遼河海域高壓氣井月探1 井套損補救固井技術

胡晉軍 史為紀 吳文兵 李慶永

1.天津中油渤星工程科技有限公司；2.中國石油集團海洋工程有限公司鉆井工程事業部

套管柱是采收地層能源流體的唯一通道，絕大部分套管柱損壞發生在經過長期開采的油氣井中，發生在固井施工這一鉆完井作業中關鍵工序的套損比較少，但其影響卻非常大，輕者影響油氣井壽命，嚴重時導致油氣井報廢［1-2］。固井作業連續緊湊，施工過程中出現套損問題，較難判斷和處理，一般是保證安全頂替完成后再進行套損補救固井［3-4］。月探1 井在三開固井施工時出現異常，套管串短路并發生嚴重漏失，采用電纜攝像機檢測發現?244.5 mm 套管柱在1 238 m 存在破損裂縫，三開高壓氣層2 626～3 690 m 全部漏封，為保證井控安全，恢復井筒完整性，滿足四開鉆井要求，需要進行套損補救固井作業［5］。由于鉆完井期間進行套損補救的案例較少，且根據套損情況的不同，補救固井方案都不同，可借鑒的技術較少［6-8］。針對月探1 井套管裂縫、井下漏失、高壓氣上竄等復雜情況，以井控安全為前提，開展了套損治理方案、補救水泥漿體系和補救固井工藝等方面的技術研究，形成一套高壓氣井套損補救固井技術，有效恢復了高壓氣井井筒完整性和正常生產。

1 月探1 井概況及套損治理難點

月探1 井是遼河灘海蓋州灘構造帶南段蓋南1 塊上的一口高壓天然氣井，四開井身結構，設計井深為4 500 m。月探1 井設計井身結構如表1 所示。

表1 月探1 井井身結構數據Table 1 Casing program data of Well Yuetan-1

該井三開采用?311.1 mm 鉆頭，使用1.44 g/cm3鉀鹽聚合物鉆井液，鉆至中完井深3 760 m，高壓氣層活躍，發生氣侵，氣測值80%，全烴值100%，上竄速度264 m/h，提高鉆井液密度至1.46 g/cm3，發生漏失，漏速31.2 m3/h，累計漏失123.7 m3，降低鉆井液密度至1.44 g/cm3，堵漏處理后建立地層平衡。固井施工過程中，按照設計注入水泥漿150 m3，水泥漿提前返出井口并發生嚴重漏失，采用Video Log 彩色全幀率井下攝像機檢測發現?244.5 mm 套管柱在第146 號套管母接箍下部管體深度1 238 m 處套管本體上有一條長約30 cm、寬約3 cm 縱向向下彎曲延伸的裂縫，如圖1 所示，聲幅測井顯示僅封固裸眼環空1 760～1 905 m，三開高壓氣層2 626～3 690 m全部漏封，為保證井控安全，滿足四開鉆井要求，需進行補救固井作業。

圖1 ?244.5 mm 套管柱不同下深處裂縫照片Fig.1 Cracks on the ?244.5 mm casing string at different depths

結合該井井下復雜情況及套損現象，分析套損補救的關鍵在于套損裂縫的封堵和高壓氣層的封固，難點如下。

(1)封堵套管裂縫困難。?244.5 mm 套管破損裂縫長約30 cm，寬約3 cm，延伸較長且較寬，通過注水泥封堵套管裂縫困難［9］。

(2)高壓氣層封固困難。漏封的高壓氣層裸眼環空長1 064 m，且高壓氣層上部存在薄弱地層易發生漏失，在確保井控安全的前提下，通過射孔建立環空循環實現高壓氣層封固或者通過擠水泥封堵高壓氣層頂、底部環空困難［10］。

(3)對水泥漿性能要求高。水泥漿既要滿足套損裂縫封堵和高壓氣層封固的工程需求，又要滿足擠水泥和打水泥塞等固井作業要求，對水泥漿綜合性能要求高。

2 技術方案

針對月探1 井?244.5 mm 套損情況及補救固井存在的技術難題，以恢復井筒完整性和有效封固高壓氣層為目的，制定了?244.5 mm 套管套損治理補救技術方案［11-13］。

第1 步：?244.5 mm 套管1 238 m 處套損裂縫封堵。三開固井后井口安裝了防噴器，無法采用常規膠塞固井方式對重疊段進行補救。為看清井下套管情況，在井下套管成像測井前將0～1 240 m 套管內及環空鉆井液替換成淡水，注水泥封堵裂縫時由于水泥密度大，下落速度快，水泥漿提前進入?244.5 mm 套管內，易留長水泥塞導致后續作業鉆塞困難。因此，計劃在套損裂縫下部100 m 處下入管內封隔器，從井口打壓擠破?339.7 mm 套管鞋1 648 m處地層，在封閉?244.5 mm 套管情況下，通過井口環空擠水泥封固整個重疊段環空。如擠不破，則采用節流擠水泥技術，封堵套損裂縫及以上重疊段環空，防止氣層射開后，高壓氣由套損裂縫氣竄至井口。

第2 步：高壓氣層封固。首先在氣層底部泥巖層盡量靠近管柱底部浮鞋與浮箍之間3 752 m 處射孔，循環觀察井口有無氣體上竄；然后在氣層頂部漏失層上部2 160 m 處射孔，循環觀察井口有無異常；在?244.5 mm 套管內下入管內封隔器，通過射孔炮眼建立環空循環后注水泥封固高壓氣層。若建立循環失敗，則在2 160 m 上部下入管內承留器，采用承留器擠水泥技術，并配合間歇性擠水泥技術，防止施工時高壓氣上竄引起井控風險，同時避免施工時水泥漿漏失導致封固氣層頂部裸眼環空及炮眼失敗。

第3 步：套管底部封堵。套管內下入光鉆桿至3 752 m，進行一次擠水泥作業，實現封固氣層底部環空的目的，同時封固套管串底部，防止四開鉆進時底部套管脫落。

3 低失水、低流阻、高觸變、高防竄水泥漿體系

根據套損治理補救技術方案的要求，對水泥漿性能提出了“雙低雙高”的要求，即低失水、低流阻、高觸變和高防竄。首先要求水泥漿有較低的失水量，主要是防止水泥漿在作業過程中失水過多導致流動性能變差，稠化時間縮短，從而導致“插旗桿”事故；其次要求水泥漿有較好的流動性，低流阻有利于水泥漿被擠入環空；第三要求水泥漿有較強的觸變性，水泥漿靜止后結構強度高并在施加較小的作用力后能快速恢復流動狀態，利于水泥漿被間斷性擠入環空，降低漏失風險［14-15］；最后要求水泥漿有較高的防氣竄性能，防止擠水泥過程中發生氣竄，達到有效封固或封堵高壓氣層目的［16-17］。

BCG-200L 是一種多元共聚物型防竄降失水劑，濾失控制能力強，并對水泥漿有增黏和提切作用，水泥漿稠化及靜膠凝過渡時間短，防氣竄性能強。BCD-210L 是一種有機減阻劑，能顯著改善水泥漿的流變性能。以防竄降失水劑BCG-200L 和減阻劑BCD-210L 為主劑形成了“雙低雙高”水泥漿體系。水泥漿配方：勝濰G 級水泥＋4%BCG-200L防竄降失水劑＋0.4%BCD-210L 減阻劑＋0.1%G603消泡劑＋0.3%BXR-200L 緩凝劑＋44%淡水。其性能評價如下。

3.1 失水性能和流動性能評價

由表2 可知，實驗溫度升高，水泥漿失水量由37 mL 增至48 mL，小于50 mL，說明該漿體失水量低。實驗溫度升高，水泥漿初始稠度保持在16 Bc，流性指數n逐漸降低后趨于穩定，由0.85 降至0.72 后回升至0.81；稠度系數K先升高后趨于穩定，由0.49 Pa·sn增至0.94 Pa·sn后降至0.89 Pa·sn，表明實驗溫度升高時，水泥漿存在輕微增稠現象，但初始稠度小于18 Bc，流性指數n大于0.7，稠度系數K小于1 Pa·sn，該水泥漿具有良好的流動性能。

表2 水泥漿失水和流動性能評價Table 2 Evaluation of water loss and flow performance of cement slurry

3.2 觸變性能評價

由表3 可知，水泥漿具有較高的靜切力增量，不小于12.2 Pa，且隨著實驗溫度升高，靜切力增量逐漸增至17.6 Pa 后降至17.1 Pa，稠化試驗停機30 min后重新啟動，水泥漿稠度由33～40 Bc 較快降至17～18 Bc，說明水泥漿有較好的觸變性能且受到較小的作用力后能快速恢復流動狀態。

表3 水泥漿觸變性能評價Table 3 Evaluation of thixotropic properties of cement slurry

3.3 防氣竄性能評價

由表4 可知，隨著實驗溫度升高，稠化時間和靜膠凝強度過渡時間始終保持在較短范圍內，均小于40 min，分別為5～7 min，10～12 min；另外，在防氣竄試驗壓力2.1 MPa、溫度90 ℃條件下氣竄量均為0 mL，說明水泥漿防氣竄性能良好。

表4 水泥漿防氣竄性能評價Table 4 Evaluation of gas channeling prevention performance of cement slurry

4 擠水泥工藝

按照套損治理補救技術方案，所用到的擠水泥技術主要包括節流擠水泥技術、承留器擠水泥技術和間歇性擠水泥技術，擠水泥技術原理如下。

4.1 節流擠水泥技術

節流擠水泥技術原理是在關閉防噴器全封情況下，通過套管頭翼閥擠水泥漿進入?339.7 mm 套管與?244.5 mm 套管環空，套管內淡水從節流管匯返出，通過調整節流閥開啟度，擠水泥過程保持合適的定量回壓［18］，停止泵入后，通過調整節流閥使定量水泥漿由套損裂縫進入?244.5 mm 套管內，達到控制水泥塞長度的目的。該技術主要用于解決1 238 m 處套損裂縫及重疊段環空封堵時防止水泥提前進入?244.5 mm 套管形成長水泥塞的問題。

4.2 承留器擠水泥技術

承留器主要由卡瓦、錐體、橡膠套、中心管和閥體等組成，其結構如圖2 所示。用鉆桿串連接送入工具將承留器本體送至井下預定位置，通過上提、旋轉、下放鉆桿串實現承留器坐封和送入工具丟手，上提送入工具拔出插管，承留器閥體關閉，封閉套管內腔，可以防止管內高壓氣上竄；下放送入工具使插管插入承留器，閥體打開，將水泥漿擠注進入需要封固的環空井段或進入地層的裂縫、孔隙，達到封堵和補漏的目的［19-20］。該技術用于解決氣層頂2 160 m處擠水泥施工時高壓氣上竄的問題。

圖2 承留器結構Fig.2 Structure of the retainer

4.3 間歇性擠水泥技術

間歇性擠水泥原理是將水泥漿注替至井下射孔位置，交替開泵、停泵分多次擠水泥。在此過程中，水泥漿初凝或接近初凝，水泥漿進入炮眼后在巖層和炮眼附近形成水泥餅，逐漸充滿氣層頂環空，達到有效封固氣層頂部環空的目的。該技術主要針對2 160 m 處地層薄弱、擠水泥時易發生漏失造成難以有效封固氣頂環空的問題。同時，針對套管底部環空擠水泥時水泥漿難以擠入環空的問題，也采用間歇性擠水泥技術，逐漸緩慢地將水泥漿擠入裸眼環空。

5 現場實施

5.1 封堵套損裂縫

將管內封隔器下入套損裂縫處下部，嘗試擠破1 648 m 套管鞋地層未成功，采用節流擠水泥封堵套損裂縫及以上重疊段環空。泥漿泵循環洗井一個循環周，關閉防噴器全封閘板，從套管頭翼閥注入1.90 g/cm3水泥漿，排量0.9～1.0 m3/min，調整節流閥開啟度70%～50%，固井泵注水泥承受回壓2～3 MPa，控制返出排量0.8～0.9 m3/min，累計注水泥漿32.7 m3時，井口累計返液31.2 m3，節流閥全開，提高注水泥排量至1.1～1.2 m3/min，井口返出排量1.3～1.4 m3/min，累計注入水泥漿37.7 m3，井口累計返出液量39.5 m3，關閉節流閥，擠后置液，排量0.2～0.4 m3/min，泵壓0.4～0.5 MPa，累計擠入后置液2.9 m3時，泵壓由0.5 MPa 突增至6 MPa，關閉套管頭翼閥候凝。

5.2 封固高壓氣層

氣層底部3 752 m 和頂部2 160 m 分別射孔后，下入管內封隔器嘗試建立環空循環未成功。先用承留器擠封氣層頂部2 050～2 250 m 環空，鉆桿串連接送入工具將承留器送至2 150 m，投球打壓至15 MPa 完成坐封，繼續打壓至20 MPa 丟手成功，上提管柱1.5 m，用泥漿泵循環洗井一個循環周，固井泵注入前置液2.2 m3，注入水泥漿11.4 m3，替漿19.1 m3，下放管柱插入承留器，進行3 次間歇性擠水泥，累計擠入12 m3，每次4 m3，排量0.2 m3/min，間隔30 min，上提管柱5 m，泥漿泵循環洗井2 個循環周后關井候凝，候凝結束鉆除承留器及管內水泥塞。

5.3 封堵套管底部

擠封氣層底部3 600～3 757 m 環空，套管內下入光鉆桿，在3 752 m 以0.1 m3/min 小排量持續擠入5 m3水泥漿，關井候凝。

5.4 應用效果分析

擠水泥作業結束后，分別對套損裂縫位置、氣層頂部和氣層底部擠水泥封固的井段進行固井質量測井。由圖3 可知，套損裂縫擠水泥封堵后，?244.5 mm 套管內僅29 m 水泥塞，100～1 245 m 重疊段環空封固良好。氣層頂部2 050～2 250 m 井段和套管底部3 600～3 757 m 井段裸眼段環空封固良好，套管串試驗20 MPa 無壓降，環空不帶壓，后期試采天然氣產量19 000 m3/d。

圖3 擠水泥固井質量聲幅圖Fig.3 Acoustic amplitude log showing the quality of squeeze cementing

6 結論

(1)針對月探1 井在三開固井過程中?244.5 mm套管柱1 238 m 處存在套損裂縫的問題，結合該井基本情況和井下攝像機檢測結果，從套損裂縫封堵、高壓氣層封固、套管底部封堵和水泥漿體系性能要求等方面采取了套損治理補救技術措施。

(2)針對月探1 井套損治理補救難點，研究形成了針對性的技術方案，研發了一套低失水、低流阻、高觸變、高防竄水泥漿體系，形成節流擠水泥技術、承留器擠水泥技術和間歇性擠水泥技術等配套擠水泥補救技術。

(3)應用表明，研究制定的套損治理或擠水泥補救技術有效解決了月探1 井套損裂縫封堵、高壓氣層封固和套管底部封固的難題，有效恢復了月探1 井的井筒完整性，滿足了四開鉆井需求，為類似套損復雜情況的有效處理提供了參考。