1高温高压天然气井固井水泥浆防气窜技术研究新进展-郭小阳

西南石油大学SouthwestPetroleumUniversity高温高压天然气井固井水泥浆防气窜技术研究新进展郭小阳教授团队Prof.GuoXiaoyang李早元、马勇、刘洋、李进西南石油大学油气藏地质及开发国家重点实验室SWPUStateKeyLaboratoryofOilandGasReservoirGeologyandExploitation2014.11.272014年全国固井技术研讨会（江苏·无锡）西南石油大学SouthwestPetroleumUniversity高温高压天然气井固井水泥浆防气窜技术研究新进展目录1我国天然气资源概况2高温高压天然气井防窜难点分析5固井水泥浆防气窜技术未来研究方向及建议4郭小阳教授团队近年研究新进展3水泥浆防气窜技术研究现状西南石油大学SouthwestPetroleumUniversityPart1我国天然气资源概况西南石油大学SouthwestPetroleumUniversity我国天然气资源概况世界能源格局无论是过去、现在、还是未来，天然气资源在世界能源格局中始终占据着举足轻重的地位！/2014年全国固井技术研讨会（江苏·无锡）3据国际能源机构预测，随着世界经济的持续增长，未来20年世界石油和天然气的需求持续增长，2030年油气比重将占一次能源需求29.8%和21.2%，仍占半壁江山。世界能源消费构成其他核能水电煤天然气石油世界能源需求预测资料来源：国际能源机构《世界能源展望2009》西南石油大学SouthwestPetroleumUniversity据全国油气资源第三轮评估：中国陆地和近海海域115个含油气盆地常规天然气远景资源量56万亿立方米，可采资源量22万亿立方米，主要分布在塔里木、鄂尔多斯、四川、东海等9个含油气盆地，9个盆地天然气可采资源量18.43万亿立方米，占全国总量的83.7%。我国天然气资源概况我国天然气资源丰富中国天然气资源分布图盆地名称远景资源量地质资源量可采资源量主要盆地塔里木11.348.865.86鄂尔多斯10.704.672.90四川7.195.373.42东海5.103.642.48柴达木2.631.600.86松辽1.801.400.76莺歌海2.281.310.81琼东南1.891.110.72渤海湾2.161.090.62合计45.0929.0518.43其他盆地（合计）10.805.983.60全国55.8935.0322.03中国天然气资源分布/单位：万亿立方米数据来源：国土资源部/2014年全国固井技术研讨会（江苏·无锡）4西南石油大学SouthwestPetroleumUniversity我国天然气资源概况中国非常规天然气资源丰富近年来，包括页岩气、煤层气在内的非常规天然气资源，作为一种低碳、绿色、低污染的清洁环保能源，已成为当今能源发展的重要方向。在全球范围内，非常规天然气资源丰富，开发利用技术日趋成熟，是常规天然气最现实的接替资源，在世界能源结构中扮演着重要的角色。中国非常规天然气资源十分丰富，有着巨大的发展潜力。数据来源：中国石油天然气集团公司全球非常规天然气与常规油气资源比例中国非常规天然气资源量与常规天然气资源量对比单位：1012m3/2014年全国固井技术研讨会（江苏·无锡）5西南石油大学SouthwestPetroleumUniversity我国天然气资源概况中国非常规天然气资源丰富我国非常规天然气资源中，近来以页岩气勘探与开发最为火热。中石油、中石化已在四川长宁-威远区块、重庆涪陵等地形成了多个页岩气勘探与开发示范基地。除页岩气外，非常规天然气资源还包括煤层气、天然气水合物、致密气、水溶气、浅层生物气等多种能源形式。中国主要盆地页岩气资源分布/2014年全国固井技术研讨会（江苏·无锡）6图片来源：互联网西南石油大学SouthwestPetroleumUniversityPart2高温高压天然气井固井防气窜难点分析西南石油大学SouthwestPetroleumUniversity高温高压天然气井防气窜难点分析中国天然气资源以深层天然气分布为主按深度范围，天然气可分为浅层、中深层、深层至超深层天然气，随着勘探开发范围的扩大和技术的进步，埋深超过3500m的深层天然气或深层页岩气已经逐渐成为天然气勘探开发的重要目标之一，其资源量为21.66×1012m3，占全国天然气总资源量57.3%。中国陆上天然气资源与埋深关系表/单位：1012m3地区埋深小于2000m埋深2000~3500m埋深3500~4500m埋深大于4500m资源量百分比资源量百分比资源量百分比资源量百分比东部区1.1226.1%2.3655.0%0.7417.3%0.071.6%中部区5.2345.3%5.0343.6%1.2811.1%西北区0.65.6%2.0318.8%3.0328.2%5.1147.4%南方区0.8927.1%0.5516.7%0.927.3%0.9528.9%合计2.618.7%10.1734.0%9.732.5%7.4124.8%中国深层天然气资源分布以松辽盆地、渤海湾盆地、鄂尔多斯盆地、四川盆地、塔里木盆地、吐哈盆地、柴达木盆地、南方地区及近海海域等为主！数据来源：中国石油天然气集团公司/2014年全国固井技术研讨会（江苏·无锡）8西南石油大学SouthwestPetroleumUniversity高温高压天然气井防气窜难点分析HTHP天然气井固井防气窜难点剖析以塔里木盆地、川渝盆地、松辽盆地及南海莺-琼等典型深井、超深井区块为例分析国内高温高压天然气井固井工艺技术难点。分析可知，环空气窜是国内几乎所有高温高压天然气井固井均存在的潜在风险，无论是陆上还是海上，防止深井复杂工况下的气窜是一个永恒的研究课题。固井工艺技术难点-高温高压工况、多套压力系统共存、环空气窜风险高-封固段长，顶底部温差大-地层层压能力低、易发生井漏-环空间隙小，套管居中困难，顶替效率低-裸眼封固段长、温差大-小间隙工况突出，套管居中困难-高含CO2、H2S等酸性腐蚀气体-低压易漏、裂缝性漏失，压稳与防漏突出-井底高温高压，环空气窜风险大井底高温高压，防气窜难度高-高密度固井、平衡压力固井困难-高温对体系及外加剂耐温性要求高-压力窗口窄、固井容易井漏-地温梯度高，浆体性能要求高、易气窜-地层气体含有酸性腐蚀气体（CO2）-多压力层系、裂缝发育、易发生井漏-井深、封固段长、上下温差大-/2014年全国固井技术研讨会（江苏·无锡）9西南石油大学SouthwestPetroleumUniversityPart3国内外水泥浆防气窜技术研究现状西南石油大学SouthwestPetroleumUniversity国内外研究现状气窜现象及危害环空气窜是几乎所有天然气井固井都存在的一个潜在问题，轻则导致井口环空带压，重则发生不可控井喷事故，严重影响油气井的固井质量和安全。60年代早期，首次在美国储气库中发现气窜现象（StoneandChristian1974）。气窜也称为气体连通或气体泄漏（Carter等，1970年）、环空气体流动（Garcia和Clark，1976年）、气窜（Parcevaux等，1983年）、固井后流动（Webster和Eikerts，1979年）或气体侵入（Bannister等，1983年），是由于固井后环形空间有效液柱压力低于气层压力，造成气体侵入并沿环空向井口运移的现象。环空气窜危害严重/2014年全国固井技术研讨会（江苏·无锡）11图片来源：斯伦贝谢西南石油大学SouthwestPetroleumUniversity国内外研究现状气窜现象及危害/2015年井下作业公司固井技术交流（河南·郑州）1华北分公司工程技术研究院Engineering&TechnologyResearchInstituteofHuabeiBranch西南石油大学SouthwestPetroleumUniversity国内外研究现状气窜现象及危害构造井号井别井口带压情况罗家寨罗家17开发井244.5mm与339.7mm套管环间压力0.26MPa滚子坪罗家5-X1开发井177.8mm与244.5mm套管环间压力15MPa罗家9-X1开发井177.8mm与244.5mm套管环间压力12MPa七里北七北101评价井244.5mm与339.7mm套管环间压力1.2MPa铁山坡坡1预探井244.5mm与339.7mm套管环间压力2.2MPa。坡1-X1开发井177.8mm与244.5mm套管环间压力4.5MPa坡1-X2开发井177.8mm与244.5mm套管环间压力20MPa坡2-X1开发井244.5mm与339.7mm套管环间压力2.2MPa渡口河渡2预探井177.8mm与244.5mm套管环间压力2.0MPa渡3预探井244.5mm与339.7mm套管环间压力1MPa高峰场峰4预探井封隔器窜漏，环空压力32.973MPa双家坝七里51开发井177.8mm与244.5mm套管环间压力3.2MPa高桥七里14预探井油、套环空压力2.4MPa国内各油田也存在天然气井固井后数天、几个月之后即发生悬挂器喇叭口冒气、套管带压等现象，这种重大安全隐患，严重影响油气井开采寿命，对我国天然气的勘探开发极为不利。川渝地区多口井电测结果表明固井质量良好，但是固井后一段时间9⅝″技术套管和7″套管环间带压，如右表。其中以四川龙岗、龙王庙等地区最为突出，表现为深井、高温高压工况、高含酸性腐蚀气体。/2014年全国固井技术研讨会（江苏·无锡）13数据来源：中国石油天然气集团公司西南石油大学SouthwestPetroleumUniversity国内外研究现状气窜现象及危害塔里木克拉、迪拉、牙哈、英买力等气田多口天然气井均在固井后出现了技术套管和生产套管环间带压，克拉、迪拉部分井生产套管带压高达30MPa以上。克拉2-10井Φ250.8mm技术套管固井设计达到要求，但投产后套压达到了53.8MPa；迪那2气田属于高温超高压气田，2008年迪那2-8井出现环空异常高压，此后迪那2-6井和迪那2-4井也相继出现了同一现象，2009年底统计有8口井先后出现了不同程度的环空带压问题，对气井安全生产造成隐患。塔木里部分气田技术套管及生产套管带压情况/2014年全国固井技术研讨会（江苏·无锡）14数据来源：中石油塔里木油田公司西南石油大学SouthwestPetroleumUniversity国内外研究现状气窜现象及危害由国内外环空带压资料的统计可知：国外以美国墨西哥湾、加拿大阿尔伯塔为例；国内以川渝地区、塔里木油田深井、超深井、高含酸性腐蚀气体的高温高压天然气井为例，固井环空气窜现象普遍存在，并且危害十分严重！海上油气井若发生环空气窜，所带来的危害更大。“油腻”的海洋冰火两重天环境污染？施工安全？能源浪费？油井寿命？/2014年全国固井技术研讨会（江苏·无锡）15图片来源：互联网西南石油大学SouthwestPetroleumUniversity国内外研究现状环空气窜途径为防止气窜与井口带压（SCP）现象发生，提高固井质量，国内外学者针对气窜现象产生机理、评价方法、防窜水泥浆体系开发等开展了大量基础与应用研究。国外以哈里伯顿、斯伦贝谢服务公司Sutton、Sabins、Ravi、Cater等学者为代表，国内以刘崇建、郭小阳、石国栋、黄柏宗、朱海金、丁仕东、周仕明、罗宇维、徐壁华等学者为代表。总结这些研究，形成环空气窜的途径主要有：水泥石粉化与解体界面微环隙通道水泥环本体变形与开裂形成通道弱凝结水泥体水泥石结构缺陷胶凝态水泥浆胶凝态水泥浆本体防气水置换能力差载荷变化使金属与非金属材料变形不协调体系聚结稳定性不良与顶替窜槽混浆凝固水泥石宏观体积收缩与泥饼脱水水泥环抗腐蚀性能差气窜途径实质原因气窜分类固井初期气窜（初凝前的气窜）固井后期气窜（凝结成水泥石后的失效气窜）水泥凝结过程中的气窜（水泥凝结、硬化阶段的气窜）水泥石组分体积收缩率差异与永久性通道/2014年全国固井技术研讨会