普光氣田高含硫氣井安全快速優(yōu)質(zhì)鉆完井配套技術(shù)

摘 要

摘要：普光氣田是目前中國已發(fā)現(xiàn)的最大的高含硫天然氣田，天然氣儲層埋藏深，其天然氣具有高溫、高壓、高含硫的特點，鉆井面臨噴、漏、塌、卡、斜、硬、毒等世界級難題。為此，圍繞高
摘要：普光氣田是目前中國已發(fā)現(xiàn)的最大的高含硫天然氣田，天然氣儲層埋藏深，其天然氣具有高溫、高壓、高含硫的特點，鉆井面臨噴、漏、塌、卡、斜、硬、毒等世界級難題。為此，圍繞高含硫氣井安全鉆井技術(shù)、快速鉆井技術(shù)和優(yōu)質(zhì)固井技術(shù)的科技攻關(guān)、配套和現(xiàn)場示范應(yīng)用，形成了普光氣田安全優(yōu)快鉆井集成配套技術(shù)：①配套了70MPa封井器、內(nèi)防噴工具組合為主的雙加雙井控裝備，確定鉆井液安全密度附加值，強化鉆井液、加重料、堵漏材料的儲備和硫化氫監(jiān)測及檢測，井控安全率達(dá)到了100%，井噴失控事故率為0；②普光陸相地層集成應(yīng)用空氣、霧化、泡沫、氮氣、空氣錘等鉆井技術(shù)快速鉆進(jìn)易漏、易塌、地層出水出氣等復(fù)雜地層，海相地層應(yīng)用PDC+螺桿復(fù)合鉆井技術(shù)，全井鉆井周期平均縮短了33%，平均機械鉆速提高了61.21%；③應(yīng)用耐腐蝕防氣竄膠乳水泥漿體系、高強低密度水泥漿體系并綜合應(yīng)用尾管懸掛、正注反擠、分級固井等工藝技術(shù)，技術(shù)套管固井合格率為94.7%，產(chǎn)層套管固井合格率達(dá)100%、優(yōu)良率為83%。實現(xiàn)了該氣田高含硫氣井安全、快速、優(yōu)質(zhì)鉆完井的目標(biāo)。
關(guān)鍵詞：普光氣田；高含硫天然氣；安全快速優(yōu)質(zhì)；鉆完井；配套技術(shù)；井控；鉆井液；固井
    普光氣田是目前中國已發(fā)現(xiàn)的最大的高含硫天然氣田。前期勘探成果表明，普光氣田天然氣儲層埋藏深、高溫、高壓、高含硫，鉆井面臨的主要技術(shù)難題是：①陸相地層硬度大、研磨性強、可鉆性差，機械鉆速低；②高陡構(gòu)造地層傾角大、防斜打快難度大；③地層壓力系統(tǒng)復(fù)雜，防漏、堵漏難度大；④高含硫氣井的井控難度大、安全風(fēng)險大；⑤固井條件復(fù)雜、施工難度大，固井質(zhì)量難以保證?？傮w概況為噴、漏、塌、卡、斜、硬、毒等7種世界級鉆井難題。為此，圍繞高含硫氣井安全鉆井技術(shù)、快速鉆井技術(shù)和優(yōu)質(zhì)固井技術(shù)的科技攻關(guān)、配套和現(xiàn)場示范應(yīng)用，形成了普光安全優(yōu)快鉆井集成配套技術(shù)，實現(xiàn)了普光高含硫氣井安全、快速、優(yōu)質(zhì)鉆完井，為“川氣東送”工程的順利推進(jìn)提供了保證。
1 安全鉆井技術(shù)
1.1 井控安全設(shè)備配套
1.1.1封井器
    根據(jù)氣藏壓力，普光氣田防噴器壓力等級為70MPa或105MPa。防噴器組合為環(huán)形防噴器+半封閘板防噴器+剪切閘板防噴器+全封閘板防噴器+半封閘板防噴器+四通+四通+套管頭，組合成雙加雙防噴器。同時，防噴器防腐達(dá)到內(nèi)涂層防硫級別EE級以上，防硫級別得到提升。該配套的主要優(yōu)點是不僅能應(yīng)對鉆遇高壓氣層而引發(fā)的井控風(fēng)險，還能為海相高含H2S氣層安全鉆井提供保障。
1.1.2節(jié)流壓井管匯
    節(jié)流壓井管匯結(jié)構(gòu)設(shè)計中，壓井管匯采用雙壓井接口，節(jié)流管匯的結(jié)構(gòu)方式上采用雙液動和雙手動節(jié)流閥實行操作控制，整個結(jié)構(gòu)形式多為龍門式，放噴口一般為4個口以上。節(jié)流閥前后的平板閥采取同一壓力等級，防硫級別由EE級升到HH級。節(jié)流管匯和壓井管匯的壓力等級、閥件組合形式和防腐要求應(yīng)與防噴器相匹配，主通徑大于等于103mm，節(jié)流管匯與四通平直連接。節(jié)流閥一井一換新，節(jié)流管匯、壓井管匯的閥芯、閥座選用耐磨、耐沖蝕材料，四通內(nèi)表面和節(jié)流管匯、壓井管匯所有拐彎處內(nèi)表面涂覆耐磨、耐沖蝕材料。
    該配置實現(xiàn)了鉆井泵反循環(huán)壓井和遠(yuǎn)程壓井泵組同時壓井作業(yè)。高壓時可通過壓井車進(jìn)行壓井作業(yè)，低壓時可通過鉆井泵進(jìn)行壓井作業(yè)，實現(xiàn)雙保險；整個管匯內(nèi)部壓力實現(xiàn)可視操作。
1.1.3防噴、放噴管線
    放噴管線由FG88×21上升為FG103×21或FG103×35專用標(biāo)準(zhǔn)管線，采用標(biāo)準(zhǔn)法蘭連接，不準(zhǔn)焊接。彎頭采用135°，且整體式加厚。
1.1.4套管頭
    套管頭根據(jù)普光氣田的最大地層壓力或高一個壓力級別進(jìn)行選擇，具有氣密封、高抗硫、全金屬密封、絲扣懸掛的能力；環(huán)空安裝壓力表和引流管線，以滿足高H2S、高C02氣井的鉆井要求。
    技術(shù)套管和油層套管采用芯軸式懸掛器，并備有應(yīng)急卡瓦；配備相應(yīng)尺寸的試壓塞、防磨套和送取工具；套管頭上安裝法蘭扶正圈，利于鉆頭等工具的順利下入。
1.1.5內(nèi)防噴工具
    配齊與防噴器壓力級別相一致的高抗硫氣密封內(nèi)防噴工具，包括方鉆桿上下旋塞、鉆桿回壓凡爾搶裝工具、鉆具球形止回閥、鉆具箭型止回閥、鉆具旁通閥、井底式浮閥。
    配備各種防噴短節(jié)：旋塞+G105鉆桿+轉(zhuǎn)換接頭(下端可直連鉆鋌或其他尺寸鉆桿，起下鉆鋌或其他尺寸鉆桿過程中遇井噴時使用)。
1.1.6防硫鉆具
    防硫鉆桿G-105SS，有條件的全井使用，鉆具不夠的在井口以下3000m使用；其余用G-105鉆桿；打開產(chǎn)層不能使用S-135鉆桿。
1.2 鉆井液密度附加值的選擇
    鉆井過程中，為了維持壓力平衡以防止發(fā)生井涌現(xiàn)象，井筒壓力系統(tǒng)需要滿足：
    ρm≥ρpmax+Sb+△ρ
式中ρm為裸眼井段使用的鉆井液密度，g/cm3；ρpmax為裸眼井段鉆遇的最大孔隙壓力梯度，g/cm3；Sb為抽吸壓力系數(shù)，介于0.04～0.06g/cm3；△ρ為附加鉆井液密度，介于0.07～0.15g/cm3。
    模擬了4種溢流工況(75L/s、150L/s、225L/s、300L/s)對井筒壓力的影響，當(dāng)?shù)貙右缌髁窟_(dá)到0.3m3/s，井筒壓力的降低量為8MPa，對照普光氣田儲層深度，鉆井液安全密度附加值為O.15g/cm3。
1.3 鉆井液、加重料、堵漏材料
   施工現(xiàn)場應(yīng)進(jìn)行鉆井液、加重料、堵漏材料的儲備。重鉆井液儲備數(shù)量必須在井眼容積的1倍以上；加重料的儲備大于5200t；堵漏劑(包括復(fù)合堵漏劑、隨鉆堵漏劑、核桃殼等各種粒徑的堵漏材料)的儲備各在15t以上。
1.4 硫化氫監(jiān)測及檢測
    針對普光氣田高含硫、高危險性的特點，結(jié)合當(dāng)?shù)氐臍庀蟆⒌孛矖l件，在吸取國內(nèi)外氣體檢測先進(jìn)技術(shù)和應(yīng)急響應(yīng)預(yù)案優(yōu)點的基礎(chǔ)上，根據(jù)氣井及周邊H2S氣體泄漏擴散方式，對氣井作業(yè)現(xiàn)場安全監(jiān)測儀器的選擇、監(jiān)測設(shè)備布局、報警及控制方式進(jìn)行研究，制訂了防止H2S、S02等有毒有害氣體危害的保護(hù)措施，包括：H2S、S02等氣體監(jiān)測儀、個體防護(hù)設(shè)備、急救設(shè)備、警示標(biāo)志等。建立起監(jiān)測預(yù)警聯(lián)動機制，編制了氣井井站和周邊區(qū)域兩級應(yīng)急響應(yīng)預(yù)案。按照事故預(yù)案等級，分層次組織培訓(xùn)和演練，通過對演練效果的評價，使得應(yīng)急體系逐步完善、有效，以便在發(fā)生險情或事故時能夠科學(xué)應(yīng)對。
2 優(yōu)快鉆井技術(shù)
2.1 并身結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)
    普光氣田井深，井眼上部套管承受了較大拉伸應(yīng)力。在高酸性環(huán)境下的井身結(jié)構(gòu)要求降低入井管柱的應(yīng)力水平，以提高酸性環(huán)境下材料的抗硫化物開裂能力，延長服役壽命。為此，優(yōu)化了井身結(jié)構(gòu)和油管柱設(shè)計，提出了套管回接、上部用低鋼級厚壁套管、上大下小復(fù)合套管柱3種類型井身結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，降低應(yīng)力水平，同時，避免噴、漏、塌、卡等復(fù)雜情況產(chǎn)生，滿足提高鉆井速度和固井質(zhì)量、保證安全鉆井和產(chǎn)能的需要。
    1) 導(dǎo)管下深50～100m，封過地表水、防止地表竄氣。
    2) 表層套管下深增加到700m以上，防止水污染并提高井控安全，封過河床底部以下100m；表層套管由Φ339.7mm改為Φ346.1mm，選用一般碳鋼套管。
    3) 采用Φ273mm技術(shù)套管下深3600～4500m，完全封隔陸相復(fù)雜地層；并將第二次開鉆Φ314mm鉆頭優(yōu)化為Φ320mm，保證了下套管安全，增大了3mm水泥環(huán)厚度，有利于提高固井質(zhì)量；在管材選擇上，增加抗硫性能，提高安全系數(shù)，使用TP100SS和TP110TS抗硫套管。
    4) 針對嘉陵江組鹽膏層蠕變，使用壁厚從12.50mm改為19.05mm的Φ193.7mm厚壁套管，抗擠強度從90MPa提高到134.5MPa。
    5)對產(chǎn)量大于100×104m3的高產(chǎn)井，采用井口以下200m內(nèi)為Φ222.2mm套管+Φ193.7mm套管回接+Φ177.8mm尾管，水泥漿返至地面，以滿足高產(chǎn)井采氣要求。
2.2 陸相地層氣體鉆井技術(shù)
    針對普光氣田地質(zhì)特點，在上部陸相地層使用氣體鉆井技術(shù)。其中，以空氣作為介質(zhì)的空氣鉆井技術(shù)應(yīng)用最為普遍，減少井底鉆頭壓持效應(yīng)，大幅度地提高機械鉆速，解決地層嚴(yán)重漏失的問題，減少遇水膨脹地層垮塌，并有利于井身質(zhì)量的控制。
2.2.1設(shè)備配置
    氣體鉆井設(shè)備主要由空氣壓縮機組、增壓機組、制氮機組、霧化泵和化學(xué)劑注入泵、連接管匯部分、中央控制系統(tǒng)及其他輔助設(shè)備組成。要求配備的空氣壓縮機、增壓機的輸出排量和壓力要能夠滿足普光氣田現(xiàn)場設(shè)計施工井段的需求。針對不同井眼、不同鉆具組合在不同深度進(jìn)行氣體鉆井施工所需要的氣體排量，可以得出需要配置的空氣壓縮機的數(shù)量，并應(yīng)遵循以下原則：
    1) 應(yīng)按設(shè)計的最大氣體流量配置空氣壓縮機，并至少多配置1臺壓縮機作為備用；若使用膜制氮機進(jìn)行氮氣鉆井時，空氣壓縮機的供氣能力按氮氣流量的2倍配置。實施霧化鉆井，空氣壓縮機的供氣能力應(yīng)高于空氣鉆井的30%～40%，具體應(yīng)根據(jù)地層出水量的大小進(jìn)行計算確定。
    2) 壓縮機的額定氣體流量應(yīng)根據(jù)海拔高度、地面溫度和濕度進(jìn)行校正。
    3) 膜制氮機對氮氣純度應(yīng)連續(xù)可調(diào)，在氮氣純度為95%的條件下氮氣流量應(yīng)大于設(shè)計氣體流量，若使用液氮，液氮設(shè)備的氮氣流量應(yīng)高于設(shè)計氣體流量。
    4) 地質(zhì)預(yù)告有潛在水層的情況下，應(yīng)配備霧化泵。霧化泵的額定壓力應(yīng)不低于10.5MPa，排量不低于18m3/h。宜另配2臺化學(xué)劑注入泵，注入泵排量不低于1.25L/min、泵壓不低于14MPa。
2.2.2氣體鉆井方式轉(zhuǎn)換
    上部陸相地層氣體鉆井技術(shù)以空氣鉆井作為陸相地層的核心提速技術(shù)，在地層出水、出氣等不同情況下可以轉(zhuǎn)換為氮氣、霧化、泡沫鉆井，以保持氣體鉆井快速鉆進(jìn)的優(yōu)勢。
2.2.3氣體鉆井提速技術(shù)
    在普光氣田陸相地層Φ444.5mm、Φ320mm大井眼試驗應(yīng)用了空氣鉆井、氮氣鉆井、霧化鉆井、泡沫鉆井等氣體鉆井技術(shù)[1～5]，提高了機械鉆速，縮短了鉆井周期，有效解決了易漏、易斜、易塌、地層出水出氣等難題。
    在氣體鉆井中，使用空氣錘+具有鉆頭防掉落安全機構(gòu)的空氣錘鉆頭鉆井方式，可以獲得更高的機械鉆速，而且井身質(zhì)量更好，井眼規(guī)則，并減輕對鉆具的疲勞破壞。平均機械鉆速為10.43m/h，是空氣牙輪鉆頭的2倍以上，單只鉆頭平均使用壽命達(dá)61h，空氣錘無故障工作時間達(dá)143.7h。
    普光氣田38口開發(fā)井氣體鉆井總進(jìn)尺占全井鉆井總進(jìn)尺的47.83%，平均機械鉆速7.49m/h，比常規(guī)鉆井液鉆井提高約6倍，縮短單井鉆井周期約90d。
2.3 海相地層復(fù)合鉆井技術(shù)
    在普光海相地層，采用“螺桿+PDC鉆頭”復(fù)合鉆進(jìn)工藝，大幅度提高了海相非目的層的機械鉆速，平均機械鉆速為2.8m/h，比常規(guī)鉆井機械鉆速提高2倍。
    依據(jù)地層和鉆頭特性，優(yōu)選耐高溫、長壽命、大扭矩螺桿鉆具。海相地層直井段選用輸出動力強勁的大尺寸螺桿，較規(guī)則的直井段宜采用Φ197mm直螺桿，若井眼不規(guī)則，則采用Φ185mm直螺桿；由于Φ197mm彎螺桿與第三次開鉆Φ241.3mm井眼間隙小，穩(wěn)斜段不宜采用Φ197mm彎螺桿；在海相地層應(yīng)盡可能減少Φ172mm螺桿的使用。
2.4 鉆井液技術(shù)
    由于普光氣田地層復(fù)雜，易漏、易塌、易發(fā)生鹽膏層污染、目的層埋藏深且高含H2S和CO2，所以對鉆井液的防塌、防漏、抗污染、抗高溫性、防腐性能有更高的要求。
2.4.1鉆井液體系
    普光氣田陸相地層采用強抑制聚合物防塌鉆井濃體系：3%～4%NV-1+0.2%Na2C03+0.5%～0.8%NaOH+0.1%～0.3%DS-301+0.2%MMH+0.3%～0.5%HP+1%～1.5%PL+3%～4%BY-2，具有良好的抑制和防塌能力。
    海相地層采用強抑制性聚磺防塌鉆井液體系：4%NV-1+0.2%Na2C03+0.5%～0.8%NaOH+0.2MMH%+0.2%～0.3%DS-301+0.3%HP+1%～1.5%COP-HFL+3%～4%CSMP+3%～4%CFL+3%～4%BY-2+3%CGY，具有抗高溫、抗污染、有效保護(hù)油氣層等性能。
2.4.2防漏堵漏
    普光氣田井漏較為普遍，主要漏失層位在陸相地層遂寧組和沙溪廟組，漏失類型為裂縫性。根據(jù)其漏失速度采用以下堵漏方法：①滲透性漏失主要采用隨鉆堵漏；②中等漏失主要采用細(xì)粒堵漏漿進(jìn)行暫堵；③大漏情況下采用橋漿堵漏、大顆粒復(fù)合堵漏、膠質(zhì)水泥或MTC水泥堵漏。
    對于產(chǎn)層井漏，采用瀝青、聚合醇、超細(xì)鈣、無滲透材料、乳化石蠟作為封堵和造壁材料，進(jìn)行防漏和保護(hù)產(chǎn)層處理；采用堵漏漿進(jìn)行堵漏時，堵完漏以后要將堵漏劑清除，避免摩阻大幅上升。
3 優(yōu)質(zhì)固井技術(shù)
3.1 固井設(shè)備配套
    普光氣田固井質(zhì)量要求高，固井難度大，為保證固井質(zhì)量，固井設(shè)備配套必須達(dá)到以下要求：
    1) 配備雙級雙泵同井設(shè)備。確保施工連續(xù)性和固井質(zhì)量，建立全自動化混拌裝置，保證水泥、添加劑混拌均勻，從而提高固井質(zhì)量。
   2) 建立水泥干混庫，水泥儲存量為700t。
   3) 配備批混罐，保證入井水泥漿密度達(dá)到設(shè)計要求。
    4) 建立實驗室，配置齊全化驗設(shè)備和技術(shù)人員，從固井準(zhǔn)備開始到后期跟蹤進(jìn)行全過程化驗和監(jiān)督。
3.2 水泥漿體系優(yōu)選
    為防氣竄防腐蝕，優(yōu)選了膠乳防氣竄水泥漿體系和膠粒防氣竄水泥漿體系[6～7]；針對高抗擠優(yōu)質(zhì)低密度水泥漿體系，優(yōu)選了具有高抗擠能力的空心玻璃微珠作為減輕劑，具有較高的承壓能力，同時水泥漿綜合性能良好。
    1) 表層套管全部采用高密度常規(guī)水泥漿體系。
    2) 針對技術(shù)套管井段長、易漏失的難題，采用了常規(guī)高密度水泥漿體系和國產(chǎn)漂珠低密度水泥漿體系。
    3) 尾管尾漿優(yōu)選出了尾漿膠乳體系、膠粒體系，水泥強度高，防氣竄效果好，同時具有一定的彈性和防腐性能，主要應(yīng)用于目的層井段。
    4) 尾管領(lǐng)漿采用3M低密度水泥漿體系，水泥漿密度低、強度高，降低了尾管固井中的漏失概率。
    5) 回接固井不存在漏失問題，采用高密度常規(guī)水泥漿體系，直接返到井口。
3.3 固井工藝
    1) 產(chǎn)層套管固井全部采用尾管懸掛技術(shù)和回接技術(shù)。
    2) 在防漏上采用分段壓穩(wěn)設(shè)計，防止固井井漏。
    3) 在保證固井質(zhì)量上采用旋流、塞流復(fù)合頂替技術(shù)，提高固井質(zhì)量。
    4) 針對普光氣田技術(shù)套管下深到3500～4500m、固井井段長、固井時容易發(fā)生井漏的情況，采用正注反擠固井工藝，提高技術(shù)套管固井質(zhì)量。
    通過采用先進(jìn)的工藝、技術(shù)、措施，固井質(zhì)量得到了有效的保證，普光氣田完井的38口井，技術(shù)套管固井合格率為94.7%，產(chǎn)層套管固井合格率達(dá)100%、優(yōu)良率為83%。
4 結(jié)論與認(rèn)識
    1) 配套了70MPa封井器、內(nèi)防噴工具組合為主的雙加雙井控裝備，確定鉆井液安全密度附加值，強化鉆井液、加重料、堵漏材料的儲備和H2S監(jiān)測及檢測，普光高含硫氣井井控安全率達(dá)到了100%，井噴失控事故率為0。
    2) 普光陸相地層集成應(yīng)用空氣、霧化、泡沫、氮氣、空氣錘等鉆井技術(shù)快速鉆進(jìn)易漏、易塌、地層出水、出氣等復(fù)雜地層，海相地層應(yīng)用PDC+螺桿復(fù)合鉆井技術(shù)，全井鉆井周期平均縮短了33%，平均機械鉆速提高了61.21%。
    3) 應(yīng)用耐腐蝕防氣竄膠乳水泥漿體系、高強低密度水泥漿體系并綜合應(yīng)用尾管懸掛、正注反擠、分級固井等工藝技術(shù)，技術(shù)套管固井合格率為94.7%，產(chǎn)層套管固井合格率達(dá)100%、優(yōu)良率為83%。
    4) 形成了普光安全優(yōu)快鉆井集成配套技術(shù)，實現(xiàn)了普光高含硫氣井安全、快速、優(yōu)質(zhì)鉆井。
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(本文作者：侯樹剛1 劉東峰1 李鐵成2 李濤2 1.中國石化中原石油勘探局鉆井工程技術(shù)研究院；2.中國石化中原油田普光分公司)