固井防竄水泥漿體系在丘東氣田的研究與應用

陳新忠　樊文俊

摘 要 氣竄是丘東氣井田井存在的一大技術難題，具有低壓、低滲、個別井段易漏和固井后易氣竄的明顯特點。為此開發了淺層氣井固井防竄水泥漿，該水泥漿具有流動性好、失水量低、稠化時間合適、過渡時間短和早期強度高等優點。針對水泥漿性能影響固井質量的原因分析，通過水泥漿體系和水泥石的室內試驗與評價，優選出適合本區塊的水泥漿體系，現場應用效果比較理想。

關鍵詞 低壓低滲 防竄水泥漿 室內評價 固井質量

由于調整井長期受開發注水的影響，地下情況越來越復雜，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，固井溢漏、氣竄情況時有發生。雖然采取了多種配套工藝技術取得了一定成效，但也不盡如人意，試油竄流現象依然存在，給采油的穩產和增產措施帶來不利影響，考慮防止溢漏的發生，從水泥漿的體系和密度著手，開展能使溢漏相互遏制達到平衡的水泥漿密度，同時又具有防竄功效的水泥漿研究具有重要的現實意義。

一、氣竄原理的分析

固井界默認的氣侵原理：當水泥漿從液態向固態轉變時，由膠凝強度的發展引起的。因此，水泥漿失去傳遞液柱壓力的能力時，氣侵就發生了。其他的氣侵原理如：水泥漿失水量大、橋堵、滲透性大、環空微間隙等引起的。依據氣竄的途徑不同研制出了各種不同的防氣竄的方法。但是，現場固井中綜合運用這些方法可以有效地控制氣竄的發生。在選擇防氣竄的方法時，需要綜合考慮地層壓力，滲透率，氣體上竄速度，井底溫度，井深結構，井斜，水泥柱高度、地層破裂壓力。固井施工中的很多參數和水泥漿密度一樣能夠引起液柱壓力失穩現象。性能較差的泥漿和水泥漿使氣體很容侵入到環空中。水泥漿過早膠凝導致不能傳遞液柱壓力，同時水泥漿的失水量大也為氣體竄入水泥漿提供了機會。水泥漿滲透率高引起封隔質量差，防氣竄能力差。水泥石收縮率高則導致水泥環孔隙率增加及環空微間隙增加，固井失敗導致氣體對水泥環的破壞，水泥膠結強度差引起第一、二界面膠結質量差。

二、氣竄發生的主要原因分析

在水泥漿由液態向固態轉變時期，氣侵是非常普遍的現象。過渡時間是水泥漿從可泵狀態發展到固態之間的時間。過渡時間的另一個定義是利用靜膠凝強度定義的。膠凝強度基于漿體的抗剪能力，測量凝膠的形成和保留凝膠的能力。流體的膠凝強度、剪切強度決定其懸浮固體顆粒的能力，所以，定義過渡時間必須測量水泥漿的靜膠凝強度從100lbf/100sq.ft（48Pa）增加到500lbf/100sq.ft（240Pa）的時間。這已經成為石油工業默認的工業標準。一旦水泥漿的靜膠凝強度到達500lbf/100sq.ft（240Pa），氣體或其他流體就不能通過它而滲透。水泥漿靜膠凝強度達到最佳值500lbf/100sq.ft越快，氣體透過漿體發生氣竄的可能性越小。當膠凝強度達到250-500lbf/100sq.ft范圍內，足夠防止氣體滲透漿體發生氣侵。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。只有這個壓力大于地層氣體壓力時便不會發生氣侵，但是這個壓力不能超過地層破裂壓力。在過渡時間內有兩個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。第一個因素是很難控制的，只有從第二個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狀結構變得脆弱而增加孔隙率。水化一旦結束，水泥漿就變成不能滲透的固體。此時，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行。

三、防竄水泥漿體系的配方研究

水泥漿體系是現場固井質量優劣的最主要保障，優選水泥漿體系時除了考慮的本身的性性能外，還要考慮現場施工條件及目的層的物性狀況，只有進行綜合考慮，室內研制出的水泥漿體系才能真正符合現場施工要求。目前在國內低密度水泥漿中所應用的減輕劑主要有：鉆井液用膨潤土、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。如在吐哈油田丘東區塊使用，由于低密度水泥石強度發展緩慢、且強度偏低，達不到封隔地層、支撐套管的要求通過室內實驗，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、防竄水泥漿性能評價

1.水泥漿流變性能評價，見表3。

從表中可以看出，優選出的水泥漿的稠化過渡時間基本上都在18 min左右，屬于直角稠化，失水、析水控制得相當好，有利于防氣竄，同時這兩種水泥漿體系具有低磨阻、低的紊流臨界排量，現場很容易實現紊流頂替。

2.水泥漿防氣竄性能評價。用水泥漿性能系數（SPN）評價水泥漿防竄性能：

SPN=

0≤SPN≤3防氣竄效果好；3

從計算結果來看，水泥漿性能系數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，時間min。√t30BC：水泥漿稠度30BC時間min。

3.水泥石性能評價。水泥石的彈性模量的測定。彈性模量是材料剛性的量度，彈性模量越大，說明在相同外力作用下，其變形越差，越易脆裂。彈性模量的測定結果，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.水泥漿體系的現場應用情況。（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）大樣室內復核試驗。低密度水泥漿：密度1.40 g/cm3，失水37 ml，析水0.2 mL，稠化時間225 min，過渡時間19 min。常規密度水泥漿：密度1.89 g/cm3，失水34 mL，析水0.0 ml，稠化時間142 min，過渡時間16 min。②現場施工及固井質量評價：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，加上井內液柱壓力達到破裂壓力的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后測固井質量優質。（2）丘東47井現場施工（2011.9.30 完鉆井深：3532 m）。①水泥漿體系（KQ-B）大樣室內復核試驗。低密度水泥漿：密度1.42 g/cm3，失水44 mL， 游離水0 mL，稠化時間220 min，過渡時間20 min。常規密度水泥漿：密度1.90 g/cm3，失水46 ml，游離水0 ml，稠化時間123 min，過渡時間18 min。②現場施工及固井質量評價。前置液10 m3，注低密度水泥36 m3，平均密度1.42 g/cm3；注領漿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，加上井內液柱壓力達到破裂壓力的95%，改用水泥車頂替（排量0.5 m3/min）；碰壓17 MPa。侯凝48 h后測固井質量優質。（3）現場應用。該防氣竄水泥漿在丘東區塊進行了 20余口井的現場試驗，取得了良好的使用效果。該區油藏埋藏淺，地層壓力低，首先調整鉆井液性能，下套管前認真通井洗井，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。使用高效沖洗液和前置液，提高水泥漿頂替率和膠結性能。丘東區塊完成了 20余口天然氣井，固井質量合格率為 100%，，優質率達到80%以上。

五、結論

優選水泥漿體系時，除了考慮本身的性能外，還要考慮現場施工條件及目的層的物性狀況，在達到低速紊流的同時其防氣竄效果比較好。通過水泥漿防竄性能的室內評價，對優選水泥漿體系具有指導作用。同時結果也表明，控制好失水量和過渡時間有助于防止氣竄水泥漿體系凝固后的水泥石，能滿足開發和后續工程的需要。

參考文獻

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