相国寺储气库固井井筒密封完整性技术

范伟华，冯彬，刘世彬，周利，刘洋，王志刚，龚孝林，宾国成

（中国石油集团川庆钻探工程公司井下作业公司，四川 成都610051）

相国寺枯竭油气藏型储气库作为中卫—贵阳天然气管道的主要配套工程，在保障平稳安全供气方面起着十分突出的作用［1］。储气库井与常规油气井存在很大的区别，生产期间要承受注采作业产生的周期性载荷［2］，并需服役50 a 以上，对固井质量要求高。储气库建设的首要原则是保证后期生产作业中的井筒完整性，避免因环空封固不良或管柱泄漏导致气体泄漏、环空带压，以至影响整个库区安全运行。井筒长期注采密封性包括套管串长期密封完整性和水泥环长期密封完整性2 方面［3］。

1 固井工艺技术

1.1 地层动态承压试验

相国寺石炭系气藏经过多年开采，地层亏空，压力系数低。相储8 井在钻井过程中多次发生严重漏失［4］，基于平衡压力固井原则，在固井前需开展地层动态承压试验，获取地层漏失压力，为固井施工方案的制定及水泥浆体系的设计提供参考依据［5］。该井在完钻后下入φ203.2 mm 钻铤×2 柱+φ165.1 mm 加重钻杆×2 根+φ127 mm 钻杆的钻具组合，逐步将钻井液密度由1.25 g/cm3提高至1.40 g/cm3，以2 m3/min 的排量进行动态承压试验，无漏失。根据承压试验结果，设计领浆密度为1.35 g/cm3，尾浆密度为1.70 g/cm3。

1.2 提高顶替效率技术

顶替效率的高低直接决定一次固井质量的好坏，是保证水泥环长期密封完整性的关键［6-7］。为提高相国寺储气库注采井固井的顶替效率，采取了3 项技术。

1.2.1 钻井液调整技术

固井前调整好钻井液性能，在保证井壁稳定和井眼压力平衡的前提下，合理降低钻井液的黏度和切力，使钻井液更容易被驱替干净。对于井底无油气显示且井内无复杂情况的井，固井前可以适当降低钻井液密度。相储8 井φ244.5 mm 尾管固井前，井内钻井液密度由1.40 g/cm3调整为1.35 g/cm3。

1.2.2 优化套管居中度技术

根据实钻井眼轨迹，采用软件模拟套管居中度，保证平均套管居中度达到67.0%以上。裸眼段采用旋流刚性扶正器与半刚性扶正器交替下入安放方案，在提高套管居中度的同时改变顶替液流场，提高横向波及范围。软件模拟表明，相储8 井φ244.5 mm 尾管固井的平均套管居中度达70.9%。

1.2.3 浆柱结构优化设计技术

采用新配先导浆+冲洗液+黏滞性隔离液+水泥浆的浆柱结构。其中，冲洗液易于在小排量下实现紊流顶替，有效去除虚泥饼，提高界面胶结质量；黏滞性隔离液有效避免水泥浆与钻井液接触污染，保证施工安全。相储8 井φ244.5 mm 尾管固井顶替到位后环空浆柱结构如图1所示。

图1 相储8 井φ244.5 mm 尾管固井浆柱结构

1.3 预应力固井技术

储气库注采井正常运行时，井筒内气流频繁双向流动，且运行压力经常大于地层压力，管柱及水泥环需承受周期性交变应力。若套管、水泥环及地层的力学性能不匹配，则交变载荷作用下极易在第1，2 胶结面形成微间隙，导致环空带压，影响储气库注采井的安全运行［8］。固井施工时，通过采用清水顶替和施工后环空反憋压等技术，人为增大套管内外压差，套管在弹性变形范围内向内挤压，形成预应力［9］（见图2）。后期水泥石若发生收缩或井筒内压力变化时，套管就会因弹性变形而试图恢复至初始状态，从而保持与水泥环的紧密结合，确保水泥环的长期密封完整性。

相储8 井φ244.5 mm 尾管固井施工时，套管内采用43 m3清水顶替，施工后环空反憋压1 MPa，待水泥浆失重后增加至2 MPa 继续候凝。

图2 预应力固井示意

2 套管串密封完整性技术

2.1 气密封性检测技术

气密封性检测技术是确保套管串长期密封完整性的有效手段［10］。为最大限度降低因套管螺纹密封失效而造成事故的潜在风险，相国寺储气库注采井技术套管、油层套管均要求进行套管气密封检测，确保每根入井套管丝扣密封。其检测原理是利用氦气分子直径很小、在气密封扣中易渗透的特点，精确地检测套管的密封性［11］。相储8 井φ244.5 mm 尾管固井采用了TP-CQ气密封扣型套管，下入过程中共计检测出26 根气密封性不合格的套管。

2.2 管外封隔器

使用管外封隔器，可进一步增强环空密封能力。将管外封隔器连接在套管柱上，通过液压膨胀坐封，使套管与裸眼环空形成永久性桥堵，有效封隔层间窜流，也可防止钻井液或水泥浆漏失。管外封隔器坐封位置选择在井径规则、井壁稳定的盖层段。相储8 井φ244.5 mm 尾管固井施工使用贝克管外封隔器ECP-Packer，坐封井段2 348.99～2 353.04 m，封隔主要产层石炭系，防止后期气体泄漏。

3 水泥浆体系优化

水泥石的力学性能是实现水泥环长期密封完整性的决定性因素。相国寺储气库注采井的技术套管、油层套管均使用韧性水泥浆体系。韧性水泥浆在同等应力状态下的变形能力大于普通油井水泥，主要力学特征表现为弹性模量明显低于普通油井水泥，而抗压强度、抗拉强度变化不大［12-14］。相国寺储气库固井韧性水泥浆体系需满足的力学性能指标如表1所示。

表1 储气库韧性水泥浆体系力学性能指标

从斯伦贝谢FlexStone 水泥浆和川庆井下柔性自应力水泥浆7 d 试验数据（见表2）可以看出，FlexStone水泥浆和柔性自应力水泥浆的弹性模量均明显低于普通油井水泥，而抗压强度、抗拉强度均满足储气库注采井韧性水泥浆体系的力学性能指标。

表2 FlexStone 水泥浆与柔性自应力水泥浆力学性能

当管柱试压28 MPa 时，普通水泥石的最大周向应力达4.277 MPa，远超过其抗拉强度，而FlexStone 弹性水泥和柔性自应力水泥石由于具备较低的弹性模量，周向应力均低于其抗拉强度，不会发生破坏。因此，相储8 井φ244.5 mm 尾管固井使用了斯伦贝谢FlexStone公司的弹性水泥浆体系。

4 现场应用效果

相国寺储气库完钻井的固井质量统计见表3。

表3 相国寺储气库完钻井固井质量统计

以相储8 井为例，该井三开钻至2 580 m 完钻，进入石炭系3 m，完钻井斜角为64.3°。φ244.5 mm 尾管固井施工过程中未发生漏失，上水泥塞面深度1 248.39 m，水泥浆返深符合设计要求。CBL 电测显示水泥胶结合格率达到93.1%，固井质量优［15］。电测后井筒内替换成清水并试压28 MPa，截至目前未发生井口带压或气窜现象。

5 结束语

地层动态承压试验技术、提高顶替效率技术、预应力固井技术以及韧性水泥浆体系的使用，极大地提高了水泥环的长期密封完整性。气密封性检测技术与管外封隔器的使用，确保了入井套管串的长期密封完整性。综合运用上述技术，能够保证相国寺储气库注采井的井筒长期注采密封性，满足相国寺储气库注采井固井的需求。

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