元坝地区固井技术难点与对策探讨

2015-07-02朱弘

石油地质与工程 2015年3期

关键词：泥饼固化剂固井

朱弘

(中国石化南方勘探分公司研究院，四川成都 610041)

元坝地区固井技术难点与对策探讨

朱弘

(中国石化南方勘探分公司研究院，四川成都 610041)

川东北元坝地区面临井深、高温、高压、固井安全密度窗口窄、防漏防窜矛盾突出等诸多技术固井难题。针对元坝地区已完成井固井质量不稳定、环空窜气的现状，创新性地在元坝15口井固井作业中使用了泥饼固化防气窜固井技术，该技术有效提高了固井质量,对下步该地区提高固井质量、减少环空窜气有一定的借鉴意义。

元坝地区；固井技术；泥饼固化；固井质量

超深、超高温、复杂压力体系环境，并同时存在长裸眼、小间隙、窄窗口、漏失等固井难题，集中体现在元坝地区固井施工中，造成了世界级固井难题。固井质量不稳定、环空窜气两大问题已经成为元坝气田后续开发的隐患。近年来在川东北元坝地区先后采用了防气窜水泥浆体系、防气窜固井工艺技术及防气窜工具等新体系、新工艺和新工具，井身结构也不断优化，固井质量有了明显改善，但上述两个问题却依然存在。

1 地层特点

元坝地区固井面临的主要地质难点是“三高一低、一小一长、两厚一大”，即高温、高压、高产，部分层位承压能力低；部分开次套管的环空间隙小，封固的裸眼段长；长时间施工在井壁形成厚泥饼，嘉陵江组盐层厚，长封固段的领、尾浆温度差别大。地层由上到下存在6套压力系统，见图1。

图1 元坝地区地层压力系数分布图

(1)上部陆相地层主要包括沙溪庙组、千佛崖组、自流井组和须家河组，其中，上沙溪庙组地层底部垮塌严重，承压能力低；千佛崖组地层水敏性强；自流井组至须家河组地层是高压裂缝性地层，喷漏同存，安全窗口狭窄。

(2)海相飞仙关和长兴组气层是主要目的层，埋藏深度都在7 000 m左右，属于常压气藏，但储层温度高，最高达160 ℃，且含H2S和CO2；嘉陵江组五、四段地层的主要岩性是石膏和盐，存在蠕动性膏岩层和高温高含硫气层，YB2井发生盐膏层段挤毁套管的故障，YB102-侧1井在盐膏层段发生了卡钻；嘉陵江组二段高压水层发育；长兴组礁滩相白云岩储层压力系数低，易发生渗透性漏失；茅口组-栖霞组地层为高压地层[1]。

2 固井技术难点分析

(1)固井质量不稳定，产层井段固井合格率不高。近几年在元坝探区234井次的固井中，合格井次204次，平均固井质量合格率仅为87.17 %，详见表1。2010年气层段固井质量合格率仅有71.43 %，固井质量不稳定。

(2)固井环空窜气问题突出。HB1井完井时环空带压，SM1、JX1井固井完成后套管内井喷，LJ2井技套在一次固井后发生了溢流气窜。XQX1井φ193.7 mm尾管固井后气窜明显，对后期的测试作业造成了很大影响。据统计，元坝地区有13口井发生气窜，其中YB205井表层套管与技术套管之间的压力为16.5MPa，技术套管与油层套管之间的压力为7.7 MPa；YB21井φ273.1 mm套管与φ193.7mm套管之间压力高达30 MPa 。这些问题给后期钻井施工、测试和开采作业带来了安全隐患，制约了元坝地区的勘探进程。

表1 2009-2011年元坝探区固井质量情况统计

3 关键技术措施

沈忠厚院士指出，油井水泥环本身虽存在许多微裂纹，但它们不能形成连通通道，因此一般不会发生窜流。泥饼的存在使得固井二界面胶结强度很低，而泥饼无法实现固化，当它受到浸泡、冲刷或干涸、拉裂等作用后便会脱离或产生微裂缝，形成气窜通道。因此，泥饼的影响是引起元坝地区固井质量不稳定和环空气窜的主要因素之一[2]。泥饼固化防气窜技术在钻井液和水泥浆不变条件下，实现了泥饼固化与界面交联，解决了固井质量不稳定和环空气窜的问题。

3.1 固井二界面泥饼固化机理

泥饼中只含有潜在的胶凝性矿物，其本身不具有固化性能，气井水泥浆的固化反应并不能引发泥饼的水化反应，泥饼的固化仍需要可溶性活性离子浸入，激发其活性[3-4]。泥饼固化剂促使固井二界面泥饼固化的反应实际上是一个动态的物理化学变化过程，整个反应过程涉及到物理扩散、物理化学吸附、钠硅酸盐胶凝硬化、石英的激活反应、有机高分子聚合物脱水成膜、黏土矿物的解聚、水泥水化和活性离子的重新聚合。泥饼固化反应流程如图2所示。

图2 泥饼固化反应流程

固井二界面处原本松散的泥饼在泥饼固化剂的作用下已经固化为凝饼，凝饼中的胶凝物质和高分子聚合物交联体通过对黏土矿物和钻井岩屑的粘接作用和孔隙的填充作用，相互交错连接，形成了三维网状结构，实现了固井二界面的整体固化胶结，显著提高了固井二界面胶结强度。

3.2 泥饼固化剂配伍性评价

GJE-Ⅰ型泥饼固化剂是疏液胶，是由钠硅酸盐、有机高分子聚合物等与水按一定比例配置的混合溶液，为多相不均匀分散体系，由固体颗粒以多分子聚集体分散于分散剂中形成；GJE-Ⅱ型泥饼固化剂是亲液胶，是由钠硅酸盐、硫酸盐、钠碱等与水按一定比例配置的混合溶液，为单相均匀分散体系，由高分子化合物以单分子形式分散于分散剂中形成。目前这两种固化剂已在元坝地区3 300 m左右井深技套固井、5 000 m左右井深高压气层尾管固井成功使用，配伍性良好。

3.3 元坝地区泥饼固化防气窜固井技术方案

泥饼固化技术施工工艺简单，泥饼固化剂与水泥浆和钻井液(前置液)配伍性良好，在不用改变钻井液和水泥浆性能的条件下，只需要在固井施工作业前向井筒内注入2 m3GJE-Ⅰ型泥饼固化剂(保证其与井壁泥饼接触时间达到70 s)，再注入4 m3GJE-Ⅱ型泥饼固化剂(确保其与井壁泥饼接触时间达到140 s)，接着注入3～5 m3低密度领浆，最后按照设计密度水泥浆固井，直至施工结束。

GJE-Ⅰ型泥饼固化剂密度是1.11 g/cm3，GJE-Ⅱ型泥饼固化剂密度是1.05 g/cm3，做固井设计要充分考虑到气层压稳。低密度领浆密度的确定方法可以参照：若水泥浆密度为2.1 g/cm3以上，低密度领浆密度可为1.80～1.90 g/cm3；若水泥浆密度为1.90～2.1g/cm3，低密度领浆密度可为1.65～1.75 g/cm3；若水泥浆密度为1.55～1.70 g/cm3，低密度领浆密度可为1.45～1.50 g/cm3，低密度领浆密度具体值以单井配伍性实验结果为准。

4 现场应用

2013年，泥饼固化防气窜技术首次在YB211井尾管固井中进行了现场试验，固井施工正常顺利，固井一、二胶结质量均为优质。为了验证该技术在相同层次相同类型探井中的使用效果，相继在YB107、YLH-1、YL28井技术尾管及YL11等井完井尾管和YL20等井技套固井，共计15口井18井次进行了现场试验，固井施工正常顺利，固井一、二界面质量合格率100 %。与2011年及以前元坝地区未使用该项技术对比：技套固井质量合格率提高19.70%，气层固井质量合格率提高15.56%，且固井质量优良率达到了83.3 %，尤其是固井二界面胶结质量较以前有了大幅度提高，泥饼固井防气窜固井技术使用效果明显。