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      川西首口頁巖氣水平井固井技術(shù)

      2013-03-01 07:38:00全家正劉忠飛周回生何峻宇丁俊選
      天然氣勘探與開發(fā) 2013年4期
      關(guān)鍵詞:固井扶正水泥漿

      全家正 白 龍 劉忠飛 周回生 王 洋 何峻宇 丁俊選

      (1.中國石化西南油氣分公司工程監(jiān)督中心 2.西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院)

      川西首口頁巖氣水平井固井技術(shù)

      全家正1白 龍1劉忠飛2周回生1王 洋1何峻宇1丁俊選1

      (1.中國石化西南油氣分公司工程監(jiān)督中心 2.西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院)

      目前頁巖氣水平井的固井面臨著套管難以下入、居中度低、頂替效率低、水泥環(huán)彈韌性差等技術(shù)難題?;诖ㄎ鞯貐^(qū)地質(zhì)條件和鉆井狀況的認(rèn)知,分析了川西首口頁巖氣水平井XYHF-1井的固井難點(diǎn),總結(jié)了有效通井、優(yōu)化扶正器安裝、滑套固井技術(shù)、優(yōu)選水泥漿體系等提高該井固井質(zhì)量的技術(shù)措施,對(duì)固井質(zhì)量進(jìn)行了分析總結(jié)并認(rèn)為SCW沖洗液、三級(jí)沖洗工藝、彈韌性水泥漿體系的應(yīng)用是提高頁巖氣水平井固井質(zhì)量的有效措施。圖1表2參5

      頁巖氣 水平井 固井技術(shù) 滑套固井

      近年來,作為非常規(guī)天然氣的頁巖氣開發(fā)異軍突起,已成為全球油氣資源開發(fā)的新亮點(diǎn)。全球非常規(guī)油氣資源預(yù)計(jì)可達(dá)到921.4×1012m3,其中頁巖油氣資源量可達(dá)到456.0×1012m3。我國非常規(guī)油氣資源量巨大,頁巖油氣資源量達(dá)到26×1012m3[1-3]。頁巖氣開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)是水平井技術(shù)和分段增產(chǎn)壓裂技術(shù),這兩大核心技術(shù)對(duì)固井質(zhì)量的要求都很高,因此頁巖氣固井技術(shù)便成為了頁巖氣開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。

      而目前,我國國內(nèi)頁巖氣水平井固井技術(shù)處于研究與應(yīng)用的初級(jí)階段。XYHF-1井是川西首口頁巖氣水平井,在該井的固井過程中,存在水平段較長(zhǎng)、套管偏心、井壁界面油濕等難題。本文分析了這些固井難題,提出了相應(yīng)的技術(shù)措施,并成功完成了固井施工,為后續(xù)頁巖氣水平井的固井工藝設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支撐。

      1 XYHF-1井概況

      XYHF-1井是中國石化在川西地區(qū)部署的第一口頁巖氣勘探水平井,該井所在區(qū)塊地質(zhì)條件復(fù)雜,地層可鉆性差,地層漏失嚴(yán)重,且因含鹽膏層,導(dǎo)致井壁垮塌嚴(yán)重。該井自上而下分別鉆遇第四系、劍門關(guān)組、蓬萊鎮(zhèn)組、遂寧組、沙溪廟組、白田壩組、須家河組,完鉆層位為上三疊統(tǒng)須家河組五段中亞段中部,完鉆井深4077 m,采用套管完井,該井井身結(jié)構(gòu)如圖1所示。

      圖1 XYHF-1井井身結(jié)構(gòu)圖

      2 固井難點(diǎn)分析

      XYHF-1井為川西首口頁巖氣水平井,該井的固井施工存在不少難點(diǎn),具體表現(xiàn)為:

      (1)頁巖遇水易膨脹,井眼不規(guī)則

      由于本井是頁巖氣水平井,且水平位移長(zhǎng)達(dá)796.00 m,在鉆進(jìn)過程中鉆井液與頁巖儲(chǔ)層接觸時(shí)間較長(zhǎng),因頁巖遇水易膨脹,造成井眼極不規(guī)則,形成“糖葫蘆”井眼,可嚴(yán)重影響固井質(zhì)量。

      (2)油基鉆井液的使用影響固井質(zhì)量

      頁巖氣井井壁失穩(wěn),一直是鉆井工程的難題,因此本井在四開時(shí)采用了油基鉆井液。為了在施工中做到有效攜巖,將油基鉆井液密度、黏度分別調(diào)到2.10 g/cm3和72 s,流動(dòng)性很差,嚴(yán)重影響了固井時(shí)的頂替效率。而且油基鉆井液還會(huì)降低水泥石強(qiáng)度及第二界面膠結(jié)程度。

      (3)射孔、壓裂技術(shù)對(duì)水泥環(huán)質(zhì)量要求高

      目的層為低孔低滲儲(chǔ)層,需要采取壓裂增產(chǎn)措施,對(duì)固井膠結(jié)質(zhì)量、水泥石力學(xué)性能均提出了較高的要求。在滿足生產(chǎn)井段水泥漿膠結(jié)質(zhì)量良好的前提下,要求水泥石具有高強(qiáng)的彈性、韌性以及耐久性。85%的頁巖氣井都采用套管射孔完井,射孔過程中,瞬間產(chǎn)生的高溫、高速聚能射流在水泥環(huán)上容易產(chǎn)生裂紋,影響固井質(zhì)量。

      (4)封固井段長(zhǎng),套管下入難

      本井生產(chǎn)套管固井一次封固段長(zhǎng)達(dá)5000 m,上下溫差大,水泥漿設(shè)計(jì)困難;地層壓力高,既防漏又防竄,固井施工安全窗口很?。淮笮倍染魏退骄翁坠軐?duì)井壁側(cè)向力大,增加了下套管時(shí)的摩阻。

      3 主要技術(shù)對(duì)策

      針對(duì)XYHF-1井固井難點(diǎn),為滿足頁巖氣水平井對(duì)固井質(zhì)量的要求,主要從提高頂替效率、第二界面封固質(zhì)量、水泥環(huán)彈韌性及耐久性三方面制定了技術(shù)措施,其中關(guān)鍵的技術(shù)措施有:

      (1)滑套固井技術(shù)

      為滿足頁巖氣較大壓力改造施工,降低成本,首次運(yùn)用威德?;坠叹夹g(shù)。該技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)在于滑套隨套管一趟下入,無需射孔和額外封井器卡層,壓裂作業(yè)一趟連續(xù)完成,節(jié)省了固井時(shí)間。

      (2)三級(jí)沖洗工藝

      本井在四開時(shí)為防止頁巖坍塌采用了油基鉆井液鉆進(jìn),因井壁和套管壁上的油膜很難被沖洗干凈,嚴(yán)重影響了水泥石的膠結(jié)質(zhì)量。為此,采用了具有潤濕反轉(zhuǎn)作用的洗油沖洗液SCW,采用基油、高密度沖洗液、沖洗水泥漿三級(jí)沖洗工藝,保證了井眼的清洗效果,提高了固井頂替效率。

      (3)SFP彈韌性水泥漿體系

      頁巖氣多級(jí)壓裂對(duì)水泥環(huán)和巖層的破壞是相當(dāng)大的,對(duì)水泥石的彈性和韌性要求很高。為此,采用了SFP彈韌性水泥漿體系,提高了水泥石膠結(jié)能力和抗沖擊能力。另外鑒于封固井段較長(zhǎng),使用了兩凝水泥漿柱結(jié)構(gòu),提高裸眼段封固質(zhì)量,防止油、氣、水竄,兩凝分界點(diǎn)在井深3084 m左右。

      (4)有效通井

      下套管前制定合理的通井措施,采用不低于套管剛度的滿眼鉆具組合通井至井底,通井到底后充分循環(huán),同時(shí)調(diào)整好鉆井液的潤滑性及各項(xiàng)性能[4];在井斜角大(井深3200~4000 m)的遇卡井段(井深3200 m左右)反復(fù)劃眼通井,在造斜段(井深2600~3281 m)反復(fù)活動(dòng)鉆具清除巖屑床,保證套管順利下入。

      (5)合理安裝扶正器

      套管居中度不僅影響頂替效率,還會(huì)影響套管的順利下入,保證套管居中的直接辦法就是安裝扶正器。本井在固Φ139.7 mm油層套管時(shí),在斜井段安裝剛性旋流扶正器,水平段采用非鉸鏈雙弓扶正器,直井段采用剛性扶正器。另外,在固井滑套上下3 m各安裝1.5個(gè)剛性扶正器,帶兩個(gè)止動(dòng)環(huán),扶正器外徑為209.55 mm,具體使用情況如表1。

      表1 油層套管扶正器安放情況

      以上技術(shù)對(duì)策中扶正器的使用和有效的通井措施屬于常用的固井技術(shù)措施,滑套固井技術(shù)、三級(jí)沖洗工藝及SFP彈韌性水泥漿體系的應(yīng)用是針對(duì)頁巖氣開發(fā)的新技術(shù)。另外,為提高XYHF-1井的固井質(zhì)量,還采用了固井設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行輔助計(jì)算,保證井內(nèi)壓力平衡;優(yōu)選施工參數(shù),確保井內(nèi)施工安全;套管抬頭下套管技術(shù)等常用技術(shù)措施。

      4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況及效果分析

      基于對(duì)XYHF-1井固井難點(diǎn)的分析,結(jié)合有針對(duì)性的技術(shù)措施,對(duì)該井開始固井施工,Φ508.0 mm表層套管、Φ346.1 mm表層套管和Φ244.5 mm技術(shù)套管均采用常規(guī)固井法進(jìn)行固井,Φ139.7 mm油層套管采用威德福的滑套固井技術(shù),在管串結(jié)構(gòu)上增加了壓差滑套和投球滑套,四層套管固井水泥均返至地面。具體主要的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)過程如下:

      (1)一開Φ508.0 mm表層套管下至井深244.58 m,采用常規(guī)法固井。固井水泥漿平均密度1.89 g/cm3,水泥漿返出地面2 m3,水泥塞高度符合要求,共使用嘉華G級(jí)水泥80 t。全井筒清水試壓15 MPa,試壓合格,固井質(zhì)量合格,滿足二開鉆進(jìn)施工。

      (2)二開Φ339.7+346.1 mm技術(shù)套管下至井深1715.50 m時(shí)套管接頭破裂,導(dǎo)致套管落井,經(jīng)事故處理,下至井深1865.27 m開始固井。共使用嘉華G級(jí)水泥175 t,固井水泥返出地面。

      (3)三開Φ244.5 mm技術(shù)套管下至3279.00 m,座掛好套管后,開始常規(guī)法固井。使用了平均密度為2.17 g/cm3的膨脹水泥漿體系領(lǐng)漿,碰壓10 MPa,共使用嘉華G級(jí)水泥270 t,水泥返出地面。

      (4)四開Φ139.7mm油層套管下至井深4039.46 m,套管座掛完畢后接循環(huán)頭循環(huán),開始固井。先用清水試壓至35 MPa后注入柴油5 m3,然后依次注入平均密度為2.19 g/cm3的加重隔離液40 m3、密度為2.2 g/cm3沖洗水泥漿10 m3、平均密度為2.22 g/cm3的領(lǐng)漿67 m3、平均密度為2.21 g/cm3的尾漿35 m3、平均密度為2.19 g/cm3的加重隔離液1.8 m3。放膠塞并替清水9 m3,注入高黏保護(hù)液3 m3,最后注入2.15 g/cm3水基泥漿32.7 m3,碰壓15 MPa,使用四川夾江G級(jí)油井水泥196 t,水泥返出地面。本層套管固井過程中,在管串的連接上嚴(yán)格按照威德?;坠叹夹g(shù)的操作流程進(jìn)行。

      固井后均用替漿液對(duì)各開套管試壓30min,試壓全部合格。XYHF-1井所有套管施工作業(yè)連續(xù),附件下入數(shù)量均符合設(shè)計(jì)要求,回壓凡爾關(guān)閉良好,沒有串漏情況,水泥漿返出地面。各層套管固井質(zhì)量情況見表2。

      表2 XYHF-1井各層套管固井質(zhì)量

      本井采用低彈性模量和高韌性系數(shù)的SFP彈韌性水泥漿體系,其形成的水泥環(huán)具有較低的彈性模量、較高的泊松比和適中的抗壓強(qiáng)度,經(jīng)受住了后期的分段壓裂施工[5],沒有發(fā)生氣竄,是頁巖氣固井較好的水泥漿體系。SCW型沖洗液主要是利用化學(xué)沖洗作用來沖洗泥餅,改善泥餅的親水能力,該沖洗液的表面活性物質(zhì)會(huì)在泥餅表面吸附,產(chǎn)生溶脹作用,削弱泥餅表面的結(jié)構(gòu)力和內(nèi)聚力,同時(shí)也削弱了套管與油濾餅的作用力。沖洗液中含有活性固相顆粒并配合水力機(jī)械作用可增加物理沖刷作用,有效提高水泥漿的頂替效率和膠結(jié)面的強(qiáng)度,提高了本井的固井質(zhì)量。三開Φ244.5 mm技術(shù)套管和四開Φ139.7 mm油層套管最終所測(cè)的聲幅質(zhì)量較差,是因?yàn)榇笮倍染翁坠芫又卸容^差,頂替效率較低,同時(shí)水泥漿運(yùn)行段長(zhǎng),同泥漿的密度接近,造成混漿段較長(zhǎng),影響膠結(jié)質(zhì)量,因此在今后頁巖氣水平井固井過程中,須提高套管居中度和水泥漿同鉆井液的密度差。

      5 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

      通過對(duì)XYHF-1井固井難點(diǎn)的分析,結(jié)合有效的技術(shù)措施,成功完成了該井的固井施工,得出如下結(jié)論與認(rèn)識(shí):

      (1)頁巖氣開發(fā)的分段壓裂技術(shù)和水平井技術(shù)造成了XYHF-1井的固井難題。前者主要體現(xiàn)在對(duì)固井膠結(jié)質(zhì)量要求高,后者主要體現(xiàn)在套管下入困難、居中度低、頂替效率低等方面。

      (2)各種類型扶正器、SCW沖洗液和三級(jí)沖洗工

      藝的應(yīng)用是提高頁巖氣水平井固井頂替效率的有效措施,值得大力推廣。三開和四開固井質(zhì)量較差表明,還應(yīng)加大對(duì)扶正器安放位置和個(gè)數(shù)的研究力度。

      (3)彈韌性水泥漿體系不僅具有較好的防竄性能,還可以改變水泥石材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能,提高水泥石抗沖擊破壞的能力,非常適用于頁巖氣井固井;滑套固井技術(shù)無需射孔和額外封井器卡層,壓裂作業(yè)一趟連續(xù)完成,不僅節(jié)省固井時(shí)間,還為頁巖氣分段壓裂開發(fā)提供方便。

      1 劉偉,陶謙,丁士東.頁巖氣水平井固井技術(shù)難點(diǎn)分析與對(duì)策[J].石油鉆采工藝,2012,34(3):40-43.

      2 王金磊,黑國興,趙洪學(xué).昭通YSH1-1頁巖氣水平井鉆井完井技術(shù)[J].石油鉆探技術(shù),2012,40(4),23-27.

      3 姜政華,童勝寶,丁錦鶴.彭頁HF-1頁巖氣水平井鉆井關(guān)鍵技術(shù)[J].石油鉆探技術(shù),2012,40(4):28-31.

      4 郭元恒,何世明,劉忠飛,等.長(zhǎng)水平段水平井鉆井技術(shù)難點(diǎn)分析及對(duì)策[J].石油鉆采工藝,2013,35(1):14-18.

      5 譚春勤,劉偉,丁士東,等.SFP彈韌性水泥漿體系在頁巖氣井中的應(yīng)用[J].石油鉆探技術(shù),2011,39(3):53-56.

      (修改回稿日期 2013-06-21 編輯 景岷雪)

      全家正,男,1984年出生,西南石油大學(xué)石油與天然氣工程碩士,主要從事鉆井監(jiān)督工作。地址:(618000)四川省德陽市旌陽區(qū)云湖街6號(hào)中石化西南油氣分公司工程監(jiān)督中心鉆井監(jiān)督所。電話:13689667676。E-mail:109208885qq.com

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