固井防竄水泥漿體系在丘東氣田的研究與應(yīng)用

陳新忠　樊文俊

摘 要 氣竄是丘東氣井田井存在的一大技術(shù)難題，具有低壓、低滲、個(gè)別井段易漏和固井后易氣竄的明顯特點(diǎn)。為此開發(fā)了淺層氣井固井防竄水泥漿，該水泥漿具有流動(dòng)性好、失水量低、稠化時(shí)間合適、過(guò)渡時(shí)間短和早期強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。針對(duì)水泥漿性能影響固井質(zhì)量的原因分析，通過(guò)水泥漿體系和水泥石的室內(nèi)試驗(yàn)與評(píng)價(jià)，優(yōu)選出適合本區(qū)塊的水泥漿體系，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果比較理想。

關(guān)鍵詞 低壓低滲 防竄水泥漿 室內(nèi)評(píng)價(jià) 固井質(zhì)量

由于調(diào)整井長(zhǎng)期受開發(fā)注水的影響，地下情況越來(lái)越復(fù)雜，在同一地層剖面上，地層存在很大的壓力差異，并存著高壓、常壓、低壓的多壓力系統(tǒng)，固井溢漏、氣竄情況時(shí)有發(fā)生。雖然采取了多種配套工藝技術(shù)取得了一定成效，但也不盡如人意，試油竄流現(xiàn)象依然存在，給采油的穩(wěn)產(chǎn)和增產(chǎn)措施帶來(lái)不利影響，考慮防止溢漏的發(fā)生，從水泥漿的體系和密度著手，開展能使溢漏相互遏制達(dá)到平衡的水泥漿密度，同時(shí)又具有防竄功效的水泥漿研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

一、氣竄原理的分析

固井界默認(rèn)的氣侵原理：當(dāng)水泥漿從液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)，由膠凝強(qiáng)度的發(fā)展引起的。因此，水泥漿失去傳遞液柱壓力的能力時(shí)，氣侵就發(fā)生了。其他的氣侵原理如：水泥漿失水量大、橋堵、滲透性大、環(huán)空微間隙等引起的。依據(jù)氣竄的途徑不同研制出了各種不同的防氣竄的方法。但是，現(xiàn)場(chǎng)固井中綜合運(yùn)用這些方法可以有效地控制氣竄的發(fā)生。在選擇防氣竄的方法時(shí)，需要綜合考慮地層壓力，滲透率，氣體上竄速度，井底溫度，井深結(jié)構(gòu)，井斜，水泥柱高度、地層破裂壓力。固井施工中的很多參數(shù)和水泥漿密度一樣能夠引起液柱壓力失穩(wěn)現(xiàn)象。性能較差的泥漿和水泥漿使氣體很容侵入到環(huán)空中。水泥漿過(guò)早膠凝導(dǎo)致不能傳遞液柱壓力，同時(shí)水泥漿的失水量大也為氣體竄入水泥漿提供了機(jī)會(huì)。水泥漿滲透率高引起封隔質(zhì)量差，防氣竄能力差。水泥石收縮率高則導(dǎo)致水泥環(huán)孔隙率增加及環(huán)空微間隙增加，固井失敗導(dǎo)致氣體對(duì)水泥環(huán)的破壞，水泥膠結(jié)強(qiáng)度差引起第一、二界面膠結(jié)質(zhì)量差。

二、氣竄發(fā)生的主要原因分析

在水泥漿由液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)期，氣侵是非常普遍的現(xiàn)象。過(guò)渡時(shí)間是水泥漿從可泵狀態(tài)發(fā)展到固態(tài)之間的時(shí)間。過(guò)渡時(shí)間的另一個(gè)定義是利用靜膠凝強(qiáng)度定義的。膠凝強(qiáng)度基于漿體的抗剪能力，測(cè)量凝膠的形成和保留凝膠的能力。流體的膠凝強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度決定其懸浮固體顆粒的能力，所以，定義過(guò)渡時(shí)間必須測(cè)量水泥漿的靜膠凝強(qiáng)度從100lbf/100sq.ft（48Pa）增加到500lbf/100sq.ft（240Pa）的時(shí)間。這已經(jīng)成為石油工業(yè)默認(rèn)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。一旦水泥漿的靜膠凝強(qiáng)度到達(dá)500lbf/100sq.ft（240Pa），氣體或其他流體就不能通過(guò)它而滲透。水泥漿靜膠凝強(qiáng)度達(dá)到最佳值500lbf/100sq.ft越快，氣體透過(guò)漿體發(fā)生氣竄的可能性越小。當(dāng)膠凝強(qiáng)度達(dá)到250-500lbf/100sq.ft范圍內(nèi)，足夠防止氣體滲透漿體發(fā)生氣侵。防止氣體侵入水泥柱的主要因素是水泥柱和泥漿柱壓力之和。只有這個(gè)壓力大于地層氣體壓力時(shí)便不會(huì)發(fā)生氣侵，但是這個(gè)壓力不能超過(guò)地層破裂壓力。在過(guò)渡時(shí)間內(nèi)有兩個(gè)因素影響水泥漿中水分的減少。一是水泥漿水化消耗部分水分，二是水分以失水的形式滲入到地層中，造成水泥柱中水分的減少。第一個(gè)因素是很難控制的，只有從第二個(gè)因素著手控制水分的減少。所以失水量小的水泥漿有助于防止氣竄。普遍認(rèn)為水泥漿API失水量小于50 ml/30min是足夠防止氣竄的。而且水分的減少使水泥水化物的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)變得脆弱而增加孔隙率。水化一旦結(jié)束，水泥漿就變成不能滲透的固體。此時(shí)，氣竄的唯一途徑是沿著水泥與地層或者水泥與套管的界面進(jìn)行。

三、防竄水泥漿體系的配方研究

水泥漿體系是現(xiàn)場(chǎng)固井質(zhì)量?jī)?yōu)劣的最主要保障，優(yōu)選水泥漿體系時(shí)除了考慮的本身的性性能外，還要考慮現(xiàn)場(chǎng)施工條件及目的層的物性狀況，只有進(jìn)行綜合考慮，室內(nèi)研制出的水泥漿體系才能真正符合現(xiàn)場(chǎng)施工要求。目前在國(guó)內(nèi)低密度水泥漿中所應(yīng)用的減輕劑主要有：鉆井液用膨潤(rùn)土、膨脹珍珠巖、水玻璃、微硅、粉煤灰、漂珠等，其中前四種均是以增大水灰比的形式來(lái)降低水泥漿體系的密度，這樣所形成的水泥漿體系有一定的缺點(diǎn)。如在吐哈油田丘東區(qū)塊使用，由于低密度水泥石強(qiáng)度發(fā)展緩慢、且強(qiáng)度偏低，達(dá)不到封隔地層、支撐套管的要求通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，研究出以BCT-800L、KQ-B為主劑防氣侵水泥漿配方和低密度水泥漿配方，見表1、表2。

四、防竄水泥漿性能評(píng)價(jià)

1.水泥漿流變性能評(píng)價(jià)，見表3。

從表中可以看出，優(yōu)選出的水泥漿的稠化過(guò)渡時(shí)間基本上都在18 min左右，屬于直角稠化，失水、析水控制得相當(dāng)好，有利于防氣竄，同時(shí)這兩種水泥漿體系具有低磨阻、低的紊流臨界排量，現(xiàn)場(chǎng)很容易實(shí)現(xiàn)紊流頂替。

2.水泥漿防氣竄性能評(píng)價(jià)。用水泥漿性能系數(shù)（SPN）評(píng)價(jià)水泥漿防竄性能：

SPN=

0≤SPN≤3防氣竄效果好；3

從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，水泥漿性能系數(shù)SPN < 3，因此防氣竄效果好。

式中：B：水泥漿30 min，失水量mL。

√t100BC：水泥漿稠度100BC，時(shí)間min。√t30BC：水泥漿稠度30BC時(shí)間min。

3.水泥石性能評(píng)價(jià)。水泥石的彈性模量的測(cè)定。彈性模量是材料剛性的量度，彈性模量越大，說(shuō)明在相同外力作用下，其變形越差，越易脆裂。彈性模量的測(cè)定結(jié)果，見表5。

由表可以看出，隨著KQ-B、BCT-800L的加入，顯著改善了水泥石的可變形能力，其彈性模量較原水泥漿下降了17.2%、36.1%。

4.水泥漿體系的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況。（1）丘東41井一次上返固井施工（2011.8.25完鉆井深：3477 m）。①水泥漿體系（BCT-800L）大樣室內(nèi)復(fù)核試驗(yàn)。低密度水泥漿：密度1.40 g/cm3，失水37 ml，析水0.2 mL，稠化時(shí)間225 min，過(guò)渡時(shí)間19 min。常規(guī)密度水泥漿：密度1.89 g/cm3，失水34 mL，析水0.0 ml，稠化時(shí)間142 min，過(guò)渡時(shí)間16 min。②現(xiàn)場(chǎng)施工及固井質(zhì)量評(píng)價(jià)：注前置液8 m3，注低密度水泥漿30 m3，平均密度為1.40g/cm3；注領(lǐng)漿5 m3，平均密度1.72 g/cm3；注尾漿30 m3，平均密度1.90 g/cm3；注壓塞液1.5m3；泥漿泵頂替（排量2.4 m3/min）36 m3，頂替泵壓16 MPa，加上井內(nèi)液柱壓力達(dá)到破裂壓力的95%，改用水泥車頂替（排量0.5 m3/min），總替量34.3 m3；碰壓20 MPa。侯凝48 h后測(cè)固井質(zhì)量?jī)?yōu)質(zhì)。（2）丘東47井現(xiàn)場(chǎng)施工（2011.9.30 完鉆井深：3532 m）。①水泥漿體系（KQ-B）大樣室內(nèi)復(fù)核試驗(yàn)。低密度水泥漿：密度1.42 g/cm3，失水44 mL， 游離水0 mL，稠化時(shí)間220 min，過(guò)渡時(shí)間20 min。常規(guī)密度水泥漿：密度1.90 g/cm3，失水46 ml，游離水0 ml，稠化時(shí)間123 min，過(guò)渡時(shí)間18 min。②現(xiàn)場(chǎng)施工及固井質(zhì)量評(píng)價(jià)。前置液10 m3，注低密度水泥36 m3，平均密度1.42 g/cm3；注領(lǐng)漿5 m3，平均密度1.70 g/cm3；注尾漿25 m3，平均密度1.90 g/cm3；注壓塞液1.5 m3；泥漿泵頂替（排量2.4 m3/min）36.0 m3，頂替泵壓14 MPa，加上井內(nèi)液柱壓力達(dá)到破裂壓力的95%，改用水泥車頂替（排量0.5 m3/min）；碰壓17 MPa。侯凝48 h后測(cè)固井質(zhì)量?jī)?yōu)質(zhì)。（3）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。該防氣竄水泥漿在丘東區(qū)塊進(jìn)行了 20余口井的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，取得了良好的使用效果。該區(qū)油藏埋藏淺，地層壓力低，首先調(diào)整鉆井液性能，下套管前認(rèn)真通井洗井，保證井眼干凈，井下通暢。提高套管居中度，以提高頂替效率，降低泵送阻力，形成均勻的水泥環(huán)。使用高效沖洗液和前置液，提高水泥漿頂替率和膠結(jié)性能。丘東區(qū)塊完成了 20余口天然氣井，固井質(zhì)量合格率為 100%，，優(yōu)質(zhì)率達(dá)到80%以上。

五、結(jié)論

優(yōu)選水泥漿體系時(shí)，除了考慮本身的性能外，還要考慮現(xiàn)場(chǎng)施工條件及目的層的物性狀況，在達(dá)到低速紊流的同時(shí)其防氣竄效果比較好。通過(guò)水泥漿防竄性能的室內(nèi)評(píng)價(jià)，對(duì)優(yōu)選水泥漿體系具有指導(dǎo)作用。同時(shí)結(jié)果也表明，控制好失水量和過(guò)渡時(shí)間有助于防止氣竄水泥漿體系凝固后的水泥石，能滿足開發(fā)和后續(xù)工程的需要。

參考文獻(xiàn)

[1]劉崇建，謝應(yīng)權(quán)，郭小陽(yáng)，等.水泥漿凝結(jié)過(guò)程的氣竄問題[J].西南石油學(xué)院學(xué)報(bào)，1998，20（4）：47-52.

[2]劉乃震.水泥漿防氣竄性能設(shè)計(jì)及合理的漿體組成研究[J].天然氣工業(yè)，2002，22（3）：49-51.

[3]王祥林，黃義，牛麗君，等.固井工程中的抗竄研究[J].石油學(xué)報(bào)，1999，20（4）：88-92.