19、吉林油田双坨子地区气井固井技术研究与应用.doc

1、 1 吉林油田双坨子地区气井固井技术研究与应用 齐奉忠 1 申瑞臣 1 王顺利 2 步云鹏 3 （ 1 中国石油勘探开发研究院廊坊分院 完井所 ， 河北廊坊 065007； 2 吉林石油集团钻井工艺研究院 ， 吉林松原 138000； 3 吉林油田 分公司钻采工程处 ， 吉林松原 138000） 摘 要 ： 吉林油田双坨子地区 天 然气资源非常丰富， 具有极佳的开发应用前景。但是该地区 气层多 、分布井段长、 气水层 间互，固井时易发生层间互窜 ， 同时上部地层低压易漏，保证固井施工安全及固井质量 的 难 度大 ，前期 固井质量 差 的问题严重制约了该地区天然气 的勘探与开发 工作 。 针对该

2、 地区 的地质特点及 固井难点，筛选出了具有良好防窜性能的水泥浆体系 G302，制定了合适的固井施工方案及配套措施。通过室内研究与现场试验，寻找出了解决该地区多层系 、 长封固段条件下 防气窜及提高顶替效率的方法，形成了一套指导 双坨子地区 气 井 固井的综合配套技术。 2005 年 在 双坨子地区 综合应用上述技术后，现场共施工 4口 井，固井质量全部优质，层间封隔 良好 ，解决了该地区 气井 固井 的 技术难题，为 该地区天然气的经济高效开发 奠定了基础 。 关键 词 ： 吉林油田 ； 气井固井 ； 固井质量 ； 防窜 ； 添加剂 ；顶替效率 吉林油田双 坨子地区天然气资源非常丰富，并已发

3、现深层气藏，预测天然气 地质 储量为30 50108m3，是吉林油田增储上产的重点区块 之一 。但是该地区 固井中存在的漏失及环空气窜技术问 题 ， 一直阻碍 着 该地区 天然气的勘探与开发工作 。为此 ， 廊坊分院 完井所 和 吉林油田 共同承担并开展了 “双坨子地区气井固井技术研究 与应用 ”课题 ， 在分析与 研究 双坨子地区 环空气窜原因 的基础上 ， 筛选 出了具有 良好 防 窜性能 的 水泥浆体系 G302， 经 性能测试 及防 窜 性能 评价表明 ， 该 体系具有失水 量 低 、过渡时间短、 防窜性好 等特点。结合 双坨子地区固井状况及 G302 水泥浆体系的特 点 ， 研究 出

4、 了与之相配套的现场工艺措施 ， 形成了一套以G302 水泥浆体系为核心 的 综合 防窜固井技术，成功解决了长期困扰该地区的环空气窜技术问 题。该技术的成功应用也为解决类似 的气井固井问题探索 出 了一条有效的技术 途径。 一、 双坨子地区气井固井的难点 1 固井时易发生气窜 双坨子地区 气层多（ 40 60 层）、 分布井段长、 间隔近、 气水层间互 、活跃 性高 ，固井封固 段 一般 为 1200 1400m，固井中防窜困难 ，对水泥浆配方及综合防窜性措施要求高 。 2 保证安全施工的难度大 双坨子地区 上部地层低压易漏， 180 550m 井段井壁稳定 性 差，易垮塌 ，提高顶替 效率困

5、难； 泉头组 2500m 以下 地层承压能力低，易发生漏 失 ， 固井过程中 如果环空返速高、压耗大， 很 容 易发生漏失，不但会漏封气层，还 会 对储层造成很大伤害， 这也给 安全 施工提出了较高 的要求。 3 保证上部浅层气固井质量 的 难度大 2 双坨子地区 的 浅层气主要集中 在 400 600m 之间 ，而 技术套管下入浅（约 1200m 左右），浅层气段 井底温度低，低温下水泥浆水化速度缓慢，防窜难度大，并且上部地层低压易漏，固井过程中易发生漏失，固井施工的危险性大。 4 水泥浆配方设计困难 满足双坨子地区固井的水泥浆 配方 要求 失 水 量低 （小于 50mL）、过渡 时间短 ，

6、水泥浆流动性好、 稳定性好、防窜性好，并 且 有利于保护储层，能满足 多层系、 长封固 段固井的要求，室内筛选适合此要求的水泥浆配方难度大。 前期 应用了 7 种水泥浆体系、 9 种外加剂均没有解决该地区的固井质量问题。 由于双坨子地区特殊的地质特点 及固井难点，前期固井质量问题一直没有得到解决，也严重影响了该地区天然气的勘探开发工作 。 2000 年该地区共完井 10 口，有 3 口井 固井质量不合格 ； 2003 年共完井 5 口，合格 井 2 口， 有 4 口井口冒气，不仅技 术 套 管 固井 冒气，而且生产套管 固井 也冒气； 2004 年完成 的坨深 6 井 除两个气层封固好以外，其

7、余井段固井质量差。 二、 双坨子地区气井 固井对策分析 双坨子地区气层多、 分布井段长、 间隔近、 气水层活跃，因此防止候凝过程中的 气 水 窜问题是 要 首先考虑的问题。综合分析已有的固井资料，要保证双 坨子地区的固井质量，除采取有效措施提高顶替效率外，还必须在保证 “三压稳 ”的情况下提高水泥浆的防窜能力。因此，首先要在水泥浆体系上下功夫，使水泥浆 具有较短的过渡时间、较快的强度发展，水泥浆失重时基质内部阻力大、 渗透性低 ，主要的技术措施如下： （ 1）优选适合 双坨子地区固井的防窜水泥浆 体系 ； （ 2） 长封固段条件下 提高顶替效率的 技术 措施； （ 3） 以 “三压稳 ”为前提

8、，同时防止固井施工中井漏的 综合配套 措施 。 三、 适合双坨子地区气井固井的水泥浆体系 研究 1 防气窜水泥浆体系应满足的条件 （ 1） 水泥浆 可泵性 好 ，密度控制在 1.88 1.93g/cm3 之间，流动度大于 23cm； （ 2） 所选择水泥浆体系的过渡时间小于 20min，最好低于 15min； （ 3）水泥浆具有较小的滤失量，失水量小于 50mL/6.9MPa,30min； （ 4）施工结束后，水泥浆的胶凝强度迅速增长，使之越过临界胶凝强度； （ 5）水泥浆 处于失重状态 时，水泥基质渗透性低，内部阻力大，能抵御气体的窜入； （ 6）在保证固井质量、 实现对气层及层间有效封隔的

9、前提下 ， 水泥浆及固井施工 对储层的伤害小。 2 防窜降失水剂 的 选择 根据国内现有外加剂的性能、使用状况及双坨子地区 钻井完井的特点、环空气窜的特性，经过大量室内试验及分析对比，考虑采用 G302 作为防窜水泥浆的降失水剂比较合适。 3 G302 是一种以高分子化合物为主的材料，水泥水化后能降低水泥基质的渗透率，改善水泥浆的胶凝特性。加入 G302 后能 大大提高水泥浆的防窜能力。作为一种高分子化合物，G302 能改变混合水的性能 ，在不妨碍水泥正常水化的前提下，控制其 “聚合 ”与 “交联 ”的物化速度，能增加游离水的粘滞力，堵塞水泥内部网架结构间的孔隙，达到增强水泥抵抗油气水侵入的阻

10、力。当水泥凝固后， G302 能堵塞水泥基质中的孔隙，降低水泥石的渗透率，减少了气体窜入的可能性，也可以有效抗击射孔的冲击。 3 防窜膨胀剂 的 选择 为了更好地满足双坨子地区气井固井的要求，在筛选 G302 防窜 降失水剂 基础上， 还选用了 膨胀剂 F17D 作为防窜水泥浆的辅剂， 来 补偿水泥浆 固化过程中产生的体积收缩，改善水泥石的微观结构，提高 水泥石的 抗压强度并降低渗透率， 进一步 优化水泥浆的整体性能。F17D 不含 CaCl2，对水泥石后期强度无不良影响，与其他外加剂配伍性好，温度适用范围宽（ 30 350 ）。 4 适合双坨子地区气井固井的防窜水泥浆性能评价 根据 双坨子地

11、区对水泥浆性能的 要求 ， 在室内进行 了大量的配方筛选工作，确定了适用于技术套管及生产套管 固井 的水泥浆配方 ，并且在现场进行了成功应用，证明筛 选的 防窜 水泥浆能有效防止环空的气 水 窜， 保证层间的封隔质量 。 （ 1） 技术套管固井水泥浆性能 表 1 技术套管固井 水泥浆主要性能 水灰比 密度 g/cm3 失水量 mL 游离液 mL 初始 稠度 Bc 30Bc 时间min 稠化时间 min 24h 抗压强度 MPa 0.44 1.91 30 0 15 124 140 24 注：试验温度 41 ，压力 20MPa。 （ 2） 生产套管固井水泥浆性能 表 2 生产套管固井 水泥浆主要性

12、能 水灰比 密度 g/cm3 失水量 mL 游离液 mL 初始稠度 Bc 30Bc 时间 min 稠化时间 min 24h 抗压强度 MPa 0.44 1.92 25 0 18 109 122 26 注：试验温度 68 ，压力 35MPa。 （ 3） G302 防窜水泥浆稠化特性 在大量 室内试验的基础上，通过优化水泥浆配方，在稠化时间满足施工要求的基础上，井底循环温度下基本实现了 “直角 ”稠化，水泥浆 稠化时间 从 30Bc 过渡到 100Bc 的时间 一 般小于 15min。 4 0204060801001200 50 100 150 200稠化时间（m i n ）稠度（Bc）图 1 生

13、产套管固井水泥浆稠化曲线 （ 4） G302 水泥浆防窜性评价 水泥浆 能否防止 气水窜，最关键的性能是水化阶段该体系对油气水窜的相对渗透率及内部阻力变化的大小。水泥浆对气体不渗透能力形成越快，气窜的机率就越小；另一个要考虑的因素是水泥浆的失水特性。 评价水泥浆防窜性能 参数 SPN 计算式为： 30/)( 30100 ttA P IS P N 失水 式中 API 失水 水泥浆 30min/6.9MPa 条件下的失水量， mL； 100t 水泥浆达到 100Bc 的时间， min； 30t 水泥浆达到 30Bc 的时间， min。 应用 SPN 值，可以对水泥浆进行防窜 性 评价， SPN 值

14、越小，水泥浆防窜能力越强，评价标准见下表。 表 3 水泥浆性能系数评价标准 SPN 值 1 3 3 7 7 评价标准 较好 中等 差 表 4 生产套管固井水泥浆的 SPN 值 项 目 失水量 mL 30t min 100t min 过渡时间 min SPN 速凝 水泥浆 25 145 160 15 2.77 缓凝 水泥浆 25 110 122 12 2.54 采用水泥浆性能系数对生产套管固井的水泥浆 防窜性 进行评价，可以看出水泥浆具有较好的防窜能力，配合其他的防窜措施，能满足固井时防窜的要求。 四、 适合双坨子地区气井固井的防窜配套技术 5 1 采用 G302防窜水泥浆 采用防窜降失水剂 G

15、302 配合膨胀剂 F17D， 来 缩短水泥浆 的 过渡时间， 使水泥浆达到低失水、短过渡、防窜性好的目的，降低水泥浆在气水窜最薄弱环节即过渡状态发生 气 水窜的几率，满足多层系、长封固段固井的要求 。 2 采用两凝水泥 在双坨子地区气井固井中，为保证水泥浆失重时对气水 层的压稳，防止层间互窜 ，在技术套管及生产套管固井中 采用了两凝水泥 。 速凝水泥浆与缓凝水泥浆在环空中的高度约为1:1， 在 速凝水泥浆初凝后，缓凝水泥浆才开始凝结， 从而 保证水泥浆在失重时对气水层的压稳，避免气 水 窜的发生。 3 采取 “三压稳 ”技术 要保证双坨子地区 多层系、活跃气 水 层的固井质量， 防止层间互窜

16、， 必须采取 “三压稳 ”技术，即固井前的压稳、固井过程中的压稳及水泥浆失重时上部压力不能传递时的压稳。 为保证在水泥浆失重、上部压力不能往下传递时对气水层的压稳， 主要采用 G302 配合 F17D来优化水泥浆性能，优化水泥颗粒级配，增加水泥浆在水化过程中 的 内部阻力 ， 使水泥浆从液态到完全固化后，始终使 P 气 P 环 P 阻 ， 来保证气层与气层、气层与水层间的良好 密封。 五、 适合双坨子地区 低压易漏条件下 提高顶替效率的技术措施 1 保证 套管 的 居中 度 根据电测数据和实钻资料综合考虑扶正器的加入 数 量，在 主要 气层段每根套管加一 只扶正器， 其他封固段每两根套管加一只

17、扶正器。 采用固井软件模拟， 大部分井段 套管 的居中度在 85%以上，部分井段在 95%以上。 2 冲 洗液、隔离液 （ 1） JSS-1 冲洗液 JSS-1 冲洗液由清水、高聚物、降失水剂和抑制剂组成 ，对钻井液具有明显的稀释作用 ，能 有效冲洗井 壁泥饼，隔离钻井液与水泥浆，给水泥浆提供一个清洁干净的胶结环境 ， JSS-1冲洗液与 钻井液 及 水泥浆相容性好。 表 5 JSS-1 冲洗液的性能 项目 密度 g/cm3 塑性粘度 mPa.s 滤失量 mL 热稳定性 性能 1.00 1.03 40 50 0 80 （ 2） NCH-2 隔离液 NCH-2 粘稠型 隔离液由清水、高聚物、降失

18、水剂、抑制剂、悬浮剂组成，能够高效携带残留 泥饼或 沉淀岩屑，隔离钻井液与 水泥浆，防止泥页岩膨胀， 减少污染 ， 该隔离液与钻井液或水泥浆相容性好。 表 6 NCH-2 隔离液的性能 6 项目 密度 g/cm3 塑性粘度 mPa.s 滤失量 ml 热稳定性 性能 1.0 1.35 40 80 50 0 150 3 顶替排量的确定 双坨子地区气井固井施工中，由于受井下状况、地层耐压强度、现场设备及水泥浆性能的限制，很难达到紊流顶替 。开始替浆时排量 一般 控制在 1.0 1.2 m/min 左右， 然 后逐渐将排量提高到 1.5 1.80 m/min，如果排量再高， 就会 导致水泥浆漏失。在排

19、量达到 1.80 m/min 时，环空返速仅为 1.32m/s，达不到紊流 顶替 。 环空中 水泥浆 达到 紊流 顶替 时 ，替浆排量要达到 3.2 m/min。 为保证顶替效果，同时又防止 过程中 固井 过程 的漏失， 主要靠 JSS-1 冲洗液与 NCH-2隔离液 来实现。 由于冲洗液与隔离液的密度低、粘度低，在低速下就可以实现紊流顶替 ， 替排量 为 0.6m/min 时， 洗液的环空雷诺数为 14600， 隔离液 的 环空 雷诺数为 6300，均 可以 实现紊流 顶替 。 通过 坨 111 等 4 口井技术套管及生产套管固井 的 现场试验 表明 ， 该 项 措施能满足双坨子地区长封固段

20、条件下 提高顶替效率及 防漏的要求 。 六、 现场应用 G302 防气窜水泥浆、 JSS-1 冲洗液、 NCH-2 隔离液及配套的 固井 施工 工艺 首先 在坨 111井 （ 60 个气层 ） 进行了试验， 244.5mm 技术套管固井 CBL 声幅在 10%以内， 139.7mm生产套管 固井 声幅 CBL 在 5%以内， VDL 显示第二界面胶结良好。 后期又推广应用 3 口井（坨 112、坨 113、坨 114）固井质量全部优质。这 4 口 井固井的 成功，标志着双坨子地区气井固井技术取得重大 技术 突破。 坨 111 井 位于 松辽盆地南部中央坳陷区华字井阶地双坨子构造， 244.5m

21、m 技术套管下深 1161.74m， 139.7mm 生产套管下深 2312.07m， 气层顶界 1228m，气层底界 2281m，水泥面返高 1070m。 固井 施工时注入 JSS-1 冲洗液 2.5 m， NCH-2 隔离液 6m。 注入缓凝水泥浆 20m，水泥浆密度控制在 1.88 1.93g/cm之间； 注入速凝水泥浆 18m，水泥浆密度控制在 1.88 1.93g/c m之间，注水泥排量控制在 20 25L/s 之间。 泥浆泵替 浆 22.3m，排量控制在 25L/s 左右 ；最后 8m钻井液 采用水泥车顶替，排量控制在 10 15L/s 左右。 整个固井施工 过程 顺利，水泥浆密度

22、均匀， 施工中无漏失现象。 48h 经 CBL/VDL 测井检测 ，固井质量优 质， 60 个气层段及所有的水层段声幅均在 5%以内 。 七、 认识及结论 （ 1） 防窜水泥浆 G302 失水量低，失重时基质内部渗透性低，内部阻力大，浆体稳定性好； （ 2）膨胀剂 F17D 与 G302 配合使用， 水泥浆 过渡时间短，稠化时间易调，早期强度发展快，有利于防止漏失，有利于保护储层； （ 3） 在双坨子地区采用防窜水泥浆并配合两凝水泥、提高顶替效率的技术措施保证了7 在水泥浆失重时对气层的压稳，防止了环空气水窜的发生； （ 4） JSS-1 配合 NCH-2 前置液体系，配合套管 居中、充分调整

23、钻井液性能及控制适当的顶替排量能有效提高顶替效率。 参考文献 ； 1 钻井手册（甲方）上册 . 北京：石油工业出版社， 1990. 2 齐奉忠 ， 等 . 提高调整井固井质量的技术与认识 . 钻采工艺 . 2002；（ 5） 6-8. 3 马开华 ， 等 . LDAM 低密度防气窜水泥浆体系的研究与应用 . 石油钻采工艺， 2000，（ 1） .24-26. 4 齐奉忠 ， 等 . 柴达木盆地东部气田浅层气藏固井技术 .天然工业（增刊） ， A2004.31-34. 作者简介： 齐奉忠， 1971 年 1 月 生 ， 男，高级工程师， 1994 年毕业于西南石油学院应用化学专业， 2005 年毕业于石油勘探开发研究院 油气井 工程专业，获 得 硕士学位 ，一直 从事固井完井技术 科研与现场应用 工作。