长庆神木区块天然气井一次上返固井技术

万向臣，王 鹏，孙永刚

(1.西安石油大学，陕西 西安 710065；2.中国石油川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院，陕西 西安 710018；3.中国石油川庆钻探工程有限公司长庆固井公司，陕西 西安 710018；4.中国石化华北石油工程有限公司井下作业分公司，河南 郑州 450000)

长庆神木区块天然气井一次上返固井技术

万向臣1，2，王 鹏3，孙永刚4

(1.西安石油大学，陕西 西安 710065；2.中国石油川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院，陕西 西安 710018；3.中国石油川庆钻探工程有限公司长庆固井公司，陕西 西安 710018；4.中国石化华北石油工程有限公司井下作业分公司，河南 郑州 450000)

长庆油田神木区块天然气井固井难度大，上部刘家沟组承压能力低，下部含气层跨度大，气层活跃，完井改造过程中井筒内压力高。为提高套管串承压能力及密封性，该区块改分级固井为一次上返固井工艺。为解决该区块一次上返固井难题，研发了以GGQ复合减轻材料为主的低密度水泥浆体系封固上部低压易漏层，泡沫防窜水泥浆体系封固下部气层活跃地层。实验表明低密度水泥浆体系受压后密度变化值小，且具有一定的防漏堵漏功能；泡沫防窜水泥浆体系能够有效防止气窜产生。现场应用结果表明，该套体系能够解决神木区块一次上返固井难题，提高该区块固井质量。

固井 低密度水泥浆 防气窜 低压易漏 泡沫水泥

神木区块位于长庆气田东部，鄂尔多斯盆地伊陕斜坡构造，主力储层为二叠系下统山西组及太原组，钻进过程中依次穿越石千峰组、石盒子组、山西组、太原组、本溪组等多层含气地层。且石千峰组上部地层刘家沟组承压能力低，地层漏失压力当量密度1.25～1.40 g/cm3。神木区块天然气井完井方式为套管射孔完井，为提高套管串承压能力及其密封性，采用一次上返固井工艺，要求全井段封固，固井质量满足射孔压裂等后续作业要求。

1 神木区块一次上返固井难点与技术 措施

1.1 固井难点

(1)含气层埋藏较浅、跨度较大，容易发生气窜。据钻井资料得知，该区块本溪组、太原组、山西组、石盒子组、石千峰组均有不同程度的气层显示，1 700～2 800 m为含气地层，多口井固井过程中出现气窜现象[1]。

(2)上部地层刘家沟组承压能力低，固井过程中易发生漏失，导致水泥浆返高不够，同时容易因静液柱压力下降而未能有效压稳气层导致气窜。

(3)采用一次上返固井工艺，封固段长，增大了刘家沟组地层漏失的风险。

1.2 技术措施

针对神木区块地质特点及存在的固井难点采取了以下措施：

(1)封固段设计合理的低密度水泥浆体系，保持低密度水泥浆体系加压后密度稳定且小于刘家沟组地层漏失压力当量密度，防止一次上返固井过程中压漏地层。

(2)提高气层段水泥浆体系防窜性能，从水泥环界面、本体、水泥浆过度段时间等多个方面进行优化。

(3)提高固井过程中井筒内压力控制技术，做好防漏压稳工作[2]。

2 低密度水泥浆体系

2.1 复合减轻剂GGQ

复合减轻剂GGQ是由耐压空心微珠、防漏减轻颗粒材料、强度激活剂和稳定剂组成，其主体成份空心微珠粒径在100 μm左右，球度好，配置的水泥浆摩阻系数低。防漏减轻颗粒材料为球状可变性有机材料，压差作用下遇裂缝产生一定形变及时封堵裂缝端口。

将复合减轻剂GGQ配成的低密度体水泥浆与常规低密度水泥浆进行对比，按照标准GB/T 19139-2012进行耐压密度测试，结果见表1。

表1 不同低密度体系耐压密度测试结果

从表1可以看出，经耐压密度测试，漂珠体系和轻珠体系水泥浆密度变化较大，GGQ体系低密度水泥浆耐压性好，1.30 g/cm3水泥浆体系经40 MPa加压测试密度变化值Δρ=0.02 g/cm3。

2.2 低密度水泥浆体系性能

结合神木区块地质钻井资料，将G级油井水泥、复合减轻剂GGQ、油井水泥降失水剂、缓凝剂和消泡剂复配形成适合神木区块低密度水泥浆体系，并对不同密度水泥浆体系进行性能测试，测试结果见表2。

表2 GGQ低密度水泥浆体系性能

从表2可以看出，GGQ低密度水泥浆体系密度可调，1.20～1.35 g/cm3水泥浆体系稳定，耐压密度性能好，加压40 MPa后Δρ≤0.03 g/cm3，加压后水泥浆密度小于神木区块刘家沟组漏失当量密度(1.25～1.40 g/cm3)，可以实施一次上返固井工艺。

2.3 低密度水泥浆体系防漏性能测试

神木区块刘家沟组漏失主要为渗透性漏失和微裂缝性漏失，为了模拟评价GGQ低密度水泥浆体系防漏堵漏性能，室内进行了模拟实验。实验采用20目钢珠模拟地层渗透性漏失，采用1，2，3 mm床板模拟裂缝性漏失，实验数据见表3。

表3 GGQ低密度水泥浆体系防漏性能

从表3可以看出，同一漏失模型条件下，随着GGQ复合减轻材料加量的增多，水泥浆体系防漏承压能力越强，其中1.20 g/cm3水泥浆在20目孔隙+1 mm缝隙模型条件下承压能力达到3.6 MPa，按照神木区块刘家沟组平均垂深1 800 m计算，地层漏失当量密度提高0.20 g/cm3，为防止刘家沟组漏失成功进行一次上返固井提供了有力保障。

3 防窜水泥浆体系设计

神木双山区块气层埋藏较浅、跨度较大，含气层跨度约800 m，气层段水泥浆候凝过程中极易发生气窜，如果提高上部地层水泥浆密度，刘家沟组将会产生漏失导致固井过程中井口失返，将进一步增加气窜量。

3.1 气窜原因分析

通过理论研究发现，气窜量与水泥浆过渡时间(固井结束后水泥浆到达设计层位至水泥浆水化到足以阻止气窜的强度)长短和水泥浆失重后井筒内外压差大小有关[3]。

过渡段时间分两个阶段，第一阶段T1为顶替结束水泥浆静止到水泥浆稠化时间结束，第二阶段T2为水泥浆稠化后强度发展至一定强度(240 Pa)足以抵抗气窜的时间[4]。T1可以通过找准循环温度缩短水泥浆稠化时间得以解决，T2主要通过提高水泥浆静胶凝强度发展速度来实现[5]。

一次上返固井中水泥浆失重需考虑两个方面因素：一是气层段水泥浆凝固过程中产生的失重；二是低密度水泥浆静胶凝产生的失重，单位长度低密度水泥浆静胶凝产生的失重虽小，但一次上返低密度封固段长，该部分不可忽略。

治疗后2个月，釉质脱矿、牙周组织破坏、牙根吸收、黏膜溃疡、牙齿松动、牙髓反应的发生率两组间相比均无统计学差异(P>0.05)；而观察组不良反应总发生率显著低于对照组(χ2=5.641，P<0.05)(表3)。附典型病例临床照片(图1～2)。

3.2 泡沫防气窜水泥浆体系

结合神木区块地质特点及其气窜原因，室内开发了泡沫水泥防窜水泥浆体系，泡沫水泥浆体系到达井底后产生微小气泡，微气泡包裹压力为水泥浆初始静液柱压力p0，当水泥浆凝固过程中产生失重时，微气泡圈闭的压力p0大于失重状态下水泥浆液柱压力，可以部分补偿静液柱压力防止气窜的发生[6]。泡沫防窜水泥浆稠化时间设计为施工时间附加30 min(T1)，静胶凝强度发展(48～240 Pa)小于10 min(T2)，尾浆胶凝强度达到240 Pa前低密度段水泥浆静胶凝强度值≤50 Pa。

图1 防窜水泥浆体系(尾浆)强度发展时间T2<10 min

图2 低密度水泥浆体系(领浆)胶凝强度值

从图1，2可以看出，泡沫防窜水泥浆体系的静胶凝强度发展较为迅速，48～240 Pa过度时间小于10 min，领浆静胶凝值在尾浆胶凝值达到240 Pa前保持较低(小于50 Pa)，可以有效防止气窜的发生。

4 现场水泥浆封固段设计

神木区块目的层垂深平均为2 700 m，215.9 mm井眼下139.7 mm套管一次上返固井，气层段地层压力平均为28.99 MPa，异常气层压力达33.1 MPa，易漏地层刘家沟组底界深度为1 800 m左右，平均漏失当量密度为1.36 g/cm3，井底平均地层破裂压力44.98 MPa；水泥浆柱设计如下:

尾浆段：泡沫水泥浆体系，密度为1.88 g/cm3，平均封固长度为800 m，水泥面返至刘家沟底界以下100 m；

领浆段：GGQ低密度水泥浆体系，密度为1.30 g/cm3(实际密度根据易漏地层承压能力情况进行调整)，平均封固长度为1 900 m，返至井口。

流体循环排量设计为25 L/s，低密度水泥浆流变性能n=0.65，K=0.50。地层破裂压力梯度最低点为刘家沟组，其底界深1 800 m左右，底界承受压力为静液柱压力(22.95 MPa)+环空摩阻(0.6～1.0 MPa)，小于平均漏失压力24.01 MPa。

5 现场应用

研究的低密度水泥浆体系和泡沫防窜水泥浆体系在神木区块天然气井固井中推广应用，全部采用一次上返固井方式，现场应用数据显示：研究的低密度水泥浆体系和泡沫防窜水泥浆体系可有效降低漏失，提高气层段固井质量。

表4 防漏低密度水泥浆体系现场应用效果对比

从表4可以看出，同一区域内，相同密度的不同低密度体系返高不同，GGQ防漏低密度体系能够返至地面，说明GGQ低密度体系具有一定的防漏堵漏作用，可以部分提高漏失层承压能力。

表5 泡沫水泥浆体系现场应用效果对比

从表5可以看出，常规水泥浆体系侯凝产生失重后难以压稳气层，气层段固井质量合格率均偏低。使用泡沫防窜水泥浆体系后气层段固井质量得到明显改善，泡沫水泥浆体系侯凝过程中，泡沫水泥浆反应产生的气体圈闭了顶替终了的静液柱压力，水泥浆初凝过程中，圈闭压力的气体补偿了因失重产生的压降，从而防止气窜的产生。

6 结论

(1)低压易漏一次上返固井用低密度水泥浆体系需进行耐压密度差测试，确保井筒压力条件下低密度水泥浆体系当量密度小于易漏层漏失当量密度，否则失去了现场检测水泥浆密度的意义。

(2)GGQ低密度水泥浆体系耐压性能好，现场试验表明该体系具有一定的防漏堵漏性能，适用于低压易漏一次上返固井。

(3)天然气井一次上返固井中裸眼段长，需考虑上部水泥浆体系静胶凝值，防止因上部水泥浆静胶凝值过大引起下部气窜。

(4)研发的GGQ低密度水泥浆体系和泡沫防窜水泥浆体系适合于神木区块天然气井一次上返固井，可有效解决上部刘家沟漏失及下部地层气窜问题。

[1] 魏周胜，周兵，李波，等.一次上返固井技术在天然气井中的应用[J].天然气工业，2007，27(8)：69-71.

[2] 刘崇建.油气井注水泥理论与应用[M].北京：石油工业出版社，2001：270-271.

[3] 焦勇.水泥浆气侵的根源及现行评价方法的评析.钻采工艺，2000，23(3):19-23.

[4] 张兴国，郭小阳，杨远光.用胶凝强度法估计水泥浆防窜能力的室内研究[J].天然气工业，2001，21(2):52-55.

[5] 刘乃震，王廷瑞，刘孝良，等.水泥浆防气窜性能设计及合理的浆体组成研究[J].天然气工业，2002，22(3):49-51

[6] 贾芝，胡富源，郭卫军，等.用于封固气层的泡沫水泥浆固井技术[J].钻井液与完井液，2003，20(2)：22-24.

[7] 温雪丽，马海忠，周兵，等.防气窜泡沫水泥浆的研究与应用[J].钻井液与完井液，2003，20(4)：7-9.

(编辑 谢 葵)

One-time up-return cementing technology for natural gas wells in Shenmu block of Changqing Oilfield

Wan Xiangchen1,2,Wang Peng3,Sun Yonggang4

(1.Xi’anShiyouUniversity,Xi’an710065,China;2.EngineeringTechnologyInstituteofCCDC,CNPC,Xi’an710018,China;3.WellCementingDepartmentofCCDC,CNPC,Xi’an710018,China;4.DownWellServiceCompanyofNorthPetroleumEngineeringCompanylimited,Zhengzhou450000,China)

The cementing technology is difficultly used to natural gas wells in Shenmu area of Changqing Oilfiled.The upper stratum is Liujiagou group with low pressure-bearing ability,and the under nature gas-bearing stratum with a long stretch is active,with high pressure in the wellhole in the process of well completion.To improve the pressure-bearing ability and tightness of the casing string,the staged cementing was changed to one-time up-return cementing in this area.In order to solve the problem of the one-time up-return cementing,we researched a low density cement slurry system based on GGQ for upper stratum with low pressure-bearing ability and anti-channeling cement slurry system with foam for the under active nature gas-bearing stratum.Experimental results showed that the density change values of low density cement slurry system is small after compression,and has function of leak-proof plugging;the foamed anti-channeling cement slurry system can effectively prevent gas-channeling.Field application results showed that the system can solve problems of up-return cementing in Shenmu area,and improve the cementing quality of the area.

cementing;low density cement slurry;prevent gas-channeling;low-pressure leakage;foamed cement slurry

2016-06-25；改回日期：2016-08-26。

万向臣(1985—)，工程师，在读硕士，从事固完井技术研究工作。电话：18092108800，E-mail：wanxcg_gcy@cnpc.com.cn。

10.16181/j.cnki.fzyqc.2016.04.015

TE256.6

A