管外封隔器固井技术在临兴地区浅层气井的应用

2020-10-17和鹏飞李洪磊

石油化工应用 2020年9期

李建，和鹏飞，冯雷，王烊，王涛，李洪磊

（1.中海油能源发展股份有限公司山西分公司，山西晋中 030600；2.中海油能源发展股份有限公司监督中心，天津 300452）

浅层气埋深浅，能量足，开发周期短，成本低，具有较高开发价值。鄂尔多斯盆地临兴区块在紫金山构造储藏着丰富的浅层气，最近三年进行了规模开发，成效显著。由于浅层气井埋藏浅、压力高，在钻井作业过程中风险极高，极易发生井涌、井喷等事故，特别是固井作业，封固难度大，在水泥浆凝固过程中易发生气窜，出现环空带压情况。在钻井工程中，注水泥结束后，环形空间发生油、气、水窜是国内外还没有很好解决的影响固井质量的难题，其中最关键和危险的问题就是气窜[1]。管外封隔器固井技术通过阻断油气上窜通道，保持环空压力稳定，可以实现浅层气的封固，解决浅层气井开发难题，实现了临兴地区浅层气井的安全、优质开发。

1 临兴区块浅层气情况

（1）浅层气井区位于鄂尔多斯盆地临兴区块紫金山构造带北部，整体为北西—南东走向的背斜构造。鄂尔多斯盆地东缘发育中上元古界、下古生界的海相碳酸盐岩层、上古生界—中生界的滨海相、海陆过渡相及陆相碎屑岩层，新生界仅在局部地区分布。其中中生界纸坊组及和尚沟组为浅层气井区主要油气勘探开发层系，气层孔隙度主要分布在10 %～16 %，渗透率主要分布在0.6 mD～11 mD（见表1）。

表1 地层信息

（2）根据已钻井的实测值以及地震资料进行预测，纸坊组及和尚沟组气层压力系数分别为1.55 和1.33，属于异常高压储层。

（3）浅层气井大部分为大斜度定向井，采用二开井身结构，一开Φ311.15 mm 井眼钻进至气层以上，进入基岩20 m 中完，下入Φ244.5 mm 套管。二开Φ215.9 mm井眼钻开气层，钻进至完钻井深，下入Φ139.7 mm 套管（见表2）。

表2 井身结构

（4）前期完成的部分浅层气井出现溢流、井漏等复杂情况，固井作业出现气窜致使环空封固质量不合格和环空带压。

2 固井技术难点与对策

2.1 技术难点

地层松软、疏松、不成岩，水泥石无法与井壁形成有效胶结[2]。研究表明水泥与泥岩、砂岩地层的胶结强度随孔隙度和渗透率的增加而下降，地层流体在水泥浆凝固过程中影响优质水泥环的形成，影响封固质量[3]。浅层气井固井作业需要全封，井底压力高，易发生漏失。另因浅层气井温度低，在40 ℃左右，水泥浆稠化时间不易控制，凝固期间易发生水泥浆失重导致气窜。最上部气层在200 m 以内，容易诱发气窜，难以实现压稳；前期已完成部分井出现固井质量差，呈现“糖葫芦”形状并有环空带压情况。对于浅层气防气窜、防漏固井技术，采用低密度水泥浆固井技术，或双凝水泥浆设计，优化配方，增加水泥石强度，严格控制水泥浆的稠化时间和过渡时间并及时进行环空憋压，确保压稳浅气层[4]的技术和措施使用后没有取得明显效果。

2.2 技术对策

对于防气窜技术有的采用双级固井技术，使用大排量提高循环摩阻，环空憋压，加重隔离液方法[5]。在总结分析国内外浅层气井开发经验的基础上，制订了适合临兴地区的管外封隔器+防气窜水泥浆固井技术：

（1）套管外封隔器是一种与套管连接的用来封隔套管与井壁间的环形空间的井下固井工具，可有效封隔油气层，进行有选择性的开采或封堵某一层段，保证套管外环空的密封性[6]。套管外封隔器固井技术是一种特殊固井技术，通常用于漏失井、返水层、高压井、多套压力并存井等复杂井完井固井中[7-10]，地下储气库对井筒完整性要求高的井，技术套管、油层套管均采用套管外封隔器固井，确保全井筒的环空密封效果和用于气井封固防窜方面的应用[6]。通过分析对比，选择水力膨胀式封隔器加放在套管重合段，在顶替结束后进行涨封，以阻断气体上窜通道，保持环空压力稳定，实现浅层气的良好封固（见图1）。

（2）采用快凝防气蹿水泥浆体系，采取两凝稠化，提高水泥石的弹韧性，控制尾浆直角稠化。提高对气层的封固能力，使用低密度水泥浆替代部分前置液以减少对气层的扰动。利用领浆在尾浆凝固过程失重的情况下实现压稳地层。稠化时间控制在90 min 以内并加入晶格膨胀剂以降低水泥浆稠化失重时的气窜影响，水泥浆中加入纤维提高地层的承压能力防止地层发生漏失，采用塞流顶替模式提高顶替效率减小漏失风险。

3 应用效果

图1 套管封隔器结构图

（1）通过对比，选择使用渤海钻探的TWF140 型封隔器，放置在套管重合段。TWF 型系列套管外封隔器是采用膨胀胶筒为密封元件，以组合阀系控制座封的永久式套管外封隔器，主要用于复杂油、气、水井完井工程作业中，以实现各种目的的井下封隔与桥堵，对改善和提高油、气、水井的固井完井质量有显著作用。该工具操作简便、性能可靠、适应性强，是一种重要的固井完井工具。

在施工过程中，当顶替胶塞通过封隔器控制阀系统时，将密封在进液孔上的断开杆碰断，打开进液孔。当顶替胶塞运行到浮箍处时，使套管内形成密封并开始憋压，液体经控制阀系统的进液孔进入开启阀，当压力达到设定值时开启阀上的销钉被剪断，开启阀打开，液体流经单流阀、限压阀进入中心管与胶筒间的膨胀腔内，使封隔器膨胀与上层套管紧密接触形成密封。

TWF140 型封隔器可承压10 MPa～35 MPa，开启阀销钉剪断压力在9.0 MPa～10.0 MPa，现场施工时留3.0 MPa～4.0 MPa 的安全压力。现场顶替结束碰压后缓慢加压，开启阀销钉剪断，封隔器膨胀座封，稳压3 min～5 min 使封隔器充分膨胀，然后迅速放压至零，各阀关闭，自锁完成座封。

（2）优选水泥浆配方，提高防气窜性和封堵性。

领浆配方：G 级水泥+1.5 %防气窜剂+0.6 %减阻剂+43 %现场水

尾浆配方：G 级水泥+1 %降失水剂+1.5 %流型调变剂+1.5 %防气窜剂+0.5 %减阻剂+2 %晶格膨胀剂+纤维+42.5 %现场水

通过纤维提高地层封堵性和晶格膨胀剂提高水泥石饱满度及补偿体积收缩。使用低密度水泥浆替代部分前置液以减少对气层的扰动，在满足15 min 的安全时间的前提下，尽量缩短稠化时间实现直角稠化，实际作业中基本控制在90 min 左右。采用0.3 m3/min 塞流顶替，提高顶替效率降低漏失风险。

（3）管外封隔器固井技术在临兴地区浅层气的钻井作业中得到了大规模的应用，解决了浅层气井固井作业的难题，浅层气井固井质量大幅提升，未再出现环空带压情况。