金壇鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)已有采鹵井無(wú)井底固井技術(shù)

1、金壇鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)已有采鹵井無(wú)井底固井技術(shù)齊奉忠 申瑞臣 田中蘭 路立君（中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院廊坊分院完井所，河北廊坊 065007）摘 要 江蘇金壇鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)6口已有采鹵井改造為儲(chǔ)氣井是西氣東輸?shù)呐涮坠こ?，針?duì)該地區(qū)的地質(zhì)特點(diǎn)、固井難點(diǎn)及西氣東輸對(duì)固井質(zhì)量的要求，篩選出了具有良好抗鹽性能的水泥漿體系，制定了建立人工井底的技術(shù)方案，形成了一整套指導(dǎo)該地區(qū)已有采鹵井固井的配套措施。20042006年綜合應(yīng)用上述技術(shù)后，現(xiàn)場(chǎng)共施工6口井，經(jīng)CBL/VDL測(cè)井及腔體密封性試壓等四個(gè)環(huán)節(jié)的檢測(cè)，均表明固井質(zhì)量合格，能滿足以后儲(chǔ)氣的需要，對(duì)以后改造此種類型的井具有很好的借鑒意義。主題詞 鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù) 鹽水水

2、泥漿 固井 頂替 固井質(zhì)量 降失水劑 江蘇金壇鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)6口已有采鹵井改造為儲(chǔ)氣井是西氣東輸?shù)呐涮坠こ蹋脑斓哪康氖菫榱吮ＷC長(zhǎng)江三角洲地區(qū)的應(yīng)急供氣。在鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)的各項(xiàng)工程作業(yè)中，固井質(zhì)量與儲(chǔ)氣庫(kù)的壽命及長(zhǎng)期安全運(yùn)行緊密相關(guān)。特別是金壇地區(qū)，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，人口稠密，水網(wǎng)密布，一旦發(fā)生天然氣泄露，后果不堪設(shè)想，可以說(shuō)固井質(zhì)量是鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)的“百年大計(jì)”，是鉆完井工程各項(xiàng)作業(yè)中最為重要的作業(yè)之一。已有采鹵井改造首先要將井內(nèi)原有的139.7mm套管套銑出來(lái)，采用擴(kuò)眼鉆頭進(jìn)行擴(kuò)眼，然后建立人工井底，最后下入244.5mm套管進(jìn)行固井。已有采鹵井固井在國(guó)內(nèi)外沒(méi)有先例，人工井底建立困難，稍有不慎有可能造成整口井

3、報(bào)廢，并且擴(kuò)眼后井徑不規(guī)則，上部地層低壓易漏，施工難度大，固井質(zhì)量要求高，給固井工作提出了極大挑戰(zhàn)。針對(duì)該地區(qū)的固井難點(diǎn)，通過(guò)室內(nèi)研究與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，解決了已有采鹵井人工井底建立的技術(shù)難題，篩選出了具有良好抗鹽性能的水泥漿體系，形成了一整套指導(dǎo)該地區(qū)已有采鹵井固井的配套措施。20042006年綜合應(yīng)用上述技術(shù)后，現(xiàn)場(chǎng)共施工6口井，經(jīng)CBL/VDL固井質(zhì)量檢測(cè)、套管內(nèi)試壓、套管鞋處試壓、腔體密封性試壓四個(gè)環(huán)節(jié)檢測(cè)，均表明固井質(zhì)量合格，能滿足以后儲(chǔ)氣的需要，對(duì)以后改造此種類型的井具有很好的借鑒意義。一、金壇地區(qū)已有采鹵井固井的特點(diǎn)及難點(diǎn)（1）已有采鹵井下部為1518萬(wàn)立方米的鹽腔，244.5mm套管固

4、井前需要建立人工井底，固井施工時(shí)危險(xiǎn)因素多，保證安全施工的難度大；（2）已有采鹵井固井前先要將139.7mm套管套銑出來(lái)，然后采用311.15mm擴(kuò)眼鉆頭擴(kuò)眼，擴(kuò)眼后井徑不規(guī)則（西1井平均井徑擴(kuò)大率60%，400800m井段平均120%），由于上部地層低壓易漏，完鉆后鉆井液密度高，固井時(shí)不允許采用大排量頂替，提高頂替效率困難；（3）為保證鹽腔頂部515m鹽層段的固井質(zhì)量，需要采用鹽水水泥漿固井，國(guó)內(nèi)缺乏針對(duì)淺層鹽層固井的水泥外加劑，在如此淺的井中采用鹽水水泥漿固井在我國(guó)尚屬首次；（4）和油氣井不同，隨著生產(chǎn)的運(yùn)行，油氣井井下壓力逐漸降低，而儲(chǔ)氣庫(kù)井儲(chǔ)氣后壓力周期性變化（已有采鹵井運(yùn)行壓力最高1

5、4.5MPa，最低4.5MPa），水泥石要承受交變應(yīng)力的影響，對(duì)水泥環(huán)的膠結(jié)質(zhì)量及長(zhǎng)期密封性能要求高；（5）和一般油氣井相比，儲(chǔ)氣庫(kù)井運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，一般油氣井運(yùn)行時(shí)間一般為10年左右，而儲(chǔ)氣庫(kù)井要求安全運(yùn)行30年，西氣東輸提出儲(chǔ)氣庫(kù)井要安全運(yùn)行50年，因此對(duì)固井質(zhì)量及長(zhǎng)期密封性能提出了更高的要求。二、已有采鹵井固井技術(shù)對(duì)策分析從上述分析可以看出，鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)已有采鹵井固井與常規(guī)油氣井固井有很大區(qū)別，難度大，要求高，特別是人工井底建立技術(shù)及水泥環(huán)的長(zhǎng)期膠結(jié)性能，因此對(duì)固井施工的各個(gè)環(huán)節(jié)提出了更高的要求。要保證已有采鹵井的固井質(zhì)量，保證固井施工的安全，需要采取以下技術(shù)措施：（1）建立質(zhì)量可靠的人工井底

6、，保證固井前及固井過(guò)程中鉆井液及水泥漿不會(huì)漏入鹽腔中，保證套銑、擴(kuò)眼及固井施工的安全；（2）篩選適合淺鹽層固井的抗鹽水泥漿體系，保證鹽層段及上部井段的膠結(jié)質(zhì)量，固井過(guò)程中水泥漿對(duì)鹽層的沖蝕??；（3）大尺寸不規(guī)則井眼長(zhǎng)封固段條件下提高頂替效率的技術(shù)措施；（4）固井過(guò)程中上部地層綜合防漏技術(shù)，保證水泥漿順利返至井口。三、已有采鹵井人工井底建立技術(shù)1固井前井眼準(zhǔn)備（1）分13次切割腔內(nèi)139.7mm套管，使之落入腔體，最后一次切割后，腔內(nèi)剩余套管長(zhǎng)度10m左右；（2）下丟手橋塞，下入位置在腔體頂部以下5m左右；（3）采用220mm銑管將井下139.7mm套管套銑出來(lái)；（4）采用311.1mm領(lǐng)眼式鉆

7、頭擴(kuò)眼。2打水泥塞，建立人工井底（1）采用早強(qiáng)微膨脹飽和鹽水水泥漿打水泥塞，建立人工井底，水泥漿量控制在環(huán)空高度約3040m，候凝24h；（2）下入311.15mm鉆頭鉆水泥塞，最后保留35m；（3）對(duì)水泥塞進(jìn)行承壓檢驗(yàn)，確保水泥塞質(zhì)量可靠。四、鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)已有采鹵井抗鹽水泥漿體系研究圖1 已有采鹵井固井后示意圖1鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)已有采鹵井固井水泥漿選用原則（1）能配成設(shè)計(jì)密度的水泥漿，具有良好的流動(dòng)度，適宜的初始稠度，漿體穩(wěn)定性好，現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)水泥漿起泡性??；（2）選擇的外加劑要求配伍性好，稠化時(shí)間易調(diào)，敏感性低，對(duì)水泥漿的綜合性能特別是長(zhǎng)期膠結(jié)性能影響小；（3）水泥漿體系具有良好的抗鹽性能，同時(shí)鹽水

8、水泥漿的整體性能好，固井過(guò)程中水泥漿對(duì)鹽層的沖蝕小；（4）水泥石具有長(zhǎng)期的強(qiáng)度穩(wěn)定性，水泥環(huán)與第一界面及第二界面具有良好的膠結(jié)性能，能承受長(zhǎng)期交變應(yīng)力的影響，在長(zhǎng)期交變應(yīng)力條件下，能保證環(huán)空不發(fā)生氣體泄露；（5）水泥漿綜合成本低，現(xiàn)場(chǎng)操作性強(qiáng)。2水泥漿中含鹽量確定及含鹽水泥漿的沖蝕特性研究（1）水泥漿中含鹽量的確定鹽對(duì)水泥漿的影響十分復(fù)雜，在不同的鹽濃度、不同溫度環(huán)境下，會(huì)使水泥漿產(chǎn)生分散、密度升高、閃凝、促凝、緩凝或稠而不凝等不同效應(yīng)。圖2 52時(shí)鹽對(duì)水泥漿稠化時(shí)間的影響 圖360時(shí)鹽摻量對(duì)水泥石抗壓強(qiáng)度的影響從圖2、圖3可以看出，在鹽含量小于10%時(shí)會(huì)縮短水泥漿的稠化時(shí)間，增加水泥石的抗壓

9、強(qiáng)度；而鹽含量大于20%后，會(huì)大大延緩水泥漿的稠化時(shí)間，降低水泥石的抗壓強(qiáng)度；當(dāng)鹽摻量為34%時(shí)，水泥石早期抗壓強(qiáng)度損失達(dá)39.4%。一般水泥漿的水灰比為0.44，而水泥水化的需水量為0.28，不參與水化的游離水為0.16，只要水泥漿的鹽摻量大于13.5%就可以保證游離水的鹽含量達(dá)到飽和。鹽在溶液中的體積小于鹽結(jié)晶時(shí)的體積，鹽水水泥漿凝固后水泥石滲透率低，并具有微膨脹作用，能較好地保證第一界面及第二界面的密封。綜合考慮飽和鹽水水泥漿、含鹽水泥漿及淡水水泥漿的優(yōu)缺點(diǎn)，經(jīng)過(guò)大量室內(nèi)試驗(yàn)，確定水泥漿的含鹽量為15%18%（含鹽量高，水泥漿配方難調(diào)，稠化時(shí)間長(zhǎng)，過(guò)渡時(shí)間長(zhǎng)，早期強(qiáng)度損失大，現(xiàn)場(chǎng)施工難度

10、大）。（2）含鹽水泥漿的沖蝕特性國(guó)外就水泥漿的含鹽量對(duì)鹽巖溶解速率關(guān)系做了大量的室內(nèi)試驗(yàn)，并繪出了不同含鹽量水泥漿的溶解速率隨平均流速的變化曲線。我們也在室內(nèi)試驗(yàn)了不同含鹽量的水泥漿的沖蝕特性，結(jié)論和國(guó)外的研究結(jié)果基本相同。如圖4、圖5所示。圖4 不同鹽含量水泥漿的溶解速率隨流速的變化 圖5 鹽溶解速率與水泥漿含鹽量的關(guān)系從上圖中可以看出，飽和鹽水水泥漿與20%的鹽水水泥漿在環(huán)空返速小于1m/s時(shí)對(duì)鹽層的沖蝕很小。以西2井為例，下部鹽層段井徑擴(kuò)大率按5%計(jì)算，注水泥過(guò)程中鹽層段環(huán)空返速為0.59m/s（水泥漿注速1.3m3/min），替漿時(shí)環(huán)空返速為0.81m/s（替漿速度1.8m3/min）

11、，替漿后期鹽層段環(huán)空返速為0.40m/s（替漿速度0.9m3/min）。在含鹽量為18%時(shí)，注水泥及替漿過(guò)程中，對(duì)鹽層的溶解速率很低，基本不會(huì)影響水泥石與鹽層的膠結(jié)。3已有采鹵井抗鹽水泥漿體系滿足金壇地區(qū)鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)固井的水泥漿體系，要求抗鹽性好、高早強(qiáng)、微膨脹、稠度適宜，漿體長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，和鉆井液及隔離液具有良好相容性。經(jīng)過(guò)多次室內(nèi)試驗(yàn)，篩選出了JSS聚合物抗鹽水泥漿體系，并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了成功應(yīng)用。（1）JSS抗鹽水泥漿體系組成1）JSS抗鹽降失水劑JSS在含鹽條件下一方面能形成均勻穩(wěn)定的水泥懸浮體系，起到良好的失水控制作用；另一方面，降失水劑具有較強(qiáng)的活性結(jié)構(gòu)，其控制官能團(tuán)在水泥體系中盡管有較

12、強(qiáng)的吸附作用，但不會(huì)對(duì)水泥顆粒的水化進(jìn)程和水化速度產(chǎn)生抑制作用，這樣能夠保證水泥漿在短時(shí)間內(nèi)形成較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和骨架結(jié)構(gòu)，即使在較低的溫度環(huán)境下，水泥漿也能具有較好的強(qiáng)度發(fā)展。2）FSS低溫分散劑FSS是具有高度磺化度的聚合物縮合體，能夠有效降低含鹽水泥漿的稠度，改善水泥顆粒的分散狀態(tài)，隨著摻量的增加可以略微延長(zhǎng)水泥漿的稠化時(shí)間，且能夠消除水泥漿的膠凝結(jié)構(gòu)，使水泥漿在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持可泵狀態(tài)，同時(shí)在一定的摻量情況下能夠增加水泥石的早期強(qiáng)度。（2）JSS抗鹽水泥漿配方根據(jù)已有采鹵井對(duì)水泥漿性能的要求，利用現(xiàn)場(chǎng)鹽水和水泥在室內(nèi)進(jìn)行了大量的配方篩選工作，確定了適用于244.5mm套管固井的水泥漿配方，并

13、且在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了成功應(yīng)用。確定的水泥漿配方為：G級(jí)水泥+15%18%鹽水+3.0%4.00%JSS降失水劑+1.5%2.0%FSS分散劑+0.1%D50消泡劑。（3）JSS抗鹽水泥漿性能表1 JSS抗鹽水泥漿配方及性能序號(hào)JSSgFSSg密度g/cm3失水mL稠化時(shí)間min游離液%抗壓強(qiáng)度24h抗壓強(qiáng)度48 h抗壓強(qiáng)度72h13%1.8%1.9564132022.224.626.924%2.2%1.9566175021.024.926.533%1.8%1.9568145021.025.928.0注：試驗(yàn)條件52×20MPa圖6 JSS水泥漿的稠化曲線 圖7 JSS水泥漿的穩(wěn)定性四、金壇

14、地區(qū)已有采鹵井固井配套技術(shù)措施已有采鹵井固井是一項(xiàng)綜合的工程，要想固好井，必須從各方面入手，采取有效措施，降低每一項(xiàng)因素對(duì)固井質(zhì)量的影響，應(yīng)用好綜合固井技術(shù)。實(shí)際固井中主要加強(qiáng)了抗鹽水泥漿體系的優(yōu)化、提高頂替效率、井眼準(zhǔn)備、上部地層防漏及現(xiàn)場(chǎng)施工安全等。1提高頂替效率的措施（1）完鉆前鉆井液性能符合設(shè)計(jì)要求，井底無(wú)沉砂，保證鉆井液的清潔，裸眼段無(wú)阻卡和漏失；（2）扶正器按設(shè)計(jì)加入，下部150m井段每根套管加一只扶正器，500800m井段每2根套管加一只，500m以上井段每3根套管加一只，在“大肚子”井段加入旋流扶正器，切實(shí)保證套管在井內(nèi)有較高的居中度；（3）固井前充分循環(huán)鉆井液，根據(jù)井下情況充

15、分調(diào)整鉆井液性能，做到低粘低切，增加流動(dòng)性，降低替漿時(shí)的環(huán)空壓耗，鉆井液粘度小于90s；（4）沖洗液采用飽和鹽水體系，一方面減小對(duì)鹽層的沖蝕，另一方面增加在低返速下的紊流特性，用量控制在環(huán)空高度200300m左右；（5）采用為密度1.501.60g/cm3的低密度領(lǐng)漿作為隔離液。2綜合防漏的技術(shù)措施（1）固井前進(jìn)行大排量洗井，驗(yàn)證上部地層的承壓能力，根據(jù)電測(cè)井徑確定合理的洗井排量，控制返速在1.01.2m/s；（2）充分循環(huán)鉆井液，根據(jù)井下情況調(diào)整鉆井液性能，降低粘度與切力，增加流動(dòng)性；（3）沖洗液采用飽和鹽水體系，密度為1.19g/cm3；（4）采用三段制水泥漿，領(lǐng)漿密度為1.501.60g

16、/cm3，中間漿密度為1.851.90g/cm3，尾漿密度為1.901.95g/cm3； （5）注水泥排量控制在1.01.3m3/min，開(kāi)始替漿排量控制在1.51.8m3/min左右，碰壓前排量控制在0.60.9m3/min，采用水泥車(chē)碰壓。五、已有采鹵井西2井現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用1西2井的基本情況西2井開(kāi)采的時(shí)間為8年，下部溶腔容積約為16.00×104m3，鹽層埋深925.21065m，腔頂鹽層厚度11.9m，339.7mm套管下深90.22m，311.2mm鉆深933.5m，244.5mm套管下深931.2m。2固井施工過(guò)程（1）注飽和鹽水前置液10.0 m3，排量 1.0 m3/min

17、；（2）注前導(dǎo)漿 10.0 m3，排量 1.0 m3/min，密度 1.60g/cm3；（3）注中間漿 25.0 m3，排量 1.0 m3/min，密度 1.86 g/cm3；（4）注尾漿 20.0 m3，排量 1.0 m3/min，密度 1.94 g/cm3；（5）停泵，釋放膠塞，水泥車(chē)替壓塞液2.0m3，排量 1.0 m3/min；（6）泵替鉆井液28m3，開(kāi)始時(shí)排量 1.5 m3/min，鉆井液返出井口穩(wěn)定后，排量控制在1.8 m3/min，井口見(jiàn)低密度水泥漿返出后降低泵排量至1.5 m3/min以下，碰壓前6.2m3 改用水泥車(chē)替漿，排量控制在0.61.0 m3/min；3固井質(zhì)量檢測(cè)及試壓（1）72h后用CBL/VDL進(jìn)行固井質(zhì)量檢測(cè)，水泥漿返至地面，鹽層段聲幅03%，鹽層以上井段聲幅基本在15%以內(nèi)，第二界面膠結(jié)良好，全井固井質(zhì)量好。（2）套管內(nèi)試壓25MPa，30min壓降為0；套管鞋處試壓25MPa，30min壓降為0；經(jīng)腔體密封性檢測(cè)（試壓14.5MPa），證明固井質(zhì)量能滿足儲(chǔ)氣的要求。六、認(rèn)識(shí)及結(jié)論（1）采用先下入丟手橋塞，配合采用高早強(qiáng)微膨脹水泥漿打水泥塞建立人工井底的方法，保證了套銑及固井施工的順利進(jìn)行；（2）半飽和鹽水水泥漿對(duì)鹽層的沖蝕小，漿體的整體性能好，水泥漿配方易于調(diào)節(jié)；（3）JSS抗鹽水泥漿具有抗鹽性好、高早強(qiáng)、稠度適宜、漿體穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，能達(dá)