水泥漿防氣竄性能評(píng)價(jià)新方法

摘 要

摘要：目前固井行業(yè)缺乏可結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行水泥漿防氣竄性能的評(píng)價(jià)方法，導(dǎo)致在單井設(shè)計(jì)中水泥漿的防氣竄性能難以把握。通過規(guī)范水泥漿靜膠凝強(qiáng)度的試驗(yàn)分析，提出將環(huán)空水泥漿柱
摘要：目前固井行業(yè)缺乏可結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行水泥漿防氣竄性能的評(píng)價(jià)方法，導(dǎo)致在單井設(shè)計(jì)中水泥漿的防氣竄性能難以把握。通過規(guī)范水泥漿靜膠凝強(qiáng)度的試驗(yàn)分析，提出將環(huán)空水泥漿柱視為由多段長(zhǎng)度為30.48m的水泥漿柱組成，考察最接近氣層水泥漿柱能否抵抗氣侵從而延紳至井口的整個(gè)水泥漿柱的環(huán)空水泥漿防氣竄性能的評(píng)價(jià)新方法。使用該方法對(duì)固井水泥漿配方進(jìn)行了研究，并結(jié)合氣田的現(xiàn)場(chǎng)尾管固井實(shí)例對(duì)所選水泥漿配方進(jìn)行了評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，在水泥漿的防氣竄設(shè)計(jì)中僅強(qiáng)調(diào)控制水泥漿失水或縮短水泥漿候凝期間的過渡時(shí)間是不夠的，必須提高水泥漿在候凝期間的內(nèi)部結(jié)構(gòu)阻力或降低水泥漿在候凝期間的滲透率，才能確保氣井的固井質(zhì)量。該方法可指導(dǎo)入井水泥漿的防氣竄性能設(shè)計(jì)及評(píng)價(jià)。
關(guān)鍵詞：深井 超深井 固井 水泥漿 防氣竄 評(píng)價(jià)方法 靜膠凝強(qiáng)度
    一般將固井中的氣竄分為初次氣竄和二次氣竄，初次氣竄主要指固井作業(yè)期間或者固井作業(yè)結(jié)束后不久發(fā)生的氣竄。同井氣竄有3個(gè)途徑，即水泥或套管間的第一界面、水泥或地層間的第二界面和水泥本體內(nèi)部。國內(nèi)、國外已經(jīng)有一些評(píng)價(jià)固井作業(yè)竄流問題的研究[1]，大部分工作針對(duì)的是固井作業(yè)施工評(píng)價(jià)方面的，不能結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行水泥漿的防氣竄性能研究，在實(shí)際指導(dǎo)固井水泥漿配方設(shè)計(jì)應(yīng)用方面受到了限制。本文是在前人研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)水泥漿本體發(fā)生的初次氣竄問題的進(jìn)一步研究。
1 試驗(yàn)儀器和方法
    此部分試驗(yàn)研究中的水泥漿需要進(jìn)行一系列試驗(yàn)，試驗(yàn)中包括失水、靜膠凝強(qiáng)度和氣竄試驗(yàn)。失水試驗(yàn)的要求按GB 10238標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，只有當(dāng)水泥漿的失水在100mL以內(nèi)時(shí)才能進(jìn)行后面的氣竄試驗(yàn)跚。
1.1 靜膠凝強(qiáng)度
   目前對(duì)于水泥漿靜膠凝強(qiáng)度測(cè)試方法還沒有認(rèn)可的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。本研究中使用超聲波方法測(cè)量(儀器名稱：5265 SGSA，千德樂)。在研究中發(fā)現(xiàn)，水泥漿靜膠凝強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果影響比較多，為了縮小試驗(yàn)誤差，確定了水泥漿靜膠凝強(qiáng)度的對(duì)應(yīng)試驗(yàn)程序，要求各步操作時(shí)間須精確控制。
1.2 防氣竄
    測(cè)試水泥漿候凝期間的防氣竄能力的儀器是氣竄分析儀(7150FMA，千德樂)。由于氣竄試驗(yàn)沒有行業(yè)試驗(yàn)方法，為此進(jìn)行了這方面研究。在此研究中，以封固氣層的水泥漿為研究目標(biāo)，將氣層上部的水泥漿柱按30.48m的長(zhǎng)度進(jìn)行分隔考察。對(duì)于這些長(zhǎng)為30.48m的水泥漿柱而言，只有當(dāng)最接近氣層的那段30.48m長(zhǎng)水泥漿柱被氣體竄穿以后，才會(huì)發(fā)生其臨近的水泥漿柱竄穿的情況。因此，環(huán)空水泥漿柱是否發(fā)生氣竄的關(guān)鍵是考察臨近氣層上部最近的第一段30.48m水泥漿柱是否會(huì)發(fā)生氣竄。當(dāng)氣層最近一段30.48m長(zhǎng)水泥漿柱被氣體竄穿以后，再遠(yuǎn)一點(diǎn)的30.48m水泥漿柱才可能竄穿，以此類推可以推廣到整個(gè)環(huán)空水泥漿柱。
    此試驗(yàn)方法分為兩個(gè)階段，當(dāng)環(huán)空液柱壓力大于氣層壓力時(shí)為第一階段，此時(shí)不會(huì)發(fā)生氣竄，只會(huì)發(fā)生環(huán)空向地層的失水。隨著水泥漿靜膠凝強(qiáng)度的發(fā)展環(huán)空液柱壓力逐漸等于并小于氣層壓力，此時(shí)進(jìn)入測(cè)竄階段。只要將環(huán)空水泥漿柱的靜膠凝強(qiáng)度發(fā)展測(cè)量出來，根據(jù)式(1)計(jì)算出環(huán)空水泥漿液柱壓力損失，得到環(huán)空液柱壓力的變化情況。即
 
式中pr為用于克服靜膠凝強(qiáng)度的壓力，Pa；sgs為靜膠凝強(qiáng)度，Pa；l為水泥漿柱長(zhǎng)度，m；d1為井眼直徑，m；d2為套管直徑，m。
    在第一階段主要通過控制水泥漿的孔隙壓力變化進(jìn)行試驗(yàn)，一直到水泥漿的孔隙壓力接近氣層壓力時(shí)第一階段試驗(yàn)結(jié)束，試驗(yàn)進(jìn)入第二階段即測(cè)竄階段。在進(jìn)入測(cè)竄階段之后，以第一段水泥漿柱頂部為低壓排出部分，以該段水泥漿柱上部的液柱壓力為低壓排放壓力，根據(jù)式(2)得到室內(nèi)氣竄試驗(yàn)中的上部液柱壓力控制情況。隨著上部水泥漿的水化上部液柱壓力不斷降低，上部的排放壓力通過式(1)計(jì)算不斷減小直到0為止。因此，在進(jìn)行室內(nèi)測(cè)竄試驗(yàn)時(shí)最后的回壓會(huì)逐漸減小到0。通過這種方法，對(duì)于研究特定井眼的環(huán)空竄流情況時(shí)就不用局限于井底氣層的數(shù)目和距離。
 
式中p1c為室內(nèi)氣竄試驗(yàn)中低壓排放壓力，MPa；lw為井眼內(nèi)額定長(zhǎng)度水泥漿柱高度，30.48m；p2w為高壓氣層壓力；MPa；p1w為最近氣層第一段30.48m長(zhǎng)水泥漿柱上部液柱壓力，MPa；lc為試驗(yàn)儀器內(nèi)水泥漿柱高度，0.1524m；p2c為注塞壓力，2.8MPa。
    在評(píng)價(jià)水泥漿防氣竄能力時(shí)，為了保證靜膠凝強(qiáng)度數(shù)據(jù)的有效性，進(jìn)行防氣竄試驗(yàn)的對(duì)應(yīng)準(zhǔn)備工作用時(shí)應(yīng)與靜膠凝強(qiáng)度的一致[3～5]。
2 氣竄水泥漿配方實(shí)例
最新的靜膠凝強(qiáng)度過渡時(shí)間定義為水泥漿靜膠凝強(qiáng)度48～240Pa的時(shí)間段，在此研究中設(shè)計(jì)了一種示例井眼，使得水泥漿在靜膠凝強(qiáng)度達(dá)到48Pa時(shí)開始測(cè)竄，能橫向研究不同水泥漿體系的防氣竄性能。按照建立的試驗(yàn)方法和設(shè)計(jì)的示例井眼控制程序進(jìn)行了一些水泥漿配方的防氣竄性能研究。表1所示為所研究的水泥漿組成及性能。1號(hào)水泥漿只含有通過降低濾餅滲透率進(jìn)行失水控制的降失水劑F1，2號(hào)水泥漿只含有通過在氣液界面成膜作用進(jìn)行失水控制的降失水劑F2，3號(hào)水泥漿為1號(hào)水泥漿加入了一種膠乳類防氣竄劑A，4號(hào)配方為1號(hào)水泥漿加入了膨脹劑E，從表1中可知除配方2外其余幾個(gè)配方屬于低失水、短候凝水泥漿體系。
 
2.1 配方1水泥漿
    圖1所示為配方1水泥漿氣竄試驗(yàn)的流體竄流情況。從圖1可知，單純降失水劑F1雖然能有效控制水泥漿的失水，但是由于該配方在候凝期間不能有效限制水泥漿內(nèi)流體的運(yùn)移，在水泥漿面臨氣層流體威脅時(shí)不能有效增加水泥漿的抗氣體入侵阻力。因此，該類水泥漿體系的防氣竄效果不是很理想。

2.2 配方2水泥漿
    圖2所示為配方2水泥漿氣竄試驗(yàn)的流體竄流情況。降失水劑F2通過在氣液界面成膜來控制失水，從圖2可以得知，對(duì)于該水泥漿配方，雖然降失水劑F2通過在水泥漿與地層交界處形成一種耐壓膜，一定程度上限制了氣體對(duì)水泥漿的侵入，但是由于在試驗(yàn)溫度下該降失水劑成膜的穩(wěn)定性不佳，不能有效降低候凝期間該水泥漿配方的滲透率。因此，后期氣體還是能不斷置換水泥漿內(nèi)流體，最后發(fā)生了竄流。

2.3 配方3水泥漿
    圖3所示為配方3水泥漿氣竄試驗(yàn)的流體竄流情況。從圖3中可知，向含有降失水劑F1的水泥漿中摻入一定量的膠乳類防氣竄劑A后，由于該類防氣竄劑可以通過在水泥漿內(nèi)部擠壓成膜等作用來限制氣體在水泥漿中的運(yùn)移，提高了該水泥漿在候凝期間的內(nèi)部結(jié)構(gòu)阻力，因而極大地提高了該水泥漿的防氣竄能力。
 

2.4 配方4水泥漿
   圖4所示為配方4水泥漿氣竄試驗(yàn)的壓力控制情況。從圖4中可以知道。向含有降失水劑F1的水泥漿中摻入一定量的膨脹劑E，由于膨脹劑E主要是在水泥漿開始有強(qiáng)度后才開始通過晶格膨脹發(fā)生作用，在水泥漿候凝期間不能有效限制流體流動(dòng)的作用，難以有效地降低候凝期間該水泥漿配方的滲透率。因此，水泥漿的竄流情況和單純加降失水劑F。的水泥漿配方防氣竄試驗(yàn)結(jié)果幾乎一致。

3 現(xiàn)場(chǎng)固井配方研究
    使用作者所述的水泥漿防氣竄性能評(píng)價(jià)方法，對(duì)國內(nèi)一些氣田的尾管固井水泥漿配方進(jìn)行了研究。研究表明，現(xiàn)場(chǎng)固井效果和室內(nèi)結(jié)果有很好的一致性。下面給出一些代表性的實(shí)例：
    實(shí)例1：A井第4次開鉆Φ215.9mm鉆頭鉆至井深4965m中途完鉆，Φ177.8mm尾管下至井深4963m，Φ177.8mm套管喇叭口在4100m，重合段長(zhǎng)為107.9m。該井4309m以下存在很多厚度為0.5～10m不等的高壓含氣層，使用作者提及的膠乳水泥漿加重體系，采用雙凝水泥漿尾管懸掛固井，使用正注反擠固井工序，用緩凝水泥漿封固4100～4300m井段，用快干水泥漿封固4300～4965m井段，快干水泥漿配方室內(nèi)竄流試驗(yàn)未發(fā)生氣竄。測(cè)井結(jié)果表明，固井質(zhì)量合格。
    實(shí)例2：B井為大斜度長(zhǎng)位移開窗側(cè)鉆定向井。該井第5次開鉆用Φ149.2mm鉆頭，Φ177.8mm尾管(下深6097m)5990m開窗側(cè)鉆鉆至井深6990m完鉆。該井6736m以下存在4～15m不等的高壓氣層。尾管懸掛點(diǎn)為4850m，此次固井采用Φ127mm尾管懸掛固井封固4850～6990m井段。該井采用作者提及的膠乳水泥漿作為兩凝水泥漿體系，一次性正注水泥返至Φ127mm尾管懸掛器之上的固井工藝?？旄伤酀{配方室內(nèi)竄流試驗(yàn)未發(fā)生氣竄，測(cè)井結(jié)果表明，固井質(zhì)量合格。
實(shí)例3：C井是早期的一口開發(fā)井，該井第5次開鉆鉆至井深5645m完鉆Φ進(jìn)行Φ177.8mm尾管懸掛固井，懸掛器位置為3150m，重合段長(zhǎng)185m左右；兩凝界面選在5000m，水泥漿采用兩凝加砂、抗鹽體系，水泥漿密度為2.10～2.15g/cm3。可調(diào)，快干水泥漿封固5000～5643m井段，緩凝水泥漿封同3150～5000m井段。該井測(cè)井結(jié)果表明，氣層封固質(zhì)量不佳，在事后使用該井水泥漿體系進(jìn)行的室內(nèi)防氣竄試驗(yàn)中發(fā)生了氣竄。
4 結(jié)論
1) 水泥漿的防氣竄問題是一個(gè)非常復(fù)雜的問題，單純強(qiáng)調(diào)水泥漿的失水或短候凝是不夠的，必須降低在候凝過程中漿體的滲透率或者提高漿體對(duì)氣體入侵的阻力。
2) 提出的水泥漿竄流試驗(yàn)方法能較有效地評(píng)價(jià)水泥漿內(nèi)部的氣竄問題。
3) 該方法通過將環(huán)空水泥漿柱視為由多段30.48m長(zhǎng)的水泥漿柱組成，考察最接近氣層水泥漿柱能否抵抗氣侵從而延伸至井口的整個(gè)水泥漿柱的環(huán)空竄流情況。
4) 通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)尾管固井研究表明，該方法能有效地指導(dǎo)氣井固井中入井水泥漿的設(shè)計(jì)。
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(本文作者：朱海金 屈建省 劉愛萍 鄒建龍 許加星 天津中油渤星工程科技有限公司)