普光氣田高含硫氣井安全快速優(yōu)質鉆完井配套技術

侯樹剛 劉東峰 李鐵成 李濤

1.中國石化中原石油勘探局鉆井工程技術研究院 2.中國石化中原油田普光分公司

普光氣田高含硫氣井安全快速優(yōu)質鉆完井配套技術

侯樹剛1劉東峰1李鐵成2李濤2

1.中國石化中原石油勘探局鉆井工程技術研究院 2.中國石化中原油田普光分公司

普光氣田是目前中國已發(fā)現(xiàn)的最大的高含硫天然氣田,天然氣儲層埋藏深,其天然氣具有高溫、高壓、高含硫的特點,鉆井面臨噴、漏、塌、卡、斜、硬、毒等世界級難題。為此,圍繞高含硫氣井安全鉆井技術、快速鉆井技術和優(yōu)質固井技術的科技攻關、配套和現(xiàn)場示范應用,形成了普光氣田安全優(yōu)快鉆井集成配套技術:①配套了70 M Pa封井器、內防噴工具組合為主的雙加雙井控裝備,確定鉆井液安全密度附加值,強化鉆井液、加重料、堵漏材料的儲備和硫化氫監(jiān)測及檢測,井控安全率達到了100%,井噴失控事故率為0;②普光陸相地層集成應用空氣、霧化、泡沫、氮氣、空氣錘等鉆井技術快速鉆進易漏、易塌、地層出水出氣等復雜地層,海相地層應用PDC+螺桿復合鉆井技術,全井鉆井周期平均縮短了33%,平均機械鉆速提高了61.21%;③應用耐腐蝕防氣竄膠乳水泥漿體系、高強低密度水泥漿體系并綜合應用尾管懸掛、正注反擠、分級固井等工藝技術,技術套管固井合格率為94.7%,產層套管固井合格率達100%、優(yōu)良率為83%。實現(xiàn)了該氣田高含硫氣井安全、快速、優(yōu)質鉆完井的目標。

普光氣田 高含硫天然氣 安全快速優(yōu)質 鉆完井 配套技術 井控 鉆井液 固井

普光氣田是目前中國已發(fā)現(xiàn)的最大的高含硫天然氣田。前期勘探成果表明,普光氣田天然氣儲層埋藏深、高溫、高壓、高含硫,鉆井面臨的主要技術難題是:①陸相地層硬度大、研磨性強、可鉆性差,機械鉆速低;②高陡構造地層傾角大、防斜打快難度大;③地層壓力系統(tǒng)復雜,防漏、堵漏難度大;④高含硫氣井的井控難度大、安全風險大;⑤固井條件復雜、施工難度大,固井質量難以保證?？傮w概況為噴、漏、塌、卡、斜、硬、毒等7種世界級鉆井難題。為此,圍繞高含硫氣井安全鉆井技術、快速鉆井技術和優(yōu)質固井技術的科技攻關、配套和現(xiàn)場示范應用,形成了普光安全優(yōu)快鉆井集成配套技術,實現(xiàn)了普光高含硫氣井安全、快速、優(yōu)質鉆完井,為“川氣東送”工程的順利推進提供了保證。

1 安全鉆井技術

1.1 井控安全設備配套

1.1.1 封井器

根據氣藏壓力,普光氣田防噴器壓力等級為70 M Pa或105 M Pa。防噴器組合為環(huán)形防噴器+半封閘板防噴器+剪切閘板防噴器+全封閘板防噴器+半封閘板防噴器+四通+四通+套管頭,組合成雙加雙防噴器。同時,防噴器防腐達到內涂層防硫級別EE級以上,防硫級別得到提升。該配套的主要優(yōu)點是不僅能應對鉆遇高壓氣層而引發(fā)的井控風險,還能為海相高含H2S氣層安全鉆井提供保障。

1.1.2 節(jié)流壓井管匯

節(jié)流壓井管匯結構設計中,壓井管匯采用雙壓井接口,節(jié)流管匯的結構方式上采用雙液動和雙手動節(jié)流閥實行操作控制,整個結構形式多為龍門式,放噴口一般為4個口以上。節(jié)流閥前后的平板閥采取同一壓力等級,防硫級別由EE級升到 HH級。節(jié)流管匯和壓井管匯的壓力等級、閥件組合形式和防腐要求應與防噴器相匹配,主通徑大于等于103 mm,節(jié)流管匯與四通平直連接。節(jié)流閥一井一換新,節(jié)流管匯、壓井管匯的閥芯、閥座選用耐磨、耐沖蝕材料,四通內表面和節(jié)流管匯、壓井管匯所有拐彎處內表面涂覆耐磨、耐沖蝕材料。

該配置實現(xiàn)了鉆井泵反循環(huán)壓井和遠程壓井泵組同時壓井作業(yè)。高壓時可通過壓井車進行壓井作業(yè),低壓時可通過鉆井泵進行壓井作業(yè),實現(xiàn)雙保險;整個管匯內部壓力實現(xiàn)可視操作。

1.1.3 防噴、放噴管線

放噴管線由 F G88×21上升為 F G103×21或FG103×35專用標準管線,采用標準法蘭連接,不準焊接。彎頭采用135°,且整體式加厚。

1.1.4 套管頭

套管頭根據普光氣田的最大地層壓力或高一個壓力級別進行選擇,具有氣密封、高抗硫、全金屬密封、絲扣懸掛的能力;環(huán)空安裝壓力表和引流管線,以滿足高H2S、高CO2氣井的鉆井要求。

技術套管和油層套管采用芯軸式懸掛器,并備有應急卡瓦;配備相應尺寸的試壓塞﹑防磨套和送取工具;套管頭上安裝法蘭扶正圈,利于鉆頭等工具的順利下入。

1.1.5 內防噴工具

配齊與防噴器壓力級別相一致的高抗硫氣密封內防噴工具,包括方鉆桿上下旋塞、鉆桿回壓凡爾搶裝工具、鉆具球形止回閥、鉆具箭型止回閥、鉆具旁通閥、井底式浮閥。

配備各種防噴短節(jié):旋塞+G105鉆桿+轉換接頭(下端可直連鉆鋌或其他尺寸鉆桿,起下鉆鋌或其他尺寸鉆桿過程中遇井噴時使用)。

1.1.6 防硫鉆具

防硫鉆桿G-105SS,有條件的全井使用,鉆具不夠的在井口以下3 000 m使用;其余用G-105鉆桿;打開產層不能使用S-135鉆桿。

1.2 鉆井液密度附加值的選擇

鉆井過程中,為了維持壓力平衡以防止發(fā)生井涌現(xiàn)象,井筒壓力系統(tǒng)需要滿足:

式中ρm為裸眼井段使用的鉆井液密度,g/cm3;ρpmax為裸眼井段鉆遇的最大孔隙壓力梯度,g/cm3;Sb為抽吸壓力系數(shù),介于0.04～0.06 g/cm3;Δρ為附加鉆井液密度,介于0.07～0.15 g/cm3。

模擬了4種溢流工況(75 L/s、150 L/s、225 L/s、300 L/s)對井筒壓力的影響,當?shù)貙右缌髁窟_到0.3 m3/s,井筒壓力的降低量為8 M Pa,對照普光氣田儲層深度,鉆井液安全密度附加值為0.15 g/cm3。

1.3 鉆井液、加重料、堵漏材料

施工現(xiàn)場應進行鉆井液、加重料、堵漏材料的儲備。重鉆井液儲備數(shù)量必須在井眼容積的1倍以上;加重料的儲備大于5 200 t;堵漏劑(包括復合堵漏劑、隨鉆堵漏劑、核桃殼等各種粒徑的堵漏材料)的儲備各在15 t以上。

1.4 硫化氫監(jiān)測及檢測

針對普光氣田高含硫、高危險性的特點,結合當?shù)氐臍庀?、地貌條件,在吸取國內外氣體檢測先進技術和應急響應預案優(yōu)點的基礎上,根據氣井及周邊H2S氣體泄漏擴散方式,對氣井作業(yè)現(xiàn)場安全監(jiān)測儀器的選擇、監(jiān)測設備布局、報警及控制方式進行研究,制訂了防止H2S、SO2等有毒有害氣體危害的保護措施,包括:H2S、SO2等氣體監(jiān)測儀、個體防護設備、急救設備、警示標志等。建立起監(jiān)測預警聯(lián)動機制,編制了氣井井站和周邊區(qū)域兩級應急響應預案。按照事故預案等級,分層次組織培訓和演練,通過對演練效果的評價,使得應急體系逐步完善、有效,以便在發(fā)生險情或事故時能夠科學應對。

2 優(yōu)快鉆井技術

2.1 井身結構優(yōu)化技術

普光氣田井深,井眼上部套管承受了較大拉伸應力。在高酸性環(huán)境下的井身結構要求降低入井管柱的應力水平,以提高酸性環(huán)境下材料的抗硫化物開裂能力,延長服役壽命。為此,優(yōu)化了井身結構和油管柱設計,提出了套管回接、上部用低鋼級厚壁套管、上大下小復合套管柱3種類型井身結構設計方法,降低應力水平,同時,避免噴、漏、塌、卡等復雜情況產生,滿足提高鉆井速度和固井質量、保證安全鉆井和產能的需要。

1)導管下深50～100 m,封過地表水、防止地表竄氣。

2)表層套管下深增加到700 m以上,防止水污染并提高井控安全,封過河床底部以下100 m;表層套管由`339.7 mm改為`346.1 mm,選用一般碳鋼套管。

3)采用`273 mm技術套管下深3 600～4 500 m,完全封隔陸相復雜地層;并將第二次開鉆`314 mm鉆頭優(yōu)化為`320 mm,保證了下套管安全,增大了3 mm水泥環(huán)厚度,有利于提高固井質量;在管材選擇上,增加抗硫性能,提高安全系數(shù),使用 TP100SS和TP110TS抗硫套管。

4)針對嘉陵江組鹽膏層蠕變,使用壁厚從12.50 mm改為19.05 mm的`193.7 mm厚壁套管,抗擠強度從90 M Pa提高到134.5 M Pa。

5)對產量大于100×104m3的高產井,采用井口以下200 m內為`222.2 mm套管+`193.7 mm套管回接+`177.8 mm尾管,水泥漿返至地面,以滿足高產井采氣要求。

2.2 陸相地層氣體鉆井技術

針對普光氣田地質特點,在上部陸相地層使用氣體鉆井技術。其中,以空氣作為介質的空氣鉆井技術應用最為普遍,減少井底鉆頭壓持效應,大幅度地提高機械鉆速,解決地層嚴重漏失的問題,減少遇水膨脹地層垮塌,并有利于井身質量的控制。

2.2.1 設備配置

氣體鉆井設備主要由空氣壓縮機組、增壓機組、制氮機組、霧化泵和化學劑注入泵、連接管匯部分、中央控制系統(tǒng)及其他輔助設備組成。要求配備的空氣壓縮機、增壓機的輸出排量和壓力要能夠滿足普光氣田現(xiàn)場設計施工井段的需求。針對不同井眼、不同鉆具組合在不同深度進行氣體鉆井施工所需要的氣體排量,可以得出需要配置的空氣壓縮機的數(shù)量,并應遵循以下原則:

1)應按設計的最大氣體流量配置空氣壓縮機,并至少多配置1臺壓縮機作為備用;若使用膜制氮機進行氮氣鉆井時,空氣壓縮機的供氣能力按氮氣流量的2倍配置。實施霧化鉆井,空氣壓縮機的供氣能力應高于空氣鉆井的30%～40%,具體應根據地層出水量的大小進行計算確定。

2)壓縮機的額定氣體流量應根據海拔高度、地面溫度和濕度進行校正。

3)膜制氮機對氮氣純度應連續(xù)可調,在氮氣純度為95%的條件下氮氣流量應大于設計氣體流量,若使用液氮,液氮設備的氮氣流量應高于設計氣體流量。

4)地質預告有潛在水層的情況下,應配備霧化泵。霧化泵的額定壓力應不低于10.5 M Pa,排量不低于18 m3/h。宜另配2臺化學劑注入泵,注入泵排量不低于1.25 L/min、泵壓不低于14 M Pa。

2.2.2 氣體鉆井方式轉換

上部陸相地層氣體鉆井技術以空氣鉆井作為陸相地層的核心提速技術,在地層出水、出氣等不同情況下可以轉換為氮氣、霧化、泡沫鉆井,以保持氣體鉆井快速鉆進的優(yōu)勢。

2.2.3 氣體鉆井提速技術

在普光氣田陸相地層`444.5 mm、`320 mm大井眼試驗應用了空氣鉆井、氮氣鉆井、霧化鉆井、泡沫鉆井等氣體鉆井技術[1-5],提高了機械鉆速,縮短了鉆井周期,有效解決了易漏、易斜、易塌、地層出水出氣等難題。

在氣體鉆井中,使用空氣錘+具有鉆頭防掉落安全機構的空氣錘鉆頭鉆井方式,可以獲得更高的機械鉆速,而且井身質量更好,井眼規(guī)則,并減輕對鉆具的疲勞破壞。平均機械鉆速為10.43 m/h,是空氣牙輪鉆頭的2倍以上,單只鉆頭平均使用壽命達61 h,空氣錘無故障工作時間達143.7 h。

普光氣田38口開發(fā)井氣體鉆井總進尺占全井鉆井總進尺的47.83%,平均機械鉆速7.49 m/h,比常規(guī)鉆井液鉆井提高約6倍,縮短單井鉆井周期約90 d。

2.3 海相地層復合鉆井技術

在普光海相地層,采用“螺桿+PDC鉆頭”復合鉆進工藝,大幅度提高了海相非目的層的機械鉆速,平均機械鉆速為2.8 m/h,比常規(guī)鉆井機械鉆速提高2倍。

依據地層和鉆頭特性,優(yōu)選耐高溫、長壽命、大扭矩螺桿鉆具。海相地層直井段選用輸出動力強勁的大尺寸螺桿,較規(guī)則的直井段宜采用`197 mm直螺桿,若井眼不規(guī)則,則采用`185 mm直螺桿;由于`197 mm彎螺桿與第三次開鉆`241.3 mm井眼間隙小,穩(wěn)斜段不宜采用`197 mm彎螺桿;在海相地層應盡可能減少`172 mm螺桿的使用。

2.4 鉆井液技術

由于普光氣田地層復雜,易漏、易塌、易發(fā)生鹽膏層污染、目的層埋藏深且高含 H2S和CO2,所以對鉆井液的防塌、防漏、抗污染、抗高溫性、防腐性能有更高的要求。

2.4.1 鉆井液體系

普光氣田陸相地層采用強抑制聚合物防塌鉆井液體系:3%～4%NV-1+0.2%Na2CO3+0.5%～0.8% NaOH+0.1%～0.3%DS-301+0.2%MM H+0.3%～0.5%HP+1%～1.5%PL+3%～4%BY-2,具有良好的抑制和防塌能力。

海相地層采用強抑制性聚磺防塌鉆井液體系:4% NV-1+0.2%Na2CO3+0.5%～0.8%NaOH+0.2 MM H%+0.2%～0.3%DS-301+0.3%HP+1%～1.5%COP-HFL+3%～4%CSM P+3%～4%CFL+ 3%～4%BY-2+3%CGY,具有抗高溫、抗污染、有效保護油氣層等性能。

2.4.2 防漏堵漏

普光氣田井漏較為普遍,主要漏失層位在陸相地層遂寧組和沙溪廟組,漏失類型為裂縫性。根據其漏失速度采用以下堵漏方法:①滲透性漏失主要采用隨鉆堵漏;②中等漏失主要采用細粒堵漏漿進行暫堵;③大漏情況下采用橋漿堵漏、大顆粒復合堵漏、膠質水泥或M TC水泥堵漏。

對于產層井漏,采用瀝青、聚合醇、超細鈣、無滲透材料、乳化石蠟作為封堵和造壁材料,進行防漏和保護產層處理;采用堵漏漿進行堵漏時,堵完漏以后要將堵漏劑清除,避免摩阻大幅上升。

3 優(yōu)質固井技術

3.1 固井設備配套

普光氣田固井質量要求高,固井難度大,為保證固井質量,固井設備配套必須達到以下要求:

1)配備雙級雙泵固井設備,確保施工連續(xù)性和固井質量,建立全自動化混拌裝置,保證水泥、添加劑混拌均勻,從而提高固井質量。

2)建立水泥干混庫,水泥儲存量為700 t。

3)配備批混罐,保證入井水泥漿密度達到設計要求。

4)建立實驗室,配置齊全化驗設備和技術人員,從固井準備開始到后期跟蹤進行全過程化驗和監(jiān)督。

3.2 水泥漿體系優(yōu)選

為防氣竄防腐蝕,優(yōu)選了膠乳防氣竄水泥漿體系和膠粒防氣竄水泥漿體系[6-7];針對高抗擠優(yōu)質低密度水泥漿體系,優(yōu)選了具有高抗擠能力的空心玻璃微珠作為減輕劑,具有較高的承壓能力,同時水泥漿綜合性能良好。

1)表層套管全部采用高密度常規(guī)水泥漿體系。

2)針對技術套管井段長、易漏失的難題,采用了常規(guī)高密度水泥漿體系和國產漂珠低密度水泥漿體系。

3)尾管尾漿優(yōu)選出了尾漿膠乳體系、膠粒體系,水泥強度高,防氣竄效果好,同時具有一定的彈性和防腐性能,主要應用于目的層井段。

4)尾管領漿采用3M低密度水泥漿體系,水泥漿密度低、強度高,降低了尾管固井中的漏失概率。

5)回接固井不存在漏失問題,采用高密度常規(guī)水泥漿體系,直接返到井口。

3.3 固井工藝

1)產層套管固井全部采用尾管懸掛技術和回接技術。

2)在防漏上采用分段壓穩(wěn)設計,防止固井井漏。

3)在保證固井質量上采用旋流、塞流復合頂替技術,提高固井質量。

4)針對普光氣田技術套管下深到3 500～4 500 m、固井井段長、固井時容易發(fā)生井漏的情況,采用正注反擠固井工藝,提高技術套管固井質量。

通過采用先進的工藝、技術、措施,固井質量得到了有效的保證,普光氣田完井的38口井,技術套管固井合格率為94.7%,產層套管固井合格率達100%、優(yōu)良率為83%。

4 結論與認識

1)配套了70 M Pa封井器、內防噴工具組合為主的雙加雙井控裝備,確定鉆井液安全密度附加值,強化鉆井液、加重料、堵漏材料的儲備和 H2S監(jiān)測及檢測,普光高含硫氣井井控安全率達到了100%,井噴失控事故率為0。

2)普光陸相地層集成應用空氣、霧化、泡沫、氮氣、空氣錘等鉆井技術快速鉆進易漏、易塌、地層出水、出氣等復雜地層,海相地層應用PDC+螺桿復合鉆井技術,全井鉆井周期平均縮短了33%,平均機械鉆速提高了61.21%。

3)應用耐腐蝕防氣竄膠乳水泥漿體系、高強低密度水泥漿體系并綜合應用尾管懸掛、正注反擠、分級固井等工藝技術,技術套管固井合格率為94.7%,產層套管固井合格率達100%、優(yōu)良率為83%。

4)形成了普光安全優(yōu)快鉆井集成配套技術,實現(xiàn)了普光高含硫氣井安全、快速、優(yōu)質鉆井。

[1]侯樹剛,李鐵成,舒尚文,等.空氣錘及空氣鉆頭在普光氣田的應用[J].天然氣工業(yè),2007,27(9):65-67.

[2]侯樹剛,舒尚文,張克勤,等.空氣、氮氣鉆井技術在普光氣田的應用[J].天然氣工業(yè),2008,28(5):55-57.

[3]侯樹剛,舒尚文,李鐵成,等.普光氣田防斜打快技術研究與應用[J].天然氣工業(yè),2007,27(6):61-63.

[4]舒尚文,侯樹剛,胡群愛,等.氣體鉆井技術提高普光氣田鉆井速度研究[J].鉆采工藝,2007,30(6):4-5.

[5]孫繼明,侯樹剛,李鐵成,等.空氣鉆井在普光D-1井成功應用[J].石油鉆探技術,2006,34(4):24-26.

[6]周仕明.南方海相高壓氣井防氣竄固井技術研究[R].北京:中國石化石油工程技術研究院,2006.

[7]周仕明,曾義金.川東北復雜壓力體系氣井固井技術[R].北京:中國石化石油工程技術研究院,2010.

Package of technologies for safe,fastand high-quality drillingand completion of high-H2Sgas wells in the Puguang Gas Field

Hou Shugang1,Liu Dongfeng1,Li Tiecheng2,Li Tao2
(1.D rilling Engineering Technology Institute,Zhongyuan Petroleum Exp loration Bureau,Sinopec,Puyang,Henan 457001,China;2.Puguang B ranch of Zhongyuan Oilfield Com pany,Sinopec,Dazhou,Sichuan 635000,China)

NATUR.GAS IND.VOLUM E 31,ISSUE 3,pp.18-21,3/25/2011.(ISSN 1000-0976;In Chinese)

Deep buried gas reservoirs have been found in the Puguang Gas Field,w here natural gas is characterized by high temperature,high p ressure and a high H2S content,so drilling engineers have to face the great challenge of seven wo rld-class drilling difficulties including blowout,mud loss,well slough,sticking,well deviation,hard fo rmation,and toxic gas.In view of this,through tackling w ith key p roblem s and perfo rming a lo t of field p ractices,we have fo rmed a package of safe,fast and high-quality drilling technologies for the Puguang Gas Field.First,by theway of equipping with"double p lus double"well controloutfitw ith a combination of 105 M Pa blowout p reventer and interio r blowout p revention tools,determining an additional value of safe density w indow of drilling fluids,p reparing weighting material and sealing agent,and monitoring H2S continuously,the well control safety rate of 100%and the blowout accident rate of zero have been both achieved.Second,as for the drilling in continental fo rmation,the techniques of air drilling,atomized drilling,nitrogen drilling,air hammer drilling were app lied to drill rapidly through the comp licated fo rmations;as for the marine fo rmation,a combination of PDC bit and screw drilling was applied.As a result,the average drilling time for thew hole wellwas sho rtened by 33%,and the average rate of penetration ratewas increased by 61.21%.Third,the co rrosion p roof and gas block latex cement slurry system and high strength and low density slurry system were chosen,and the techniques of liner hanger,injecting positively&extruding oppositely and stage cementing were app lied.Consequently,the accep tance rate of cementing of technical casing and p roduction fo rmation casing reached 94.7%and 100%,respectively,and the percentage of the excellent rate was 83%.With the above-mentioned package of drilling technologies,we have realized the target of fast,safe and highquality drilling and completion of high H2Swellsof the Puguang Gas Field.

Puguang Gas Field,high H2S gas,safe,fast,high-quality,drilling,comp letion,package of technologies,well control, drilling fluid,well cementing

國家科技重大專項“大型油氣田及煤層氣開發(fā)”之“高含硫氣藏安全高效開發(fā)技術”課題二“高含硫氣藏安全鉆井與完井技術”(編號:2008ZX05017-002)和“四川盆地普光大型高含硫氣田開發(fā)示范工程”(編號:2008ZX05048)部分研究內容。

侯樹剛,1974年生,高級工程師,工學博士;2004年畢業(yè)于中國地質大學地質工程(鉆井)專業(yè);從事氣體鉆井和石油鉆井技術研究工作。地址:(457001)河南省濮陽市中原路59號中原石油勘探局鉆井工程技術研究院。電話:(0393)4899603, 13513902866。E-mail:houshugang@sina.com

侯樹剛等.普光氣田高含硫氣井安全快速優(yōu)質鉆完井配套技術.天然氣工業(yè),2011,31(3):18-21.

10.3787/j.issn.1000-0976.2011.03.005

2011-01-28 編輯 趙 勤)

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2011.03.005

Hou Shugang,p rofessor of senio r engineer,bo rn in 1974,graduated in geological engineering(drilling)from China University of Geosciences in 2004.Now he is engaged in research on petroleum drilling&p roduction technologies.

Add:No.59,Zhongyuan Rd.,Puyang,Henan 457001,P.R.China

Tel:+86-393-4899 603 Mobile:+86-13513902866 E-mail:houshugang@sina.com