中国石油天然气集团公司海洋工程有限公司；4.中国石油西南油气田公司；5.中国石油勘探开发研究院廊坊分院)