固井水泥漿的性能優(yōu)化研究

謝小波 董廣河 于 超 余 捷

（中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司 天津 300457）

引言

現(xiàn)在，伴隨著勘探和開發(fā)難度的增加，對油氣儲層保護(hù)的研究更加重視起來。固井[1-2]作業(yè)作為其中重要環(huán)節(jié)之一，當(dāng)然不能例外。就固井作業(yè)本身而言，它對油氣儲層的破壞主要體現(xiàn)在控制水泥漿失水量、防止油氣水竄和保證封固質(zhì)量這三個方面。事實上，水泥漿性能[3]是決定固井作業(yè)對油氣儲層破壞程度的關(guān)鍵因素。所以，對于水泥漿性能的研究就顯尤為重要。

1 固井水泥漿的優(yōu)選

根據(jù)井眼條件的特殊要求，選擇固井水泥漿時應(yīng)該考慮到諸多因素。在很多情況下油氣井不能簡單的根據(jù)地層破裂壓力和孔隙壓力來作為選擇水泥漿密度[4]的標(biāo)準(zhǔn)。通常用混配高密度水泥漿的方式使水泥漿在較短時間內(nèi)達(dá)到一定的抗壓強(qiáng)度。但往往從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，有時就采用低密度充填水泥漿，通過降低水泥的某些機(jī)械性能以獲得較高造漿率。

對于流過產(chǎn)層的水泥漿及在環(huán)空間隙較窄的情況下使用水泥應(yīng)考慮使用降失水劑。這些添加劑可降低水泥漿內(nèi)液相的濾失強(qiáng)度。水泥漿濾失量過高對水泥漿性能會產(chǎn)生嚴(yán)重影響，特別是對黏度影響很大和對產(chǎn)層造成損害。從水泥漿設(shè)計和水泥漿性能角度上看，有充分理由說明應(yīng)特別注意降失水劑的配制。首先，許多降失水劑都有增粘作用，所以必須加入分散劑以保證水泥漿的配制性；其次還要考慮到這類添加劑有降低水泥漿粘度作用；最后，還要考慮有些糖類緩凝劑對水泥漿性能造成的影響。

如果在水泥漿中不加入降濾失劑，通常也會加入一些分散劑來降低水泥漿的粘度，從而降低形成環(huán)空紊流頂替所需的泥漿泵速并降低頂替壓力。這樣就有利于提高頂替效率。對于環(huán)空間隙窄小、摩阻壓降較高有可能壓裂薄弱地層的情況更有必要混入分散劑。在加分散劑時，應(yīng)特別注意到對水泥漿其他性能的影響，因為分散劑與水泥漿中加入的緩凝劑共同作用，會增加水泥漿稠化時間。加入過量分散劑會使水泥漿性能不穩(wěn)定、產(chǎn)生大量的自由水形成沉淀。

如果對失水不加以控制，將會產(chǎn)生一系列嚴(yán)重后果，導(dǎo)致施工失敗并且損害地層。隨著水泥漿密度的逐漸增大，水相體積逐漸的減少，從而使水泥漿的性能偏離原始設(shè)計。如果過多的失水進(jìn)入地層、水泥漿會變得無法泵送。

總的來說，在優(yōu)選水泥漿時應(yīng)盡量使用低失水量、稠化時間適當(dāng)和密度合適的水泥漿。

2 水泥漿密度

為了達(dá)到最適合頂替的條件，希望把泥漿密度降到井下安全允許的最低限度—降低水泥漿密度。可以減少固井靜水液柱壓力，防治壓裂減弱膠結(jié)地層造成井漏，并且還可以減少固井的注水泥次數(shù)，這個時候可以加入水泥填充劑（粘土、硅酸鈉、火山灰、低密度顆粒材料）。為實現(xiàn)平衡固井、保護(hù)產(chǎn)層或控制高壓層，要求改變水泥漿密度。如果固井段遇見異常高壓或低壓易漏地層，需大幅度調(diào)整水泥漿密度時，一般加入加重劑（重晶石粉、鈦鐵礦粉、方鉛石粉）或減輕劑（硅藻土、粉煤灰、硬瀝青、膨脹珍珠巖）。為了更好的控制水泥漿的密度，最好是采用分批混配技術(shù)。水泥漿的密度通常要控制在1.87g/cm3到2.10 g/cm3之間，以保證教高的抗壓強(qiáng)度。

2.1 低密度水泥漿性能

（1）針對低密度水泥漿進(jìn)行了油氣層傷害評價分析，并且與硅藻土低密度水泥漿和常規(guī)密度水泥漿也進(jìn)行了對比，對比分析結(jié)果顯示它們的滲透率恢復(fù)值都非常接近，大多都在50%左右。

（2）水泥漿穩(wěn)定性是采用沉降穩(wěn)定性實驗分析評價出來的水泥漿的穩(wěn)定性。當(dāng)密度為1.30g／cm3的水泥漿時,水泥漿上下密度差僅為0.035g／cm3，表明該水泥漿沉降穩(wěn)定性相對較好。當(dāng)水泥漿的上下密度差小于0.05g／cm3時，水泥漿具有相對良好的穩(wěn)定性。

2.2 高密度水泥漿

（1）保證高密度水泥漿良好綜合性能的前提是合理的鐵礦粉的粒度分布。對于粗細(xì)搭配組成的鐵礦料才能獲得性能相對較好的高密度的水泥漿。

（2）在加入了加重料的水泥漿中，由于加重料的密度和水泥的密度相差較大，漿體極易沉降，所以不穩(wěn)定。高密度水泥漿在保持必要的流動性的前提下，盡量要控制水泥漿的沉降穩(wěn)定性，常規(guī)的水泥漿穩(wěn)定性允許密度相差0.05 g／cm3，在室內(nèi)做了大量的實驗,優(yōu)選和評價水泥漿的配方，得到高密度水泥漿穩(wěn)定性密度相差為0.02 g／cm3，在經(jīng)過多次的室內(nèi)試驗，最終調(diào)試出兩套性能相對較好的的水泥漿配方（見表1）。

2.3 有關(guān)計算

（1）水泥漿密度計算公式：

表1 水泥漿配方

算例：50Kg+23dm3水，求水泥漿密度。

（2）1M3水泥漿需用水泥量計算公式：

式中：

Q——需用水泥質(zhì)量，t

γ干——水泥密度，kg/l

γ水——配漿水密度，kg/l(淡水1.0，海水1.0197 1.02)

（3）1M3水泥漿的水泥袋數(shù)（每袋50kg）為：

袋數(shù)=29.3（γ 水泥漿-1.0）

（4）每袋水泥用水量V2

（5）已知水灰比M，水泥漿密度為：

（6）知水灰比M，1M3水泥漿用水量為：

（7）加重劑用量計算：

由原水泥漿密度γ提至γ1，1M3水泥漿需用加重劑量為：

式中：

Q重——加重劑用量，t

γ重——加重劑密度，Kg/L

（8）水灰比的計算：W/C

正常的水灰比應(yīng)符合API規(guī)定要求。最佳加水量應(yīng)該是，從配漿開始，在20分鐘內(nèi)稠度不大與10BC（現(xiàn)場規(guī)定流動度在20-16間），而析水率小于3%。

3 水泥漿用量

適當(dāng)?shù)乃酀{量取決于擠水泥的井段的長度和使用的擠水泥技術(shù)。低壓擠水泥只需要在每個射孔道內(nèi)足以形成水泥餅的數(shù)量。附加的水泥漿量可根據(jù)該地區(qū)的統(tǒng)計資料來確定。但必須牢記，施工中附加的水泥量對于擠水泥地層的產(chǎn)油能力是有害的。

在高壓擠水泥中，由于地層破裂，需要較多的水泥漿。所需的水泥漿量發(fā)生裂縫的寬度和深度的函數(shù)。在一些連續(xù)擠水泥量施工中，產(chǎn)生的裂縫過大，一次擠水泥漿會很多。從而導(dǎo)致擠水泥可以使水泥漿減至最少，并保持注入壓力低于裂縫的擴(kuò)散壓力。如果以高壓大排量擠水泥，裂縫將隨之?dāng)U大，從而導(dǎo)致大量的水泥漿擠入地層。

在施工期間，必須控制靜液壓力和地面壓力。在頂替期間較高的水泥液柱可能導(dǎo)致低壓或枯歇地層的破裂。當(dāng)由于自然裂縫的存在而需要大量的水泥漿時，推薦使用低密度水泥。

4 有關(guān)計算

（1）水泥漿量的計算公式：

1M3水泥漿需用水泥量計算公式：

式中：

Q——需用水泥重量，t

γ1——水泥密度，kg/l

（2）水泥量的計算

水泥漿總量

式中：

V1——注入水泥漿總量，L

V2——環(huán)空水泥漿量，L

V3——管內(nèi)水泥塞用量，L

環(huán)空水泥漿V2

方法一，用兩層套管之間的環(huán)形容積計算公式：

V2=0.785(D2-d2)H

式中：

D——外層套管內(nèi)徑，cm

d——內(nèi)層套管內(nèi)徑，cm

H——水泥環(huán)長度，m

方法二，按裸眼段平均井徑D的計算公式：

V2=0.785(D2-d2)H*K

式中：

V2——裸眼段環(huán)空水泥漿容積

D——裸眼段的平均平徑

d——套管外徑

K——水泥容積附加系數(shù)，一般去1.1 1.4

方法三，考慮井徑擴(kuò)大后的計算公式：

式中：

K1-----擴(kuò)大系數(shù)

D-----井眼直徑，CM

管內(nèi)水泥量計算

vc2=0.7854di2*h

式中：

vc2---管內(nèi)水泥塞的容積，L

di----套管內(nèi)徑，CM

h-----水泥塞長度，M

（3）水泥量計算

式中：

Q——水泥袋數(shù)

V——總水泥漿量，L

q——每袋水泥配成水泥漿后的容積

井場水泥準(zhǔn)備量應(yīng)在Q值上再附加（1.05 1.1）

（4）配漿用水量：

式中：

V1——理論用水量

Q——總水泥量

M——水灰比

（5）外加劑用量計算：

采取加入配漿水中的方式時，應(yīng)按鏡場儲備水量V作計算依據(jù)，公式：

式中：

Q——加入總水量V中的外加劑，kg

Z——外加劑加入水泥中的重量百分比

M——水灰比

結(jié)語

（1）水泥漿體系析水接近零或為零析水量小于50m1/30min，有利于提高固井質(zhì)量。（2）采用配方要求體系穩(wěn)定，稠化時間適當(dāng),現(xiàn)場便于施工。（3）施工要連續(xù)，水泥漿密度在設(shè)計范圍內(nèi)要求基本均勻。（4）建議為了提高固井質(zhì)量可進(jìn)行活動套管和旋轉(zhuǎn)套管的實踐，以便提高頂替效率，進(jìn)一步提高井的封固質(zhì)量。

[1]rik B.Nelsn.現(xiàn)代固井技術(shù).遼寧科學(xué)技術(shù)出版社出版,1994.

[2]徐惠峰.鉆井技術(shù)手冊（固井）.石油工業(yè)出版社,1990.

[3]馬海忠.水平井固井泥漿技術(shù).鉆采工藝研究,1996.

[4]王成文.復(fù)雜井固井低密度水泥漿體系研究,2004.