覃 毅，吴永超，刘振通，高 飞，宋元洪，汤正辉，李利军，刘方义，毕 毅

(1.渤海钻探工程有限公司第一固井分公司，河北任丘 062252；2.渤海钻探工程有限公司油气井测试分公司，河北廊坊 065007)



浅层气井防气窜固井技术

覃 毅1，吴永超2，刘振通1，高 飞1，宋元洪1，汤正辉1，李利军1，刘方义1，毕 毅1

(1.渤海钻探工程有限公司第一固井分公司，河北任丘 062252；2.渤海钻探工程有限公司油气井测试分公司，河北廊坊 065007)

浅层气井固井防窜是国内外固井作业不断探索研究的技术难题之一。结合多年来在不同地区的气井固井作业经历对浅层气固井技术进行了分析，归纳得出一系列浅层气固井的防窜技术措施。

浅层气固井 防气窜 多凝阶梯密度 水泥浆体系 胶凝强度 前置液

由于气层埋藏深度浅，上覆地层疏松，地层承压能力低，容易漏失；井下压力平衡、油气层压稳等措施无法建立，发生气侵时上窜速度快、反应时间短，且地层承压能力低；井下压稳、防漏、防窜等措施受限，加上浅层气异常高压井油气活跃，钻井、固井过程中油气上窜速度快；气侵、溢流、井喷等表象特征反应短暂，时间紧促致地面控制措手不及，这些因素都难以保证固井质量。所以浅层气井固井防窜是国内外固井作业不断探索研究的技术难题之一。

1 固井技术难点

浅层气地层承压能力低，井下易漏，通常采用低密度水泥浆体系，低密度水泥浆浆体中的固相成分密度差大，浆体稳定性差；固相颗粒间的空隙度大，液固比高，游离水多，失水控制难度大；低密度水泥浆强度发展慢，候凝失重过渡时间长，浆体防窜能力差。

浅层气井地层浅，前置液、水泥浆与井壁接触时间短，对井壁油污的分散、剥离、携带效果差；地层承压能力低，固井施工排量小，环空难以形成紊流或有效层流，顶替效率低，对井壁的冲刷、置换能力差，井眼得不到良好净化，环空泥浆滞留及井壁油污、虚泥饼等影响水泥胶结强度和界面质量，套管外环空留有微隙，气体运移导致环空气窜，井口带压现象，例如哈萨克斯坦的阿一旦油气田，塔里木玛扎塔格油气田[1]，环空气窜，井口环空带压现象尤为突出。

超浅气层固井，水泥浆封固段短，固井难以发挥多凝压稳水泥浆体系优势；缺乏有效的井口压力补偿和控制手段，固井一旦发生环空气窜，控制难度大，易导致环空溢流，环空井喷风险。在委内瑞拉Anaco气田[1]，地表80 m以下分布着多套不同压力体系气层，储层复杂, 其特征为具有高、低压气层/气窝同时存在, 高含H2S和CO2；地层有微裂缝及漏失层, 地层孔隙压力与破裂压力接近，钻井、固井作业中井漏、井喷事故时有发生。据统计数据显示, 该气田开发初、中期有2/3的气井未能成功开采, 原因是浅层气窜严重。

2 防气窜固井水泥浆技术

2．1 水泥浆体系基本性能要求

控制失水量，保证水泥浆的稳定性，降低游离水；水泥浆实现直角稠化(RAS)，缩短稠化过渡期，提高水泥浆防窜能力，水泥浆静态凝胶强度48～240 Pa发展期小于15 min, 水泥浆防窜系数SPN<3。

2．2 水泥浆体系稳定性

改善低密度水泥浆稳定性，可通过加入一定量的悬浮剂，提高基液黏性，阻止固相材料的漂浮和沉淀。颗粒间游离液的黏滞力增强，增大气体在颗粒间的运移阻力，可提高了浆体防气窜能力。在水泥浆中加入悬浮剂，对改善低密度水泥浆稳定性，提高浆体防气窜能力，起到了良好效果。

2．3 防气窜水泥浆体系

2．3．1 胶乳/成膜型防气窜水泥浆体系

固井水泥浆配方中优选加入BCT-800L(AF)胶乳防气窜剂和FSAM成膜型防气窜外加剂，配制成胶乳/成膜型防气窜水泥浆体系[2-3]。配方：嘉华G级水泥+2.5%晶格膨胀剂DZP +0.03%氮气膨胀剂(ZP-2)+5%胶乳FSAM/BCT-800L(AF)+2%降失水剂(DZJ-Y)+1.2%分散剂DZS+0.034%缓凝剂(DZH-1)+0.3%消泡剂DZX+水。性能为:密度(ρ)：1.96 g/cm3，稠化时间125 min，中压失水量(FL)：19 mL，流动度：22 cm，强度为18.9 MPa/(24 h)，水泥浆防窜系数SPN<3。机理：胶乳是一种含适量表面活性剂的微小聚合物颗粒乳状悬浮液，乳胶中的小粒径颗粒填充于水泥浆固相颗粒间的微空隙，堵塞通道，降低渗透率，减小水泥体积收缩，改善界面胶结；其中的表面活性成分对侵入的气体起到一定的束缚和分散作用；胶乳中的聚合物分子在水泥浆固相颗粒间及水泥浆与井壁间形成有一定弹性、韧性和静胶凝强度的非渗透膜，阻止气体侵入和环空运移上窜，起到了较好的防气窜效果。

2．3．2 基体抗侵水泥浆体系

固井水泥浆配方中加入防窜剂BCG-200L，形成基体抗侵水泥浆体系。配方：CEMENTO“B”水泥+5%微硅+13%减轻剂(BXE-600S)+2%降失水剂(BXF-200L)+3%防气窜(BCG-200L)+1.5%分散剂(CF40S)+0.02消泡剂(ALP-62)。性能为：ρ：1.73 g/cm3，稠化时间263 min，FL：15 mL，流动度：22 cm，强度：15 MPa(24 h)，水泥浆防窜系数SPN<3。BCG-200L防窜剂是一种适合于低密度水泥浆的增黏聚合物水泥浆外加剂，可提高水泥浆黏度和触变性，增强浆体内聚力，静胶凝强度发展快，改善水泥浆稠化曲线状态，能够迅速度过静胶凝强度48～240 Pa的气窜风险区间，降低气侵几率，从而达到防止窜流的目的。

2．3．3 膨胀型水泥浆体系

在固井水泥浆中加入低温膨胀剂QF625[3]或ZP-2和DZP膨胀剂形成膨胀型水泥浆体系[4]。配方：嘉华G级水泥+2.5%堵漏剂ZD+5%FSAM+1.5%ZJ-5+3%DZS+0.03%DZH-1+0.3%膨胀剂QF625(或ZP-2+DZP)+0.3%DZX +水。性能为：ρ：1.93 g/cm3，稠化时间138 min，FL：34 mL，流动度：23 cm，24 h抗压强度35.4 MPa，水泥浆防窜系数SPN<3，化验条件66 ℃,21 MPa。作用机理：随着水泥浆在井内水化凝结，固相颗粒间的游离液遗失，水泥石收缩，过程中均匀分布在浆体中的膨胀剂在温度和碱性环境条件下,晶格膨胀或发出微量气体，替代并充填因游离液析出形成的颗粒间空隙，抵御水泥体积收缩，弥补液柱压力损失，增加封固段环空内压，提高水泥石与套管壁及井壁的胶结强度，抑制气层外侵上窜，发挥了显著的抑制气窜效果。

3 配套技术措施

3．1 合理设计前隔离液体系，改善前置液性能，提高顶替效率

根据固井深度、地层孔隙压力、井眼状况和钻井液性能合理设计固井前隔离液体系。综合各因素考虑确定冲洗液、隔离液密度、类型和数量等，对于钻井液与水泥浆配伍性差，接触后产生污染，流动性变差或有絮凝现象，减少封固段水泥浆混窜污染，可考虑使用先导泥浆或者前导水泥浆技术；对钻井液和前置液进行有效隔离、避免残留的钻井液与水泥浆接触污染，提高顶替效率，确保封固段固井质量。

3．2 借助于井下工具和井口装置解决固井气窜问题

对于特殊地层浅层气油气田，采用主力气层顶部加放套管外封隔器，结合膨胀型防窜水泥浆体系，管外封隔器加放位置，选择在气层顶部以上3～5 m的井壁稳定、井径规则的致密泥岩井段[6]，成功解决了浅层气防窜技术难题。对于窄地层安全压力窗口气井尾管固井，采用封隔式尾管悬挂器，水泥注替结束，关闭尾管与外层套管环空，掐断气窜通道，对防气窜起到良好作用。井下承压能力允许的条件下，可采用井口环空憋压候凝措施，以弥补因水泥浆失重造成的压力损失；管外封隔器和封隔式尾管悬挂器具有两面性，均能阻隔地层气体上窜，但也阻断了上部液柱压力的向下传递，故应结合膨胀水泥浆体系使用[7]。

3．3 正注反注固井技术措施

对又喷又漏的复杂气井固井，可采用正注水泥固井，水泥浆返至主要漏层位置，注替结束，立即坐挂井口装置。从套管头四通分别连接两条注浆管线，两侧同时反注冲洗液和与套管外环空等量体积的快凝低密度水泥浆。因井漏水泥浆液面会降至一定深度，待第一次反注水泥浆稠化后，再次向环空灌注快凝水泥浆，实现水泥上下对接封至井口的气井封固要求[8-10]，正注反注固井技术是行之有效的解决复杂气井固井的措施。

3．4 使用多凝阶梯密度水泥浆体系, 变排量施工技术

根据地层孔隙压力,确立不同封固段的水泥浆密度和稠化时间；依据地层破裂压力和地层承压能力试验数据,模拟计算不同阶段的施工参数，采用变排量注替施工作业，做到施工最大动液柱压力小于地层漏失压力，最下静液柱压力大于地层孔隙压力，实现井下压力平衡，压稳气层，防止井漏、气窜发生。

4 固井技术应用

4．1 使用多凝阶梯密度水泥浆体系, 变排量施工技术解决防漏和压稳问题

某浅层气田的气井，气层深度1 500～1 700 m，9-5/8″技术套管下深1 200 m，三开造斜点深度1 400 m左右，钻至奥陶系灰岩地层水平井段A点完钻，下入7″生产层套管，封固高含H2S的奥陶系灰岩气层，石炭系生屑灰岩气层，东河砂岩气层。裸眼段有断层，石炭系和奥陶系灰岩空隙发育，钻井、固井易漏。为解决压稳、防漏问题，固井采用密度1.39 g/cm3水泥尾浆，封固斜井段储层，1.35 g/cm3中间浆封固井深500 m以下垂直井段，领浆1.33 g/cm3封固上部500 m，密度1.27 g/cm3前导水泥浆10 m3全部翻出地面的阶梯密度多凝水泥浆体系，变排量注替施工技术，较好地解决了气窜固井问题，固井效果很好。

4．2 使用浅层气固井综合技术解决固井难题

缅甸D区块某气井，二开1.26 g/cm3的钻井液密度，钻井过程中频繁发生严重漏失，在边堵漏边钻进过程中，钻至井深1 631.49 m时，遇高压气层，发生严重气侵井涌，气层孔隙压力系数1.423，形成了下吐上漏复杂状况。固井采用正固、反注的两次注水泥非常规固井方法，结合先导泥浆，加重隔离液，微膨胀、防漏、防气窜直角稠化水泥浆体系等一系列技术措施。正固水泥领浆密度1.65 g/cm3，中间膨胀型水泥浆，密度1.90 g/cm3；快凝非渗透防气窜水泥尾浆，密度1.95 g/cm3，封固1 560 m以下气层井段，形成阶梯密度三凝水泥浆结构，完成正注固井作业。水泥浆稠化失重期，注入与环空等量体积的密度1.65 g/cm3防漏、堵漏、快凝水泥浆；水泥浆稠化后，再次灌注水泥浆回填至井口，完成固井作业。检测固井质量，正固、反注水泥浆实现对接，封固质量优质。

委内20″和13 3/8″浅层气大套管固井，为了保证上部井段环空水泥浆纯度和实现环空压稳，采用机体抗侵防窜水泥浆体系正注水泥浆后，立即从套管外环空两侧下入φ47mm的无接箍反注浆管柱30 m左右，用常规密度防气窜水泥浆将环空上部混窜污染的水泥浆顶替出井，利用水泥浆的稠化时间差实现环空压稳；同时，高纯度的反注水泥浆保证了井口附近的固井质量，满足了气井环空封固质量要求。

5 结论

1)通过分析固井技术难点，优选适用于浅层气井防气窜固井水泥浆技术、配套固井技术措施作为防窜措施和控制手段，可解决浅层气防气窜固井技术难题。结合在固井施工中的现场应用分析，得到了良好的固井效果，对类似浅层气井固井实践具有一定的指导意义。

2)良好的防气窜水泥浆体系及井下工具、地面控制设施，是阻止气侵、气窜的重要工艺技术措施；合理选择，综合应用，可有效提高固井质量，实现良好气井封固。

3)气井固井的基本原则“压力三平衡”，即固井前、施工作业中、水泥候凝期的井下压力平衡，任何环节井下压力失衡，都会导致气窜甚至井喷事故发生；提高顶替效率，避免封固段水泥浆混窜污染，是实现环空替净封实的气井固井防窜的基本要求。

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Shallow Gas Well Channeling Prevention and Cementing Technology

Qin Yi1,Wu Yongchao2,Liu Zhentong1,Gao Fei1,Song Yuanhong1,Tang Zhenghui1,Li Lijun1,Liu Fangyi1,Bi Yi1

(1.No.1CementingCompanyofBohaiDrillingandExplorationEngineeringCo.Ltd.,Renqiu,Hebei062552; 2.WellTestingCompanyofBohaiDrillingandExplorationEngineeringCo.Ltd.,Langfang,Hebei065007)

Shallow gas well channeling prevention and cementing are one of the technical problems that have been studied in well-cementing operation both at home and abroad. The shallow gas well cementing technologies are analyzed, and a set of channeling prevention technical measures are summarized by taking the gas well cementing operation experiences in different areas into consideration.

shallow gas well cementing; channeling prevention; gradient multi-setting cement slurry; gelling strength; pad fluid

2015-03-04。

覃毅，工程师,从事固井技术研究及现场应用工作。