元壩地區固井技術難點與對策探討

朱 弘

(中國石化南方勘探分公司研究院，四川成都 610041)

元壩地區固井技術難點與對策探討

朱 弘

(中國石化南方勘探分公司研究院，四川成都 610041)

川東北元壩地區面臨井深、高溫、高壓、固井安全密度窗口窄、防漏防竄矛盾突出等諸多技術固井難題。針對元壩地區已完成井固井質量不穩定、環空竄氣的現狀，創新性地在元壩15口井固井作業中使用了泥餅固化防氣竄固井技術，該技術有效提高了固井質量,對下步該地區提高固井質量、減少環空竄氣有一定的借鑒意義。

元壩地區；固井技術；泥餅固化；固井質量

超深、超高溫、復雜壓力體系環境，并同時存在長裸眼、小間隙、窄窗口、漏失等固井難題，集中體現在元壩地區固井施工中，造成了世界級固井難題。固井質量不穩定、環空竄氣兩大問題已經成為元壩氣田后續開發的隱患。近年來在川東北元壩地區先后采用了防氣竄水泥漿體系、防氣竄固井工藝技術及防氣竄工具等新體系、新工藝和新工具，井身結構也不斷優化，固井質量有了明顯改善，但上述兩個問題卻依然存在。

1 地層特點

元壩地區固井面臨的主要地質難點是“三高一低、一小一長、兩厚一大”，即高溫、高壓、高產，部分層位承壓能力低；部分開次套管的環空間隙小，封固的裸眼段長；長時間施工在井壁形成厚泥餅，嘉陵江組鹽層厚，長封固段的領、尾漿溫度差別大。地層由上到下存在6套壓力系統，見圖1。

圖1 元壩地區地層壓力系數分布圖

(1)上部陸相地層主要包括沙溪廟組、千佛崖組、自流井組和須家河組，其中，上沙溪廟組地層底部垮塌嚴重，承壓能力低；千佛崖組地層水敏性強；自流井組至須家河組地層是高壓裂縫性地層，噴漏同存，安全窗口狹窄。

(2)海相飛仙關和長興組氣層是主要目的層，埋藏深度都在7 000 m左右，屬于常壓氣藏，但儲層溫度高，最高達160 ℃，且含H2S和CO2；嘉陵江組五、四段地層的主要巖性是石膏和鹽，存在蠕動性膏巖層和高溫高含硫氣層，YB2井發生鹽膏層段擠毀套管的故障，YB102-側1井在鹽膏層段發生了卡鉆；嘉陵江組二段高壓水層發育；長興組礁灘相白云巖儲層壓力系數低，易發生滲透性漏失；茅口組-棲霞組地層為高壓地層[1]。

2 固井技術難點分析

(1)固井質量不穩定，產層井段固井合格率不高。近幾年在元壩探區234井次的固井中，合格井次204次，平均固井質量合格率僅為87.17 %，詳見表1。2010年氣層段固井質量合格率僅有71.43 %，固井質量不穩定。

(2)固井環空竄氣問題突出。HB1井完井時環空帶壓，SM1、JX1井固井完成后套管內井噴，LJ2井技套在一次固井后發生了溢流氣竄。XQX1井φ193.7 mm尾管固井后氣竄明顯，對后期的測試作業造成了很大影響。據統計，元壩地區有13口井發生氣竄，其中YB205井表層套管與技術套管之間的壓力為16.5MPa，技術套管與油層套管之間的壓力為7.7 MPa；YB21井φ273.1 mm套管與φ193.7mm套管之間壓力高達30 MPa 。這些問題給后期鉆井施工、測試和開采作業帶來了安全隱患，制約了元壩地區的勘探進程。

表1 2009-2011年元壩探區固井質量情況統計

3 關鍵技術措施

沈忠厚院士指出，油井水泥環本身雖存在許多微裂紋，但它們不能形成連通通道，因此一般不會發生竄流。泥餅的存在使得固井二界面膠結強度很低，而泥餅無法實現固化，當它受到浸泡、沖刷或干涸、拉裂等作用后便會脫離或產生微裂縫，形成氣竄通道。因此，泥餅的影響是引起元壩地區固井質量不穩定和環空氣竄的主要因素之一[2]。泥餅固化防氣竄技術在鉆井液和水泥漿不變條件下，實現了泥餅固化與界面交聯，解決了固井質量不穩定和環空氣竄的問題。

3.1 固井二界面泥餅固化機理

泥餅中只含有潛在的膠凝性礦物，其本身不具有固化性能，氣井水泥漿的固化反應并不能引發泥餅的水化反應，泥餅的固化仍需要可溶性活性離子浸入，激發其活性[3-4]。泥餅固化劑促使固井二界面泥餅固化的反應實際上是一個動態的物理化學變化過程，整個反應過程涉及到物理擴散、物理化學吸附、鈉硅酸鹽膠凝硬化、石英的激活反應、有機高分子聚合物脫水成膜、黏土礦物的解聚、水泥水化和活性離子的重新聚合。泥餅固化反應流程如圖2所示。

圖2 泥餅固化反應流程

固井二界面處原本松散的泥餅在泥餅固化劑的作用下已經固化為凝餅，凝餅中的膠凝物質和高分子聚合物交聯體通過對黏土礦物和鉆井巖屑的粘接作用和孔隙的填充作用，相互交錯連接，形成了三維網狀結構，實現了固井二界面的整體固化膠結，顯著提高了固井二界面膠結強度。

3.2 泥餅固化劑配伍性評價

GJE-Ⅰ型泥餅固化劑是疏液膠，是由鈉硅酸鹽、有機高分子聚合物等與水按一定比例配置的混合溶液，為多相不均勻分散體系，由固體顆粒以多分子聚集體分散于分散劑中形成；GJE-Ⅱ型泥餅固化劑是親液膠，是由鈉硅酸鹽、硫酸鹽、鈉堿等與水按一定比例配置的混合溶液，為單相均勻分散體系，由高分子化合物以單分子形式分散于分散劑中形成。目前這兩種固化劑已在元壩地區3 300 m左右井深技套固井、5 000 m左右井深高壓氣層尾管固井成功使用，配伍性良好。

3.3 元壩地區泥餅固化防氣竄固井技術方案

泥餅固化技術施工工藝簡單，泥餅固化劑與水泥漿和鉆井液(前置液)配伍性良好，在不用改變鉆井液和水泥漿性能的條件下，只需要在固井施工作業前向井筒內注入2 m3GJE-Ⅰ型泥餅固化劑(保證其與井壁泥餅接觸時間達到70 s)，再注入4 m3GJE-Ⅱ型泥餅固化劑(確保其與井壁泥餅接觸時間達到140 s)，接著注入3～5 m3低密度領漿，最后按照設計密度水泥漿固井，直至施工結束。

GJE-Ⅰ型泥餅固化劑密度是1.11 g/cm3，GJE-Ⅱ型泥餅固化劑密度是1.05 g/cm3，做固井設計要充分考慮到氣層壓穩。低密度領漿密度的確定方法可以參照：若水泥漿密度為2.1 g/cm3以上，低密度領漿密度可為1.80～1.90 g/cm3；若水泥漿密度為1.90～2.1g/cm3，低密度領漿密度可為1.65～1.75 g/cm3；若水泥漿密度為1.55～1.70 g/cm3，低密度領漿密度可為1.45～1.50 g/cm3，低密度領漿密度具體值以單井配伍性實驗結果為準。

4 現場應用

2013年，泥餅固化防氣竄技術首次在YB211井尾管固井中進行了現場試驗，固井施工正常順利，固井一、二膠結質量均為優質。為了驗證該技術在相同層次相同類型探井中的使用效果，相繼在YB107、YLH-1、YL28井技術尾管及YL11等井完井尾管和YL20等井技套固井，共計15口井18井次進行了現場試驗，固井施工正常順利，固井一、二界面質量合格率100 %。與2011年及以前元壩地區未使用該項技術對比：技套固井質量合格率提高19.70%，氣層固井質量合格率提高15.56%，且固井質量優良率達到了83.3 %，尤其是固井二界面膠結質量較以前有了大幅度提高，泥餅固井防氣竄固井技術使用效果明顯。

5 結論與建議

(1)泥餅固化防氣竄固井技術大幅度提高了元壩地區深井固井質量，且層間封隔能力和防氣竄效果顯著，滿足后期酸化壓裂的要求。該新技術試驗井中已測試的YL11、YL12、YL20、YL27井和YB211、YB107井，均獲得了工業氣流。

(2)該新技術施工工藝簡單，泥餅固化劑與水泥漿和鉆井液(前置液)配伍性良好，完全能滿足深井固井施工安全要求。

(3)該技術實現了鉆井液和水泥漿不變條件下水基鉆井液泥餅的化學固化和界面交聯。

(4)要進一步加強泥餅固化劑與2.4 g/cm3以上高密度水泥漿及油基泥漿的配伍性研究；改進泥餅固化劑，提高泥餅固化劑與高密度水泥漿的配伍性；開展降低泥餅固化劑用量的研究，以便更好地壓穩氣層。

(5)建議開展提高超深井第二界面膠結質量固井技術研究。目前國內尚沒有在海相氣層超深井中(6 000～8 000 m)使用泥餅固化劑的先例，開展此項研究可以提高海相氣層超深井的固井質量和環空封隔能力。

[1] 李真祥，高航獻. 元壩地區超深探井復雜地層固井難點及對策[J].石油鉆探技術，2010，38(1)：20-25.

[2] 顧軍. 論固井二界面封固系統及其重要性[J].鉆井液與完井液，2005，22(2):7-10.

[3] 劉浩亞，邵春.不同條件下泥餅固化提高固井二界面膠結強度的實驗研究[J].石油與天然氣化工，2012,41(2):191-195.

[4] 曾艷軍，唐偉軍，張凱，潘利，郜海波，周峰.油基鉆井液水平井固井技術在川渝地區的應用[J].石油地質與工程，2014，28(6)：106-108.

編輯：李金華

1673-8217(2015)03-0119-03

2015-01-19

朱弘，1987年生，2010年畢業于重慶科技學院石油工程專業，現從事鉆井現場管理工作。

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