高密度防氣竄水泥漿體系在川東北元壩氣田的應(yīng)用

喬領(lǐng)良

（四川德陽(yáng)新場(chǎng)氣田有限責(zé)恩公司，四川德陽(yáng)618000）

高密度防氣竄水泥漿體系在川東北元壩氣田的應(yīng)用

喬領(lǐng)良*

（四川德陽(yáng)新場(chǎng)氣田有限責(zé)恩公司，四川德陽(yáng)618000）

在地層壓力大、井身結(jié)構(gòu)復(fù)雜的深井或氣井固井，容易發(fā)生環(huán)空氣竄，致使水泥石膠結(jié)強(qiáng)度降低，影響油氣井固井質(zhì)量。通過(guò)水泥漿粒度優(yōu)化、緩凝劑與防氣竄劑優(yōu)選，配制出防氣竄效果、流動(dòng)性和沉降穩(wěn)定性好的高密度水泥漿體系，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果良好。

深井固井；高密度水泥漿；緊密堆積；防氣竄

川東北地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，海相地層多為碳酸鹽巖裂縫，氣藏埋藏深（一般在4000～6000m）、壓力高，地層縱向上存在多套壓力體系，橫向上差異性非常大，給固井防氣竄帶來(lái)很大的難度。若發(fā)生環(huán)空氣竄會(huì)直接影響水泥石膠接強(qiáng)度，導(dǎo)致層間竄流，污染油氣層，降低采收率，甚至造成油氣井報(bào)廢。進(jìn)行防氣竄水泥漿體系優(yōu)化設(shè)計(jì)：采用Gaudin—schutzmann粒度分布方程優(yōu)化體系的粒度分布，使其達(dá)到緊密堆積狀態(tài)；優(yōu)選防氣竄能力強(qiáng)的添加劑，提高體系的防氣竄性能；優(yōu)化環(huán)空液柱結(jié)構(gòu)；提高油氣田開(kāi)發(fā)效益，為油氣井防氣竄工作提供科學(xué)依據(jù)。

1 固井技術(shù)難點(diǎn)

（1）井底溫度高，滿(mǎn)足固井安全的水泥漿密度高，對(duì)緩凝劑性能提出了更高要求。

（2）氣層壓力高，防竄難度增大，要求防氣竄劑性能好。

（3）川東北地區(qū)海相地層多為碳酸鹽巖裂縫，開(kāi)發(fā)過(guò)程中的各種增產(chǎn)措施使裂紋進(jìn)一步擴(kuò)大，水泥環(huán)易失去封隔作用，造成油、氣、水層竄流，縮短油氣井壽命。為保證油氣井固井水泥環(huán)的長(zhǎng)期完整性，需要優(yōu)化水泥石性能。

（4）氣層中富含H2S和CO腐蝕性氣體，水泥環(huán)密封不良會(huì)引起毒性氣體泄漏，出現(xiàn)安全隱患，水泥環(huán)必須具有很好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

2 高密度防氣竄水泥漿優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 粒度優(yōu)化

提高水泥漿密度的主要途徑是減少充填水及增大加重材料與水泥的比例。但是配漿水不能無(wú)限度地減少，而且增大加重材料的比例，如果顆粒選型不當(dāng)會(huì)造成水泥漿增稠或沉降。利用顆粒級(jí)配[1]原理提高系統(tǒng)的堆積密度，使水泥干混物的堆積體積分?jǐn)?shù)（PVF）最大即可設(shè)計(jì)出高性能的加重水泥漿。

水泥和加重劑的混合物可以看成是連續(xù)尺寸顆粒的堆積。對(duì)加重水泥漿體系進(jìn)行緊密堆積設(shè)計(jì)采用Gaudin-schutzmann粒度分布方程。

式中：U(D)——小于粒徑D的累積體積分?jǐn)?shù)，%；

D——顆粒粒徑，mm；

Dl——顆粒中的最大粒徑，mm；

m——模型參數(shù)。

研究表明，U(D)在0.3～0.5時(shí)存在最佳的堆積率。如果水泥與鐵礦粉的混合物中的最大顆粒粒徑為300μm，最小粒徑為5μm，根據(jù)公式（1）可計(jì)算出最優(yōu)粒度分布。

2.2 水泥緩凝劑優(yōu)選

水泥封固段長(zhǎng)，井下溫差較大，必須確保施工安全和喇叭口處的水泥石強(qiáng)度。通過(guò)分析對(duì)比，優(yōu)選出緩凝劑HX-36L。該緩凝劑具有獨(dú)特的作用基團(tuán)與分子結(jié)構(gòu)，高溫下能伸展吸附在水泥上發(fā)揮緩凝作用，且溫度越高，伸展越大，低溫下分子收縮減少緩凝作用，保證水泥漿強(qiáng)度迅速發(fā)展。抗溫能力在180℃，抗鹽能力達(dá)到飽和。

使用HX-36L和其他類(lèi)型的緩凝劑配制不同的水泥漿體系并對(duì)其性能進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果顯示：添加其他緩凝劑的體系在60℃、72h下均無(wú)強(qiáng)度；在溫度78℃、稠化時(shí)間320min的條件下，添加HX-36L的ADV-Ce-ment水泥漿7h的強(qiáng)度達(dá)到7MPa，而其他體系在16 h后才起強(qiáng)度。說(shuō)明ADV-Cement水泥漿體系防氣竄效果好，強(qiáng)度發(fā)育快。

添加緩凝劑HX-36L的ADV-Cement水泥漿體系的突出優(yōu)點(diǎn)：HX-36L能夠隨溫度變化調(diào)節(jié)緩凝作用，從而控制體系的稠化時(shí)間、穩(wěn)定性、降失水效能和強(qiáng)度發(fā)展；在一定比例范圍和一定加量下，HX-36L能根據(jù)溫度、水質(zhì)、水泥質(zhì)量的變化進(jìn)行自我調(diào)節(jié)，保證水泥漿性能基本不變，同時(shí)在低溫下又具有強(qiáng)度發(fā)展快的智能化作用；體系的安全性高，在10℃～30℃的溫度變化范圍內(nèi)，稠化時(shí)間不會(huì)發(fā)生較大變化，且強(qiáng)度發(fā)展快，解決了井下溫度不確定對(duì)固井施工安全與固井質(zhì)量的影響；HX-36L適用于不同廠家不同批次的水泥，體系應(yīng)用范圍廣。加入緩凝劑HX-36L的水泥漿性能見(jiàn)表1。

表1 ADV-Cement水泥漿體系性能

從表1可以看出：實(shí)驗(yàn)中緩凝劑的設(shè)計(jì)理念有較為明顯的體現(xiàn)，當(dāng)溫度較低時(shí)，緩凝劑的雙緩凝基團(tuán)收縮，緩凝劑加量較大；在溫度升至135℃、150℃、180℃時(shí)，緩凝劑加量沒(méi)有因?yàn)闇囟壬叨^(guò)多地增加，說(shuō)明其具有較好的溫度感應(yīng)伸縮性；在150℃、180℃時(shí)，同等加量的緩凝劑稠化時(shí)間相同，證明其存在溫度感應(yīng)性；體系48h后的早期強(qiáng)度好，滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)要求。

2.3 水泥漿防竄設(shè)計(jì)

雙凝水泥漿體系的設(shè)計(jì)要求：領(lǐng)漿流動(dòng)性能好，靜止后的切力低，以很好地傳導(dǎo)壓力，減少水泥漿流動(dòng)摩阻，降低施工壓力，減少漏失風(fēng)險(xiǎn)；尾漿具有一定的觸變性，流體阻力大，靜止后的膠凝強(qiáng)度能盡快達(dá)到250Pa（即使無(wú)抗壓強(qiáng)度），以防止氣竄。

為防止氣井投產(chǎn)后環(huán)空帶壓，水泥漿中加入填充劑CEA-1或CEA-2，通過(guò)顆粒級(jí)配原理形成內(nèi)部橋堵，保證漿體穩(wěn)定，減少過(guò)渡時(shí)間，填補(bǔ)水泥顆粒間的空隙，形成致密的水泥石。同時(shí)，將硬性微粒、微硅與柔性微粒（膠粒）結(jié)合使用，使水泥漿的防竄效果更好。體系中選用的防竄降失水劑FS-23L為引入少量陰離子基團(tuán)的彈性聚合物膠粒，在水中可以均勻分散且不溶于水。水泥漿失水后養(yǎng)護(hù)至初凝的過(guò)程中，靜液壓力始終大于氣層壓力，流出壓力在初凝時(shí)有微小變化，初凝時(shí)水泥漿體積變化小；初凝后加液測(cè)試，竄液量3mL，與膠乳水泥漿相近，說(shuō)明其防竄性能良好。

2.4 水泥石性能優(yōu)化

油氣井固井水泥環(huán)的長(zhǎng)期完整性是保證層間長(zhǎng)期封隔的前提。普通水泥環(huán)力學(xué)形變能力和抗沖擊能力差，后續(xù)施工或射孔過(guò)程中，當(dāng)其受到的徑向應(yīng)力達(dá)到極限時(shí)，極易破裂形成裂紋，隨后的各種增產(chǎn)措施又會(huì)導(dǎo)致裂紋進(jìn)一步擴(kuò)大，甚至使水泥環(huán)的封隔作用失效，造成油、氣、水層竄流，縮短油氣井壽命。因此，改善油井水泥石力學(xué)性能、提高水泥石抗沖擊破碎性能對(duì)延長(zhǎng)油氣井開(kāi)采壽命及提高油氣采收率十分重要。

經(jīng)過(guò)多次材料和配方優(yōu)選實(shí)驗(yàn)，確定的彈塑性水泥漿配方見(jiàn)表2，不同配方的水泥漿體系綜合性能見(jiàn)表3。

從表中可以看出，加入彈塑劑，水泥漿性能基本不受影響，流動(dòng)度略有減小，沉降穩(wěn)定性提高，稠化時(shí)間略有減少，但變化不大。說(shuō)明彈塑劑與其他外加劑的配伍性良好。

將不同密度的水泥漿倒入1cm×1cm×6cm的模子中，在90℃下養(yǎng)護(hù)成水泥石，分別測(cè)試其抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和抗沖擊韌性[3]，結(jié)果見(jiàn)表4。

由表中可以看出，加入彈塑劑，水泥石抗壓強(qiáng)度有一定降低，但降低幅度不大，抗折強(qiáng)度和抗沖擊韌性提高。

3 高密度防氣竄水泥漿性能評(píng)價(jià)

根據(jù)處理劑優(yōu)選結(jié)果，高密度防氣竄水泥漿選用HX-36L為緩凝劑，F(xiàn)S-23L防竄降失水劑，填充劑CEA-1或CEA-2以及增塑劑。根據(jù)井況合理設(shè)計(jì)水泥漿密度和性能。

表2 彈塑性水泥漿配方

表3 彈塑性水泥漿常規(guī)性能

表4 不同配方的水泥石力學(xué)性能（90℃條件下）

3.1 防氣竄能力

根據(jù)表1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，ADV-Cement水泥漿體系稠化時(shí)間可調(diào)，且成直角稠化，API濾失量小于50mL，SPN值小于3。利用7150型氣竄模擬分析儀對(duì)配方4（表2）進(jìn)行的氣竄模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，其氣竄值為0，證明該水泥漿的防氣竄能力很好。

3.2 流動(dòng)能力

ADV-Cement水泥漿體系的流性指數(shù)大于0.7，說(shuō)明體系常溫下的流變性和流動(dòng)度良好。密度2.40g/cm3和2.50g/cm3的水泥漿馬氏漏斗粘度分別為65s和75s，水泥漿放置一段時(shí)問(wèn)后仍具有良好的流動(dòng)度，未出現(xiàn)觸變現(xiàn)象，進(jìn)一步證其流動(dòng)能力良好。

3.3 沉降穩(wěn)定性

利用水泥漿沉降穩(wěn)定儀，在21MPa×120℃×24h的條件下測(cè)量不同密度的防氣竄水泥漿體系的沉降穩(wěn)定性能[4]，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 防氣竄水泥漿體系的沉降穩(wěn)定性

可以看出，ADV-Cement水泥漿體系的上下密度差小，說(shuō)明其具有較好的沉降穩(wěn)定性，能夠滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)施工要求。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)例

ADV-Cement水泥漿體系和分段壓穩(wěn)氣竄預(yù)測(cè)與設(shè)計(jì)方法在川東北地區(qū)應(yīng)用了10余井次，氣層固井質(zhì)量?jī)?yōu)質(zhì)。本文以元壩27-2井?282.6mm+?273.1mm尾管固井為例介紹現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況。

元壩27-2井是元壩地區(qū)的一口重點(diǎn)開(kāi)發(fā)井，三開(kāi)完鉆井深4690m，完鉆層位雷口坡組，鉆井液密度2.50g/cm3，粘度80s，尾管封固段2760～4690m，尾管段長(zhǎng)1930m，封固段主要是高壓氣層。該井固井主要難題是三開(kāi)封固段長(zhǎng)達(dá)2000m，防氣竄難度大。經(jīng)過(guò)地層承壓能力分析和分段壓穩(wěn)防氣竄計(jì)算，設(shè)計(jì)液柱結(jié)構(gòu)為“隔離液密度2.50g/cm3、領(lǐng)漿密度2.56g/cm3、尾漿密度2.56g/cm3。三開(kāi)水泥漿主要性能見(jiàn)表6，水泥漿及隔離液流變性能見(jiàn)表7。

現(xiàn)場(chǎng)使用2臺(tái)單機(jī)泵試配水泥漿5m3，設(shè)計(jì)水泥漿密度2.56g/cm3，一號(hào)水泥車(chē)最高密度2.71g/cm3，二號(hào)水泥車(chē)最高密度2.54g/cm3，漿體流動(dòng)性較好，流動(dòng)性和密度均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

表6 27-2井三開(kāi)水泥漿性能

表7 27-2井三開(kāi)水泥漿及隔離液流變性能

表8 元壩27-2井?282.6mm+?273.1mm尾管固井電測(cè)聲幅統(tǒng)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，管線試壓30MPa后，注入密度2.50g/cm3的加重隔離液25m3，施工排量0.8～1.1m3/min，壓力17～20MPa；注入密度2.56g/cm3的水泥漿77m3（領(lǐng)漿43m3，尾漿34m3），施工排量1.0～1.3m3/min，施工壓力15～17MPa；注入密度2.50g/cm3的壓塞液3.0m3；大泵頂替密度2.50g/cm3的鉆井液84m3，施工排量1.6m3/min，泵壓16～18MPa；水泥車(chē)頂替密度2.50g/cm3的保護(hù)液14m3，施工排量0.8～1.1m3/min，泵壓18～20MPa；大泵頂替密度2.50g/cm3的泥漿18.95m3，施工排量1.5～1.1m3/min，泵壓18～13MPa；未碰壓，替漿至計(jì)算量119.95m3，替漿結(jié)束。固井施工結(jié)束后，對(duì)?282.6mm+?273.1mm尾管固井質(zhì)量進(jìn)行電測(cè)聲幅測(cè)井，結(jié)果見(jiàn)表8。

5 結(jié)論

（1）川東北元壩地區(qū)地層條件復(fù)雜，井深，氣層壓力高，固井防氣竄的難度大。

（2）通過(guò)分析發(fā)生氣竄的臨界條件，優(yōu)選出緩凝劑與防氣竄劑，配制出防氣竄水泥漿體系并進(jìn)行了室內(nèi)評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，體系的防氣竄效果、流動(dòng)性和沉降穩(wěn)定性良好，滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用要求。

（3）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過(guò)程中，及時(shí)跟蹤水泥漿性能復(fù)核，注重各環(huán)節(jié)控制，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)解決，保證了固井施工的安全和質(zhì)量。

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TE256

B

1004-5716(2015)08-0060-05

2015-06-30

2015-07-01

喬領(lǐng)良（1963-），男（漢族），陜西戶(hù)縣人，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事石油鉆井技術(shù)與管理工作。