非均质恶性漏失气藏调剖封堵剂体系的研究与应用

宋胜利

(中原油田分公司石油工程技术研究院)

“5.12”汶川地震导引起嘉陵江组盐岩层蠕变加剧，导致普光气田气井油层套管普遍变形。2014年以来，又相继发现部分气井油层套管变形加剧。若套管变形进一步加剧，可能出现套管破损，破坏生产管柱的完整性，导致含硫天然气窜漏，存在较大安全隐患，需要及时封井处理。但普光气井压力系数低、地层亏空，挤堵时水泥浆漏失严重；气井射孔井段长、非均质强，挤堵时水泥浆大量挤入高渗层、裂缝层，难以有效封堵中、低渗气层，封堵效果差[1]。

为使水泥浆有效挤入地层高、中、低渗气层，避免水泥浆大量漏失或沿高渗、裂缝层指进，研究了一种适合非均质恶性漏失气层的调剖封堵剂体系，配套了不动管柱调剖封堵工艺，并在普光气田D405-3井成功应用。现场应用表明，调剖封堵剂体系可在地层内形成“动平衡堵漏、封堵塞”，降低水泥浆的漏失、提高中低渗气层的封堵效果，对于非均质、恶性漏失气层具有较好的封堵效果。

一、调剖封堵剂体系

1. ZND调剖堵漏剂的性能

1.1 调剖堵漏剂的要求

(1)挤得进。堵漏剂的流动性要好，能通过油管挤入裂缝、高渗层。

(2)能憋压。调剖堵漏剂挤入地层后具备一定的堵漏能力，能承受一定压差。且承压能力大于封堵水泥浆进入中、小孔缝的挤入压力，从而能憋压让水泥浆更多的进入中、小孔缝，扩大水泥浆的波及体积。

(3)动平衡。调剖堵漏剂在地层内的承压能力可控，当提高挤注压力时能将堵漏剂挤入地层深部，避免后续封堵水泥浆挤不进去[2]。

1.2 ZND调剖堵漏剂的性能特点

ZND调剖堵漏剂是通过高分子聚合物缔合形成的超分子聚集体结构性溶液，当挤注压力小于流动阻力时，堵漏剂能起到堵漏效果；当挤注压力大于流动阻力时，能推动堵漏剂段塞进入地层深部，避免后续水泥浆无法挤入地层。此外，ZND调剖堵漏剂具有较好的防气窜、抗水冲稀混合性能，能阻隔地层流体。在130℃下72 h后自然水化，水化产物对气层无影响[3]。ZND调剖堵漏剂主要性能如下。

(1)在较高速梯(如400～600 s-1)下具有较低的黏度(150～300 mPa·s)；在低速梯下(7.34 s-1，相当于在地层中渗流)，黏度可达(2～3)×104mPa·s或更高。

(2)能挤入100 mD以上的中高渗气层，在1 600 mD高渗层内堵漏压力可达18 MPa。当高于18 MPa时，能推动堵漏剂进入地层深部(见表1)。

表1 ZND调剖堵漏剂驱替压力测试表

(3)ZND调剖堵漏剂中加入水泥浆后，由于重力作用堵漏剂与水泥浆很快分层，静置48 h后水泥固结良好，上下界面清晰、无混浆的现象。

2. 耐腐蚀超细水泥浆的性能

2.1 气层封堵剂的要求

(1)流动性好。水泥浆粒径配比合适、流动阻力小，易于挤入中、小孔缝，能够配合连续油管施工。

(2)充得满。水泥浆零析水，凝固后不能收缩、最好微澎胀，充分填满地层孔缝[4]。

(3)堵得久。水泥石强度、耐腐蚀及防气窜性能合适，在普光高温高含硫腐蚀环境下，能永久阻隔地层流体进入井筒。

2.2 耐腐蚀超细水泥浆的性能特点

耐腐蚀超细水泥浆以超细水泥为主剂，掺入超细矿渣、粉煤灰、硅灰及外加剂。同时，加入适量的“胶乳、微硅、膨胀剂以及耐腐蚀剂”，提高封堵水泥浆的强度、防气窜及耐腐蚀能力，提高气层孔缝的封堵效果[5-6]。其主要性能指标如下：

(1)耐腐蚀超细水泥浆塑性黏度≤60 mPa·s、初始稠度≤20 BC，沉降稳定性≤0.02 g/cm3。模拟采用QT-900连续油管、排量200 L/min循环泵注水泥浆时，最高泵压27 MPa，抗拉安全系数1.5。

(2)水泥浆在135℃下初始稠度12 BC，稠化时间3～9 h可控，直角稠化。

(3)水泥浆体系在泵压45 MPa下可穿透60目石英砂，适合中、低渗储层封堵。

(4)在15%H2S、8%CO2、150℃条件下，固化后的水泥石腐蚀前后强度均大于21 MPa，渗透率小于0.012 mD，适合高温高含硫井况长久封堵(见表2)。

表2 水泥石耐腐蚀性能评价表

二、不动管柱调剖封堵工艺

普光气井采用酸压-完井一体化管柱，管柱结构主要包括(自上而下)：井下安全阀+油管+循环滑套+永久封隔器+坐落短节+剪切球座。永久封隔器坐封在气层以上50～100 m的合金套管段(套变段下部)[7]。在油层套管变形加剧的情况下，永久封隔器及下部管柱可能无法起出。若采用先起出原井管柱再封堵气层的封井工艺，一旦套变加剧导致永久封隔器及下部管柱打捞失败，在“套变+落物”的情况下，将难以实施气层封堵、无法从根源上消除气井安全隐患。因此，只能先不动管柱封堵气层，再打捞原井管柱，最后封堵井筒。

在不动原井管柱的情况下，若直接利用原井管柱调剖封堵，由于地层破裂压力较低，原井管柱笼统挤注可能压漏地层。同时，生产多年后储层物性较投产时发生较大变化，而原井管柱无法循环，堵剂用量难以准确把握。堵剂用量较少可能达不到气层堵漏、封堵效果；堵剂过量可能造成原管柱“灌香肠、插旗杆”，影响后续封井施工[8]。

针对普光一体化完井管柱调剖封堵存在的难点，在ZND调剖堵漏剂、耐腐蚀超细水泥浆性能研究基础上，配套了不动管柱调剖封堵工艺。该工艺主要分为三个阶段：①利用原井管柱挤注ZND调剖堵漏剂，调整气层吸水剖面；②下连续油管至射孔段底界，将封堵水泥浆通过连续循环替至射孔段，避免原井管柱笼统挤注导致压漏地层；③利用原井管柱顶替清水，将射孔段的水泥浆挤入地层、封堵近井气层。

三、普光D405-3井封井应用

1. D405-3井基本情况

D405-3井于2006年10月1日完钻，完钻井深5 060.89 m，完钻层位二叠系长兴组。2011年11月投产作业，由于套管严重变形，采用“永久封隔器+遇油膨胀封隔器”采气管柱完井。

D405-3井射孔段4 794.2～4 913.6 m，射孔段储层累计厚度107.3 m，渗透率0.073～1410 mD；孔隙度3.7%～13.4%。射孔段有3个高渗层，渗透率分别为1 410、361、119 mD，其他小层渗透率不到30 mD。

2016年测试该井地层压力系数0.8，测试时挤注清水302 m3压井，排量1 m3/min，泵压仅3～5 MPa，反映地层亏空、漏失严重。压井后12 h井口压力就上升至7～10 MPa，气窜严重、难以长时间压稳井。

2. 调剖封堵剂体系及施工工艺设计

2.1 调剖封堵剂体系设计

2.1.1 ZND调剖堵漏剂设计

(1)ZND调剖堵漏剂基本性能。ZND调剖堵漏剂密度1.1～1.2 g/cm3，膨胀率1.5%，与水1 ∶1混合搅拌30 min不溶，在130℃，18%H2S、9%CO2条件下，性能稳定时间大于48 h。

(2)ZND调剖堵漏剂用量。D405-3井共有3个高渗层，渗透率分别为1410、361、119 mD，根据ZND调剖堵漏剂驱替压力测试情况，若将水泥浆进入高渗层的压力门槛提高至18 MPa，共需要ZND调剖堵漏剂约71 m3。

Δp=p0×L

(1)

式中：Δp—驱替压力，MPa；p0—驱替压力梯度，MPa/m；L—堵漏剂段塞长度，m。

Q=πL2h

(2)

式中：Q—堵漏剂用量，m3；L—堵漏剂段塞长度，m；h—小层厚度，m。

2.1.2 耐腐蚀超细水泥浆设计

(1)耐腐蚀超细水泥浆基本性能。耐腐蚀超细水泥浆密度1.85 g/cm3，失水≤20 mL，初始稠度≤20 Bc，沉降稳定性≤0.02 g/cm3，130℃条件下稠化时间5.5～7 h；120℃、18%H2S、9%CO2条件下，腐蚀深度<2 cm/a。

(2)耐腐蚀超细水泥浆用量。根据D405-3井储层物性，在气层平均挤堵半径0.5 m、挤堵后灰面4 400 m的情况下，共需要超细水泥15 m3。

(3)

式中：V—超细胶乳水泥浆用量，m3；L—挤堵半径，m；φ—气层孔隙度，%；h—气层厚度，m。

2.2 不动管柱调剖封堵工艺设计

(1)挤压井、测吸水指数。油管挤注碱水压井，测试地层吸水指数。

(2)调剖堵漏。油管挤注特种ZND堵漏剂71 m3，顶替清水将特种堵漏剂挤至近井地层。

(3)连续油管替水泥浆。连续油管下至射孔段底部，替入耐腐蚀超细水泥15 m3。

(4)气层挤堵。上提连续油管至油管鞋以内，油管挤注清水、顶替水泥进入地层。

(5)候凝、试压。关井候凝48 h，采用原井管柱试压。

3.现场应用情况

通过采用调剖封堵剂体系，应用不动管柱调剖封堵工艺，2017年5月成功完成普光D405-3井封井施工。

封井时累计挤注ZND堵漏剂66.8 m3，堵漏后在清水挤注排量600 L/min的情况下，压井泵压提高至18 MPa。Ø44.45 mm连续油管循环注入耐腐蚀超细水泥浆15.1 m3，替浆排量200 L/min，最高泵压30 MPa。顶替清水23.5 m3(最高泵压30 MPa)。

候凝48 h后连续油管探灰面4 403 m，井筒试压30 MPa无压降显示。连续观察15 d，井口无压力显示。在后续打捞原井管柱、井筒注塞等施工过程中(共历时44 d)，未出现气窜、逸漏等现象。

四、结论

(1)“ZND调剖堵漏剂+耐腐蚀超细水泥浆”堵剂体系可用于非均质恶性漏失气层的封堵。ZND调剖堵漏剂在高渗层、裂缝层内形成“动平衡堵漏塞”，避免水泥浆单一进入高渗层或大量漏失；耐腐蚀超细水泥浆粒径小、流动性好，易于挤入中小孔缝、永久隔断气层与井筒的联系。

(2)不动管柱调剖封堵工艺模式，适合严重套变、恶性漏失等复杂井况的气井封井。对于严重套变、恶性漏失等复杂井况，不动管柱调剖封堵工艺能避免因原管柱打捞失败而无法封堵气层。同时，先调剖再挤堵，能避免堵剂漏失、提高中、低渗气层的封堵效果。