川渝地区“三高”气田超深井固井隔离液应用实践

马勇 刘伟 唐庚 张洪印 谢明华 周剑 高德伟 李国

1.中国石油西南油气田公司采气工程研究院 2.川庆钻探工程公司地球物理勘探公司采集事业部3.中国石油长城钻探工程有限公司固井公司 4.中国石油西南油气田公司川西北气矿

川渝地区“三高”气田超深井固井隔离液应用实践

马勇1刘伟2唐庚1张洪印3谢明华1周剑4高德伟3李国1

1.中国石油西南油气田公司采气工程研究院 2.川庆钻探工程公司地球物理勘探公司采集事业部3.中国石油长城钻探工程有限公司固井公司 4.中国石油西南油气田公司川西北气矿

钻井液和水泥浆的理化性质存在本质差异,超深井固井作业时,二者极易发生化学污染,不但影响顶替效率,而且危及固井施工安全,这在“三高”(高压、高含硫、高危)气田超深井固井作业中尤为突出。为此,针对上述问题,提出了超深井固井隔离液的设计原则和配制工艺,并对相容性实验以及现场施工关键技术进行了深入研究和总结,现场固井实践认为:①隔离液的使用是保障“三高”气田超深井固井作业安全和提高顶替效率的重要举措;②应对隔离液的沉降稳定性与钻井液、水泥浆的化学兼容性予以充分重视,确保隔离液不沉降,对水泥浆的稠化时间无不良影响,防止发生井下复杂情况;③前后隔离液防污染技术可有效防止尾管固井工程事故的发生。隔离液的正确使用可有效地防止化学污染、保证固井作业安全和提高顶替效率。

高压高含硫高危气田 超深井 固井 隔离液 沉降稳定性 化学兼容性 污染稠化

0 引言

钻井液和水泥浆在化学组分和性能上存在显著差异,固井作业时若二者直接接触,可能会形成一些难以破坏的胶凝结构,轻则影响水泥浆工程性能,重则导致固井作业无法正常进行,引发固井工程事故[1],这在“三高”(高压、高含硫、高危)气田超深井固井作业中尤为突出。“三高”气田超深井固井井下温度、压力很高,产层含酸性气体,地质条件和工程条件异常复杂,固井难度极大,隔离液的使用是保证施工安全、提高顶替效率和环空封固质量的重要举措。

1 隔离液设计原则

隔离液设计应以有效隔离、虚滤饼清除以及界面状态改善为原则,不影响工程设计对水泥浆滤失量和稠化时间的要求,与钻井液、水泥浆均具有良好的化学兼容性,沉降稳定性好,且具备良好的流变性能以利于提高顶替效率[2-5]。其设计原则为:

1)隔离液的密度应介于钻井液和水泥浆之间(ρ钻井液<ρ隔离液<ρ水泥浆),保证注替过程中实现平衡压力固井,密度级差使隔离液在顶替过程中对钻井液产生浮力作用,水泥浆对隔离液和钻井液产生浮力作用,减少浆体之间的掺混,从而提高顶替效率。

2)隔离液的用量应保证7～10 min紊流接触时间,以有效冲刷井壁,驱替窄环空以及大肚子井段的钻井液和虚厚滤饼,提高界面胶结质量,其用量还必须保证流体窜槽或严重掺混时能有效隔开钻井液和水泥浆。

2 隔离液配制工艺

现场配制隔离液的程序一般分为以下两步:①基液配制:首先淘洗配浆罐,防止罐内残留的水泥浆、钻井液或处理剂对隔离液性能造成不良影响,保证隔离液配制质量。然后向配浆罐(混浆车的混浆罐或钻井液罐)内注入设计用水量,再通过水泥车或混合漏斗缓慢匀速加入隔离剂,同时搅拌循环,保证隔离剂充分溶解,隔离剂的加量根据室内实验确定,现场根据基液黏度进行调配。②加重:优选加重材料,防止杂质影响隔离液性能以及与水泥浆的相容性。尤其是黏土成分的杂质,其含量越高,配制的隔离液黏切越高,不利于提高顶替效率,且会增加相容性实验难度和固井施工泵压。重晶石、铁矿粉等加重剂加重时,应缓慢匀速加入,防止隔离液配制过程中加重剂下沉和密度不均。加重至所需密度后,充分搅拌循环,保证隔离液性能均匀一致。

应经常检查钻井液罐或混浆罐,注意观察隔离液体积、颜色是否发生变化,防止罐间互窜。若隔离液量增加,应取样复核现场污染实验,考察侵入的钻井液或其他流体是否影响隔离液的性能;若隔离液量减少,应调整隔离液量,保障施工安全。

隔离液的流变性应能保证在较低排量下达到紊流,有效地解决沉降稳定性与流变性之间的矛盾,实现紊流驱替,充分顶替不规则井眼中残留的钻井液,有效清除井壁上的虚滤饼和套管壁上的油膜或钻井液吸附层,从而提高界面胶结质量[6]。由图1可以清楚地看到,固井施工完毕时混浆罐底部无沉降的重晶石,说明隔离液的沉降稳定性完全满足固井作业的要求。此外,还可采用水泥车即配即打的方式,配制隔离液的同时往井内泵注隔离液开始固井作业。

图1 隔离液泵注完毕时混浆罐底部照片图

3 隔离液现场应用

3.1 相容性实验

隔离液作为一种“特殊”的钻井液,隔离液必须保证与钻井液、水泥浆均具有良好的化学兼容性,与水泥浆或钻井液掺混后对混浆的流动性和稠化时间均无不良影响。但现场应用时常出现异常情况,以川渝油气田某区块LG12井为例,该井`127 mm尾管固井作业时,现场配制的隔离液、调整的先导钻井液与水泥浆掺混后,虽然混浆的流动度均大于15 cm,但都导致水泥浆的稠化时间大幅度缩短,严重威胁固井施工安全。钻井液密度为1.37 g/cm3,水泥浆密度为1.88 g/ cm3;隔离液密度为1.45 g/cm3。常规污染实验、污染稠化实验结果分别见表1和表2。

表1 LG12井`127 mm尾管固井作业常规污染实验表1)

表2 LG12井`127 mm尾管固井作业污染稠化实验表

通过大量的现场实验,最终只能在缓凝水、隔离液和冲洗液中添加一定量的缓凝剂,以保证污染稠化实验(两相和四相)的稠化时间满足安全固井作业的要求。缓凝水中缓凝剂FS-31L加量从2.88%增加至3.36%,隔离液中添加2%FS-31L,冲洗液中补加FS-31L至4%,钻井液中添加1%Na2CO3和1%SM T。该区块几口井`127 mm尾管固井作业都出现了类似的问题,最终都是通过在隔离液和冲洗液中添加缓凝剂才解决了此问题。因此,现场固井作业前必须开展隔离液与水泥浆的相容性实验,确保隔离液对水泥浆的稠化时间无不良影响。

3.2 现场施工关键技术

1)尾管固井作业应采用前后隔离液防污染技术,确保固井作业全过程安全。泵注水泥浆之前泵入前隔离液以在泵注水泥浆和顶替钻井液时隔离水泥浆和钻井液,在中心管附近泵注一定量的隔离液是为了防止水泥浆顶替到位拔中心管时回落的钻井液与水泥浆发生污染,从而有效保障固井作业全过程的安全。

该技术已在川渝地区“三高”气田多口超深井尾管固井作业中得到了成功应用,以分水1井为例(2008年中石油陆上第一口超深井,井深为7 353.84 m),该井`177.8 mm尾管固井采用前后隔离液防污染技术,先注20 m3前隔离液,中心管附近注6 m3后隔离液,有效隔离了钻井液和水泥浆,防止顶替过程和拔中心管后水泥浆和钻井液直接接触引发井下复杂。施工时间为4.5 h,泵注水泥浆和顶替过程以及拔中心管后大排量循环钻井液期间,泵压平稳。碰压为 19 M Pa,碰压后起钻5柱未遇阻,钻具悬重与称重时基本一致,后以1.8 m3/m in大排量正循环,钻井液、隔离液以及水泥浆返出界面清晰,相互之间无较严重污染现象,3种流体及掺混段流动性均很好,充分说明隔离液与水泥浆化学兼容性良好。井口返出流体照片从左至右分别是钻井液、隔离液和水泥浆(见图2)。

图2 分水1井`177.8 mm尾管固井作业返出流体照片图

2)应加大隔离液的用量,以更有效地隔离钻井液和水泥浆、冲刷井壁和套管壁,保障固井作业安全和提高固井质量。现场固井实践发现,有的井虽然隔离液与钻井液、水泥浆化学兼容性良好,但因隔离液量少,达不到完全隔离的目的,钻井液和水泥浆窜槽形成流动性较差的混浆导致固井作业顶替过程中泵压不平稳,最后的声波测井结果也佐证了此观点,泵压不平稳的井固井质量极差。

4 结论与建议

1)隔离液的使用是保障“三高”气田超深井固井作业安全和提高顶替效率的重要举措。

2)超深井固井要求隔离液具有良好的沉降稳定性和流变性,有利于泵送和提高顶替效率,且与钻井液、水泥浆的化学兼容性良好。

3)必须开展隔离液与水泥浆的污染稠化实验,保证隔离液对水泥浆的稠化时间无不良影响,避免固井工程事故的发生。

4)前后隔离液防污染技术可有效防止尾管固井工程事故的发生。

5)建议加大隔离液用量,多倍体积隔离液有助于保障固井施工安全和进一步提高顶替效率。

[1]马勇.固井环空气体窜流原因分析及防控技术[D].成都:西南石油大学,2009.

[2]曾义金.浅谈前置液设计方法[J].钻采工艺,1990,13(4): 45-48.

[3]张明霞,向兴金,童志能,等.水泥浆前置液评价方法总论[J].钻采工艺,2002,25(6):81-83.

[4]杨旭.前置液的紊流临界返速和使用量的推导[J].钻采工艺,1995,18(4):76-79.

[5]李友臣,吴旭辉,张轩.固井前置液技术研究[J].西部探矿工程,2005,(增刊1):128-129.

[6]马文英,张辉,田军,等.提高第二界面固井质量的钻井液与前置液研究[J].钻井液与完井液,2003,20(4):27-30.

Application of spacer fluid for cementing ultra-deep wells in Sichuan and Chongqing"three highs"gas fields

Ma Yong1,Liu Wei2,Tang Geng1,Zhang Hongyin3,Xie M inghua1,Zhou Jian4,Gao Dewei3,Li Guo1
(1.Gas Production Engineering Research Institute,PetroChina Southw est Oil&Gasfield Com pany,Guanghan,Sichuan 618300,China;2.Collection D ivision,Geophysical Prospecting Com pany,Chuanqing D rilling Engineering Co.,L td.,CN PC,Chengdu,Sichuan 610213,China;3.Cementing Com pany,Great W all D rilling Engineering Co.,L td.,CN PC,Beijing 100029,China;4.Northw est Sichuan Gas Field,PetroChina Southw est Oil&Gasf ield Com pany,Jiangyou,Sichuan 621709,China)

NATUR.GAS IND.VOLUM E 30,ISSUE 6,pp.77-79,6/25/2010.(ISSN 1000-0976;In Chinese)

Drilling fluid and cement slurry are to tally different in physicochemical p roperties;however,during cementing,if they mix,chemical contamination w ill easily occur,w hich will not only affect the displacement efficiency,but also jeopardize the cemen-ting construction,especially during the cementing of ultra-deep wells in"three highs"(high p ressure,high sulfur content and high risk)gas fields.Thus,in view of these above-mentioned p roblems,design p rincip les and disposition p rocessing are p resented for cementing spacer in ultra-deep wells,and in-dep th investigation and summary are made for compatibility tests and key techniques on site construction.The on-site cementing p ractices show that:①the app lication of spacer is an impo rtant guarantee to imp rove the disp lacement efficiency and ensure the cementing safety for ultra-deep wells in"three highs"gas fields;②the settlement stability of the spacer and the chemical compatibility of drilling fluid and cement slurry should be paid full attention to in o rder to make sure the unsettlement of the spacer and no bad effect on the densification time fo r the slurry,thus,to avoid comp licated dow nhole accidents;③the fo rmation damage p revention by use of spacer fluids in succession can effectively p revent the liner from cementing engineering accidents.The p roper useof spacer fluid can effectively avoid chemical contamination,ensure the cementing safety,and imp rove disp lacement efficiency.

"three highs"gas fields,ultra-deep well,cementing,spacer,settlement stability,chemical compatibility,pollution densification

中国石油天然气集团公司科研项目 (编号:20070304-02-01)和中国石油天然气集团公司先导性项目(编号: 07G2030206)。

马勇,1982年生,2009年获西南石油大学油气井工程专业博士学位;从事钻完井方面的研究工作。地址:(618300)四川省广汉市中山大道南二段采气工程研究院气井工程研究室。电话:(0838)5152442,13699074293。E-mail:joejoe3215@yahoo. com.cn

马勇等.川渝地区“三高”气田超深井固井隔离液应用实践.天然气工业,2010,30(6):77-79.

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.06.021

2010-02-05 编辑 钟水清)

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.06.021

Ma Yong,born in 1982,obtained a Ph.D degree in gaswell engineering from Southwest Petroleum University in 2009.He has been engaged in research on well comp letion and well drilling.

Add:South Sec.2,Zhongshan Avenue,Guanghan,Sichuan 618300,P.R.China

Tel:+86-838-5152 442 Mobile:+86-13699074293E-mail:joejoe3215@yahoo.com.cn