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提升复杂油气井固井质量的技术分析

发表时间：2021/3/26 来源：《中国科技信息》2021年3月作者：张红梅

[导读] 复杂油气井井矿复杂，增加了水泥环密封难度。本文分析了复杂油气井水泥环密封面临的挑战，探讨了提高复杂油气井固井质量需要采取的措施。

中原石油工程有限公司固井公司张红梅

摘要：复杂油气井井矿复杂，增加了水泥环密封难度。本文分析了复杂油气井水泥环密封面临的挑战，探讨了提高复杂油气井固井质量需要采取的措施。
关键词：复杂油气井；固井质量；水泥环；密封性
        一、引言
        油气井固井的主要目的是保护牛产管柱和封堵相邻的油、气、水层，固井水泥凝固后在纵向上形成一个水力封隔系统，该系统必须在整个油气井寿命期间及报废之后都能实现有效的层间封隔。如果水泥环密封失效，会引起环空带压或油气水窜，严重时会使油气井报废，造成严重的经济损失；如果采用修井作业进行补救，则作业成本高、危险大、成功率低。深化水泥环密封完整性机理、材料及施工工艺的研究，以确保油气井长期安全生产。
        二、水泥环密封性面临的挑战
        随着石油天然气勘探开发的不断深入，逐渐转向深层、复杂气藏、海洋、海外及非常规油气资源等，钻井固井遇到的复杂情况越来越多，要求也越来越高。固井后水泥环的密封性面临许多新的挑战。
        1.复杂深井、超深井
        一是高温高压井遇到的挑战。国内几大油气区，如塔里木盆地、准噶尔盆地、川渝地区、松辽深层，以及中亚的乌兹别克斯坦、土库曼斯坦等地的油气田，均存在着高温高压问题，这些地区井深一般为4500～7000m，井温一般为150～240℃，压力在100～150MPa以上。松辽盆地深层地温梯度高达4℃/lOOm，4500m井深井底温度超过180%；乌兹别克斯坦的费尔甘纳盆地地层压力达到140MPa以上。复杂深井对水泥浆体系、隔离液及现场施工措施要求极高，保证水泥环的长期有效密封非常困难。
二是复合盐层及高压盐水层、井漏和窄密度窗口漏喷井遇到的挑战。塔里木油田、乌兹别克斯坦、土库曼斯坦等存在巨厚盐膏层，目前抗盐高密度水泥浆体系及抗盐高密度隔离液还不能很好地满足固井要求，固井质量难以保证。塔里木盆地迪那及克拉苏地区、四川盆地九龙山区块等存在压力敏感性地层以及四川盆地中上部地层、塔中碳酸盐岩地层等存在低压漏失性地层，固井前提高地层承压能力难度很大，低压漏失堵漏难度大，低密度超低密度水泥浆综合性能还不能很好地满足环空封固的要求。
        2.复杂天然气井
        气窜是一个世界性难题，国内尽管做了许多工作，但是目前深层气井固井质量普遍较差，固井后环空带压或井口窜气问题突出，给以后生产带来了巨大的安全隐患。如川渝地区、塔里木油田、松辽深层天然气、土库曼斯坦等。
        3.酸性气藏气井
        松辽盆地深层高含CO2，川渝地区、土库曼斯坦天然气井高含H2S。西南油气田80％以上的气田含H2S量大于20mg/m3，罗家寨气田H2S含量最高达20％以上。H2S和CO2气体对水泥石、套管及井下工具具有腐蚀作用，目前在高含H2S、深层高含CO2，防腐抗温固井方面还不完善，不同地层流体介质情况下对水泥石强度、寿命的影响以及水泥环的长期密封性还缺乏深入研究。
        4.页岩气水平井
        我国主要盆地和地区的页岩气资源量为(15-30)×1012m3，具有良好的发展前景。页岩气采用水平井钻井技术实现储层接触最大化，增加可动用储量，提高单井产量，尤其是水平井多段压裂技术的突破，推动水平井技术再上新台阶。水平井生产套管固井质量直接影响分级压裂与井筒完整性。

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目前页岩气水平井固井质量还不理想，部分井在压裂后出现了一定的问题(环空带压或窜气)，可能与水泥环密封性能、水泥石力学性能是否与地层相匹配有一定关系，还需要深入研究。
        5.致密油气藏水平井
        国内致密砂岩气资源量约为12×1012m3，预计到2030年，非常规天然气的产量将占到天然气总产量的50%以上，致密砂岩气将为之做出巨大贡献。国外致密油气主要采用“水平井+多段压裂”的开发方式来大幅提高单井产量，推动非常规油气藏的有效开发。国内目前水平段固井质量优良率低，体积压裂施工风险高，存在压窜的可能，需要深入开展提高致密油气井水平段固井质量及密封性的研究，为水平井开发提供技术保障。
        三、保证水泥环密封需要采取的措施
        通过对国内外不同地区及不同井密封失效原因的综合分析，认为原因主要有以下3个方面：一是固井时顶替效率低；二是水泥浆体系选择或配方设计不合理；三是固井后由于地层应力、温度和压力变化以及一些随时间推移引起的其他原因导致水泥环封隔失效。欲保证水泥环的长期密封，为油气井的安全生产奠定基础，拟采取以下措施。
        1.提高顶替效率
        首先要保证井眼条件好，钻井液性能优异，下套管前认真通井、洗井，充分调整钻井液性能；下套管时保证套管有较高的居中度；筛选综合性能好的隔离液体系；固井时设计合适的固井施工排量，强化现场配套技术措施。
        2.切实做到“三压稳”，采用平衡压力固井
        油气井固井施工中必须保证“三压稳”，即固井前、固井过程中和候凝过程中水泥浆失重时的压稳。一般水泥浆凝固失重条件下的压稳容易被忽略，这也是影响油气井固井质量及环空密封性差的一个主要原因。
        3.设计满足封固要求的水泥浆体系
        根据封固地层的特性及井下条件，设计出满足封固质量要求的水泥浆体系。水泥浆性能要求防窜性好，能适应注替过程、凝固过程及长期封隔等方面的需要。水泥浆应具有较低的失水量(小于50mL)、较低的基质渗透性、短的过渡时间和快的强度发展，同时浆体稳定性好，水泥石长期体积不收缩。
        4.水泥石力学性能应能承受井下温度、压力、应力的变化
        凝固后的水泥石应具有与地层相适应的弹塑性，其可压缩性低且不收缩，此外，水泥石结构致密且渗透率低。因此，可能防止由于井内压力增加或温度增加引起水泥环的损坏。需根据每1：3井的具体情况，对水泥环在该井生产寿命期间(建井、完井、增产和生产作业过程)承受的外载进行分析、设计与评价，然后对套管、水泥、地层进行有限元分析，确定出水泥石的力学性能(如杨氏模量、泊松比等)，水泥石力学性能能承受生产期间应力的变化。
        为进一步保证水泥环的长期密封性，要深入研究水泥环密封失效力学机理及水泥环水力胶结失效的临界条件，为水泥石力学性能设计提供依据；要开展新材料、新技术、新工艺的研究，使水泥环能适应后期工况变化，保证长期有效密封，为油气井的长期安全奠定基础。
参考文献
[1]周仕明，丁士东，马开华冲国石化固井技术进展[A]．见：2012年固井技术研讨会论文集[c]．北京：石油工业出版社．2012．
[2]安少辉，刘爱萍，邹建龙，等．川渝地区复杂深井固井技术[A]．见：2010年固井技术研讨会论文集[c]．北京：石油工业出版社，2010．