顧 軍 何吉標(biāo) 譙世均 蒲繼才 周 福 張文平
1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)資源學(xué)院 2.中國石油青海油田公司鉆采工藝研究院3.中國石油青海油田公司監(jiān)督監(jiān)理公司 4.中國石油西部鉆探工程公司青海鉆井公司
天然氣井防氣竄固井技術(shù)相關(guān)報道已有很多[1-6],但固井二界面(水泥環(huán)與巖石或外層套管之間膠結(jié)面的簡稱)竄流問題仍是一個亟待解決的復(fù)雜性工程難題[7-10],難點是固井二界面不能實現(xiàn)整體固化膠結(jié)[11]。鑒于此,提出了泥餅仿地成凝餅(mud cake to agglomerated cake,以下簡稱MTA)方法解決固井二界面問題的科學(xué)構(gòu)想[12],獲得了MTA方法固井二界面整體固化膠結(jié)證據(jù)[13],揭示了MTA與凝灰?guī)r成巖的關(guān)聯(lián)性[14],研究了MTA的固化反應(yīng)動力學(xué)和協(xié)調(diào)作用機理[15-16],形成了 MTA方法防氣竄固井新技術(shù),并在勝利油田、大慶油田、河南油田、玉門油田等52口油井固井中取得了顯著的應(yīng)用效果,固井質(zhì)量合格率達到100%,固井質(zhì)量優(yōu)質(zhì)率(尤其是固井二界面的膠結(jié)質(zhì)量)顯著提高[17-19]。那么,該新技術(shù)適用于氣井嗎?本文以澀北氣田相關(guān)樣品為基礎(chǔ),實驗評價了GM-Ⅱ型泥餅改性劑和GA-Ⅲ型凝餅形成劑與鉆井液和水泥漿的配伍性,評價對比了MTA方法與目前方法的固井二界面膠結(jié)強度,并介紹了MTA方法防氣竄固井技術(shù)在澀北氣田中的應(yīng)用情況。
實驗用鉆完井液和XY-27型降黏劑均取自澀北氣田,其鉆井液性能:密度為1.38g/cm3,黏度為36 s,API濾失量為8mL,泥餅厚度為0.3mm,pH值為9,含砂量為0.3%,初切力為1Pa,終切力為2Pa,塑性黏度為14mPa·s,動切力為12Pa;GM-Ⅱ型泥餅改性劑和GA-Ⅲ型凝餅形成劑均為中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)研制;水泥漿配方為G級油井水泥(葛洲壩水泥廠生產(chǎn))+1.8%M-83S+0.5%SXY+2%F-27A+3%F-17A+0.4%M-61L+0.1%TW-200X(40Bc時稠化時間為78min,70Bc時稠化時間為86min),其中添加劑均取自澀北氣田;仿地井筒的滲透率和孔隙度(模擬澀北氣田的主要封固段)分別為450mD和25%,內(nèi)筒直徑為33mm,外筒直徑為100mm,高度為55mm。
鉆井液流變性實驗方法按 GB/T 16783.1—2006進行,樣品養(yǎng)護溫度為50℃,養(yǎng)護壓力為常壓,養(yǎng)護方式為用GRL-BX型便攜式滾子加熱爐滾動加熱,養(yǎng)護時間為0、1d、2d、3d、4d、6d,GM-Ⅱ型泥餅改性劑的加量分別為0.8%、1.0%和1.2%(質(zhì)量百分比,下同),XY-27型降黏劑的加量分別為0.3%、0.5%和0.7%。
油井水泥漿稠化實驗方法按API RP 10B(油井水泥試驗推薦方案)進行,實驗溫度為50℃,實驗壓力為常壓,GA-Ⅲ型凝餅形成劑與油井水泥漿的比例分別為1∶1和1∶9。
固井二界面膠結(jié)強度評價方法參見本文參考文獻[10],樣品養(yǎng)護溫度為60℃,養(yǎng)護壓力為常壓,養(yǎng)護方式為浴養(yǎng),養(yǎng)護時間分別為42h、360h、720h,泥餅厚度為0.5mm,GM-Ⅱ型泥餅改性劑的加量分別為0.8%、1.0%和1.2%,GA-Ⅲ型凝餅形成劑對泥餅的作用時間均為1.5min。
1.3.1 GM-Ⅱ型泥餅改性劑對鉆井液流變性的影響
1)GM-Ⅱ型泥餅改性劑對鉆井液初切力值的影響:測試結(jié)果(圖1)顯示隨著熱滾時間的延長,原漿的初切力值逐漸增大,且2d后增長明顯,6d后初切力值達到了8Pa。加入0.8%~1.2%GM-Ⅱ型泥餅改性劑和0.3%~0.7%XY-27型降黏劑,隨熱滾時間的延長,鉆井液初切力值均變化較小,且較為穩(wěn)定,可以滿足現(xiàn)場鉆井施工要求。
圖1 GM-Ⅱ型泥餅改性劑對鉆井液初切力值的影響圖
圖2 GM-Ⅱ型泥餅改性劑對鉆井液終切力值的影響圖
2)GM-Ⅱ型泥餅改性劑對鉆井液終切力值的影響:測試結(jié)果(圖2)顯示隨著熱滾時間的延長,原漿的終切力值先降低后增大,且熱滾2d后增長明顯,熱滾6d后終切力值達到了17.5Pa。加入0.8%~1.2%GM-Ⅱ型泥餅改性劑和0.3%~0.7%XY-27型降黏劑,隨熱滾時間的延長,鉆井液終切力值略有增大,但4d后終切力值的變化趨于平穩(wěn),可以滿足現(xiàn)場鉆井施工要求。
3)GM-Ⅱ型泥餅改性劑對鉆井液表觀黏度的影響:測試結(jié)果(圖3)顯示隨著熱滾時間的延長,原漿的表觀黏度基本上呈下降的趨勢,但變化幅度較小。加入0.8%~1.2%GM-Ⅱ型泥餅改性劑和0.3%~0.7%XY-27型降黏劑,隨熱滾時間的延長,原漿+1.0%泥餅改性劑+0.7%XY-27配方鉆井液表觀黏度變化波動較大,熱滾1d急劇下降,熱滾2d又急劇增大,但熱滾3d后,表觀黏度基本保持不變,其他配方鉆井液的表觀黏度變化趨勢和原漿相似,可以滿足現(xiàn)場鉆井施工要求。
圖3 GM-Ⅱ型泥餅改性劑對鉆井液表觀黏度的影響圖
圖4 GM-Ⅱ型泥餅改性劑對鉆井液塑性黏度的影響圖
4)GM-Ⅱ型泥餅改性劑對鉆井液塑性黏度的影響。測試結(jié)果(圖4)顯示隨著熱滾時間的延長,原漿的塑性黏度基本上呈先增大后減小的趨勢,但變化幅度較小。加入0.8%~1.2%GM-Ⅱ型泥餅改性劑和0.3%~0.7%XY-27型降黏劑,隨著熱滾時間的延長,雖有小幅的波動變化但在熱滾4d后,塑性黏度均趨于穩(wěn)定,且熱滾6d后,與原漿的塑性黏度基本相同,可以滿足現(xiàn)場鉆井施工要求。
5)GM-Ⅱ型泥餅改性劑對鉆井液動切力的影響。測試結(jié)果(圖5)顯示隨著熱滾時間的延長,原漿的動切力先降低后逐漸升高。加入0.8%~1.2%GM-Ⅱ型泥餅改性劑和0.3%~0.7%XY-27型降黏劑,隨著熱滾時間的延長,原漿+1.0%泥餅改性劑+0.7%XY-27配方鉆井液動切力變化波動較大,其他配方則變化較為平緩,熱滾4d后,動切力均趨于穩(wěn)定,可以滿足現(xiàn)場鉆井施工要求。
圖5 GM-Ⅱ型泥餅改性劑對鉆井液動切力的影響圖
根據(jù)上述實驗結(jié)果,澀北氣田GM-Ⅱ型泥餅改性劑加量宜為鉆井液重量的0.8%~1.0%(同時添加0.3%左右的XY-27降黏劑),能夠滿足鉆井施工要求。
1.3.2 GA-Ⅲ型凝餅形成劑對水泥漿稠化時間的影響針對澀北氣田固井實際情況,GA-Ⅲ型凝餅形成劑與油井水泥漿的比例分別為1∶1和1∶9的稠化實驗結(jié)果如圖6、7所示。
圖6 GA-Ⅲ型凝餅形成劑與油井水泥漿的比例為1∶1的稠化實驗圖
圖7 GA-Ⅲ型凝餅形成劑與油井水泥漿的比例為1∶9的稠化實驗圖
從圖6、7可以看出,GA-Ⅲ型凝餅形成劑與油井水泥漿接觸后的稠化時間較原水泥漿的稠化時間有所延長,且實驗中也沒有出現(xiàn)“閃凝”現(xiàn)象,不影響固井施工安全。
1.3.3 固井二界面膠結(jié)強度測試
固井二界面膠結(jié)強度的測試結(jié)果如表1所示。MTA方法固井二界面膠結(jié)強度較目前方法的提高倍數(shù)如圖8所示。
由表1和圖8可知,隨著養(yǎng)護時間的增長,GM-Ⅱ型泥餅改性劑加量為0.8%時固井二界面膠結(jié)強度較目前方法的提高倍數(shù)分別為7.10、18.27、10.52,GM-Ⅱ型泥餅改性劑加量為1.0%時固井二界面膠結(jié)強度較目前方法的提高倍數(shù)分別為6.53、20.58、19.50,GM-Ⅱ型泥餅改性劑加量為1.2%時固井二界面膠結(jié)強度較目前方法的提高倍數(shù)分別為9.43、21.70、23.21。因此,澀北氣田現(xiàn)場試驗的GM-Ⅱ型泥餅改性劑加量為1.0%~1.2%。
表1 固井二界面膠結(jié)強度的測試結(jié)果表
圖8 MTA方法固井二界面膠結(jié)強度較目前方法的提高倍數(shù)圖
不改變現(xiàn)在應(yīng)用的固井工藝及水泥漿體系、鉆井液體系,只需在鉆進中和固井施工時做好以下2項基礎(chǔ)工作:① 打開封固段前在鉆井液中緩慢加入鉆井液重量1.0%~1.2%的GM-Ⅱ型泥餅改性劑,同時緩慢加入鉆井液量0.3%左右的XY-27型降黏劑,按該濃度維護鉆井液鉆至完井井深。② 固井施工時以GA-Ⅲ型凝餅形成劑為基礎(chǔ)配制3m3前置液(確保與井壁泥餅的接觸時間達到1.5~2min即可),即在水柜中先倒入GA-Ⅲ型凝餅形成劑A、B各6桶(1桶質(zhì)量為50kg),然后放入水至3m3攪拌均勻后即可使用。
澀北氣田6口井的現(xiàn)場試驗結(jié)果如表2所示。6口井鉆進施工均正常,短起下順利,固井施工一次成功率達100%,固井質(zhì)量一次合格率達100%,固井一界面膠結(jié)質(zhì)量優(yōu)質(zhì)率為95.16%~100%,固井二界面膠結(jié)質(zhì)量優(yōu)質(zhì)率為80.01%~98.11%。
表2 澀北氣田現(xiàn)場試驗井的固井優(yōu)質(zhì)率表
2.3.1 澀3-32井試驗井基本情況
澀3-32井是柴達木盆地澀北一號氣田的1口開發(fā)井,也是本次試驗的第1口井。試驗井段鉆開目的層段的215.9mm井段,即693~1 400m。該井鉆進至1 400m處正常完鉆,下139.7mm套管循環(huán)正常后進行固井。固井采用上部注低密度水泥漿下部常規(guī)水泥漿的水泥漿體系。
2.3.2 GM-Ⅱ型泥餅改性劑添加情況
2013年4月9日21:00,井深693m,鉆井液性能為密度1.38g/cm3,黏度38s(漏斗黏度,下同),濾失量8mL,泥餅厚度0.5mm。
2013年4月9日21:03,加入GM-Ⅱ型泥餅改性劑150kg和XY-27 100kg。22∶00鉆井液性能為密度1.38g/cm3,黏度36s。
2013年4月9日22:03,加入GM-Ⅱ型泥餅改性劑750kg和 XY-27 125kg。22:40鉆井液性能為密度1.38g/cm3,黏度35s。
2013年4月9日22:50,加入GM-Ⅱ型泥餅改性劑350kg和XY-27 50kg。2013年4月10日0:30鉆井液性能為密度1.38g/cm3,黏度36s。
2013年4月10日10:30,井深856m,鉆井液性能為密度1.37g/cm3,黏度37s,濾失量6mL,泥餅厚度0.3mm,初切力1Pa,終切力2Pa。
至此,累計已加入GM-Ⅱ型泥餅改性劑1 250kg(約占鉆井液重量的1.0%)和 XY-27 225kg(約占鉆井液重量的0.15%~0.2%)。鉆進施工正常,短起下正常,即GM-Ⅱ型泥餅改性劑對鉆井液性能無明顯影響,且泥餅質(zhì)量有所改善(即泥餅厚度從0.5mm降到0.3mm,濾失量從8mL降到6mL),滿足鉆井施工要求。
2013年4月10日15:30,井深932m,鉆井液性能為密度1.37g/cm3,黏度39s。加入GM-Ⅱ型泥餅改性劑250kg。16:10鉆井液性能為密度1.37g/cm3,黏度39s。
2013年4月11日16:30,井深1 201.61m,鉆井液性能為密度1.33g/cm3,黏度38s,濾失量5mL,泥餅厚度0.2mm,初切力1Pa,終切力2Pa。
2013年4月12日6:30,井深1 259m,鉆井液性能為密度1.32g/cm3,黏度40s,濾失量5mL,泥餅厚度0.2mm,初切力1Pa,終切力3Pa。
2013年4月12日10:00,井深1 297m,鉆井液性能為密度1.32g/cm3,黏度40s。加入GM-Ⅱ型泥餅改性劑300kg。10:40鉆井液性能為密度1.32g/cm3,黏度40s。
至此,該井累計已加入GM-Ⅱ型泥餅改性劑1.8 t(約占鉆井液重量的1.0%)和XY-27 225kg(約占鉆井液重量的0.15%)。鉆進施工正常,短起下正常,即GM-Ⅱ型泥餅改性劑與鉆井液配伍性好,對鉆井液性能無明顯影響,且泥餅質(zhì)量有所改善(即泥餅厚度從0.5mm降到0.3mm,再降到0.2mm,濾失量從8mL降到6mL,再降到5mL),滿足鉆井施工要求。
實踐表明,鉆井、測井施工正常順利。
2.3.3 固井施工情況
2013年4月17日,固井施工時在水柜中先倒入GA-Ⅲ型凝餅形成劑黑蓋和白蓋各6桶,然后加入水至3m3,循環(huán)均勻使用。鉆井液性能為密度1.33g/cm3,黏度37s,濾失量6mL,泥餅厚度0.3mm,初切力1Pa,終切力3Pa,pH 值為9,含砂0.3%。
2013年4月17日澀3-32井固井施工過程:管線試壓20MPa,注GA-Ⅲ型凝餅形成劑3m3,注API G級低密高強水泥25t(注入壓力1MPa,水泥漿平均密度1.63g/cm3),注API G級常規(guī)水泥35t(水泥漿平均密度1.88g/cm3),倒閘門,替清水17.6m3(替壓1MPa上升至9MPa,再降至5MPa,碰壓22 MPa,穩(wěn)壓3min未降)。
實踐表明,固井施工正常順利,水泥漿返出地面。
2.3.4 固井質(zhì)量情況
該井氣層分布段較長,即試驗井段693m內(nèi)分布有69個氣層或差氣層。聲幅—變密度測井(CBLVDL)解釋結(jié)果表明(表3),澀3-32井從693m 到1 386m的封固段長為693m:固井一界面優(yōu)質(zhì)井段總長為675m(膠結(jié)質(zhì)量中等18m),固井一界面封固優(yōu)質(zhì)率為97.40%;固井二界面優(yōu)質(zhì)井段總長為675m(膠結(jié)質(zhì)量中等18m),固井二界面封固優(yōu)質(zhì)率為97.40%。主要氣層段(埋深1 158~1 386m,分布有29個氣層或差氣層)的聲幅—變密度測井(CBL-VDL)解釋如圖9。
1)GM-Ⅱ型泥餅改性劑與鉆井液配伍性好,對鉆井液性能無明顯影響,且泥餅質(zhì)量有所改善(即泥餅厚度從0.5mm降到0.2mm,濾失量從8mL降到5 mL),滿足鉆井施工要求;GA-Ⅲ型凝餅形成劑與水泥漿配伍性好,固井施工均一次成功。
表3 澀3-32井試驗井段固井質(zhì)量情況表
圖9 澀3-32井主要氣層段CBL-VDL圖
2)隨著養(yǎng)護時間的增長,固井二界面膠結(jié)強度均較目前方法大幅度提高:GM-Ⅱ型泥餅改性劑加量為0.8%時,固井二界面膠結(jié)強度較目前方法的提高倍數(shù)分別為7.10、18.27、10.52,GM-Ⅱ型泥餅改性劑加量為1.0%時,固井二界面膠結(jié)強度較目前方法的提高倍數(shù)分別為6.53、20.58、19.50,GM-Ⅱ型泥餅改性劑加量為1.2%時,固井二界面膠結(jié)強度較目前方法的提高倍數(shù)分別為9.43、21.70、23.21。
3)現(xiàn)場試驗結(jié)果表明,MTA方法現(xiàn)場施工工藝簡單,安全可靠,固井一、二界面膠結(jié)質(zhì)量優(yōu)質(zhì)率均超過了80%,為提高淺層天然氣井固井質(zhì)量開辟了一條新途徑。
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