固井水泥界面膠結強度評價技術及在沈家鋪油田的應用

唐世忠，董云龍，王海濱，許澤漣

(1.中國石油大港油田公司采油工藝研究院，天津大港 300280；2.中國石油大港油田公司采油三廠;3.中國石油大港油田公司采油一廠)

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固井水泥界面膠結強度評價技術及在沈家鋪油田的應用

唐世忠1，董云龍1，王海濱2，許澤漣3

(1.中國石油大港油田公司采油工藝研究院，天津大港 300280；2.中國石油大港油田公司采油三廠;3.中國石油大港油田公司采油一廠)

針對大港油田目前固井界面膠結質量差、配套工藝針對性不強的現狀，研制了水泥膠結強度評價裝置，通過對高溫高壓養護后的水泥與膠結面剪切應力的采集，定量計算水泥與界面的剪切強度，定性評價固井水泥與井壁的膠結強度。利用該方法評價了YX-1等四種水泥漿在不同鉆井液、不同沖洗液，以及地層水影響條件下的界面膠結強度，依據實驗結果優選了水泥漿體系及制定了針對性的配套措施。現場24口井的應用表明，水泥界面膠結質量大幅提升，固井質量優質率提高了41.6%。

沈家鋪油田；固井水泥漿；膠結強度；泥餅質量

在固井施工中，水泥與井壁的膠結強度是保證固井質量的主要因素之一。評價水泥膠結強度的評價裝置及方法較多[1-5]，但這些方法都存在一些問題，為此，研制了一種結構相對簡單的水泥膠結強度的評價裝置，可以模擬井下溫度和壓力情況下水泥漿與井壁的膠結情況，為制定針對性的固井工藝對策提供技術依據。

1　膠結強度評價裝置及方法

1.1研究思路

為模擬固井井眼狀況，制備一套水泥膠結筒，水泥在膠結筒內凝固，通過測量水泥與膠結筒之間的剪切強度，評價固井水泥與井壁的膠結強度。

裝置應能夠模擬地層高溫、高壓條件下固井水泥與井壁的膠結過程；通過采集到剪切力數據，能夠定量計算膠結試樣的膠結強度，定性評價水泥與井壁的膠結強度；同時能夠在同一條件下制備、養護多個試樣，以進行平行實驗，提高實驗的準確性。

固井水泥與井壁的膠結強度可采用下列公式計算得出：M=F/S,S=πDH,其中M為膠結強度，Pa；F為水泥與膠結筒內壁松動時的壓力，N；S為膠結筒的內表面積，m2；D為膠結筒的內徑，m；H為膠結筒的高度，m。

1.2評價裝置

膠結筒為圓柱筒，為測量剪切應力的準確性，其高度是內徑的1～2倍；在制備膠結試樣時，膠結筒上蓋和膠結筒底座配合使用，膠結筒上蓋中心位置有一排氣孔，膠結筒上蓋直接置于膠結筒的頂部；膠結筒底座與膠結筒底部采用絲扣形式連接，見圖1。

圖1　膠結筒示意圖

同時設計制作了固定套筒、膠結筒頂柱、活動擋板，配合膠結筒在壓力測試機上使用，以實現測量水泥與膠結筒內壁松動時的壓力，見圖2。

1.3評價實驗程序

(1)膠結筒底座與膠結筒連接，將鉆井液倒入膠結筒中，鉆井液掛壁后倒出，自然風干5分鐘后，再將待評價的水泥漿盛滿膠結筒。

圖2　水泥膠結強度評價測試示意圖

(2)將帶有排氣孔的膠結筒上蓋置于膠結筒頂部，洗凈溢出的水泥漿，根據井下壓力溫度條件，放入高溫高壓養護裝置中進行養護。

(3)養護結束后，卸掉膠結筒底座和膠結筒上蓋。

(4)將膠結筒頂柱置于壓力測試機的中部，固定套筒置于膠結頂柱上，固有水泥的膠結筒置于固定套筒中，將活動擋板置于膠結筒上部，且水泥頂柱、固定套筒、膠結筒、活動擋板的軸心在一條直線上。

(5)啟動壓力測試機，帶動膠結筒頂柱、固定套筒、膠結筒、活動擋板上移，直至將膠結筒內的水泥與膠結筒內壁松動。

(6)壓力測試儀通過壓力采集系統收集并記錄膠結筒內的水泥與膠結筒內壁松動時的壓力數據。

(7)計算水泥與膠結筒的膠結強度。

2　膠結強度評價實驗

2.1鉆井液影響膠結強度評價

從不同鉆井液性能的膠結強度評價結果看(表1)，膠結強度與鉆井液泥餅質量相關。為近一步證實其相關性，模擬井壁泥餅厚度為1.5 mm，3.0 mm，4.5 mm情況下的水泥膠結強度。假設鉆井液虛泥餅與水泥漿充分混合，經計算，分別評價混入質量分數5%，10%，15%鉆井液情況下的水泥漿的膠結強度。

實驗結果表明(圖3)：鉆井液泥餅質量是影響膠結強度的重要因素，泥餅越厚，膠結強度越低，其二界面固井質量越差。

2.2沖洗效率影響膠結強度評價

固井前通常采用沖洗液對井壁進行沖洗，以減緩虛泥餅對二界面固井質量的影響，為此，選取有機硅鉆井液，采用TCP-2、YX-1、Flash-1三種不同類型的沖洗液對掛有鉆井液的膠結筒內壁進行沖洗，測量其沖洗效率，再模擬井下溫度壓力情況評價水泥漿的膠結強度。

表1　鉆井液體系與YX-1水泥漿膠結強度評價

圖3　混入不同比例鉆井液情況下水泥漿膠結強度

實驗結果表明：不同的沖洗液能夠不同程度地提高膠結強度，沖洗效率越高，膠結強度越高(圖4、圖5)。優選適應性的沖洗液類型以及優化沖洗參數，能夠有效地減緩虛泥餅對膠結質量的影響，提高二界面固井質量。

圖4　不同沖洗液類型沖洗效率情況

圖5　沖洗效率與膠結強度關系

2.3不同水泥漿體系膠結強度評價

水泥漿的優選要考慮稠化時間、抗壓強度等性能，同時還要針對現場所用鉆井液情況，對膠結強度進行評價。為此，選取密度1.35 g/cm3、膨潤土含量60 g/L、API失水4 mL的有機硅鉆井液，分別評價其稠化時間、抗壓強度相近的YX-1、JS-2、DR-1、OM-1共4種水泥漿體系的膠結強度。

實驗結果表明(表2、表3)：在不同鉆井液、溫度壓力條件下，即使水泥漿的密度、稠化時間、抗壓強度相近，其膠結強度也不盡相同，因此，應根據不同的井眼條件，優選適應的水泥漿體系，以提高膠結強度，確保二界面固井質量。

表2　不同水泥漿與有機硅鉆井液膠結強度評價結果

注：養護溫度90 ℃，壓力 21 MPa。

表3　不同水泥漿與聚合物鉆井液膠結強度評價結果

注：養護溫度90 ℃，壓力 21 MPa。

2.4地層水影響膠結強度評價

老油田的調整井由于注水原因，部分井區或個別層會產出異常高壓，在固井候凝過程中如未壓穩油氣層，會造成地層水侵入水泥漿中，從而影響水泥漿凝結性能。為此，選取某區塊地層水，水型為氯化鈣型，總礦化度為25 500 g/L，假設井壁處的水泥漿與地層水充分混合，經計算，分別模擬評價混入質量分數2%，4%，6%地層水的水泥漿在井壁界面處的膠結強度。

實驗結果表明(圖6、圖7)：水泥漿受地層水污染后，其稠化時間延長，與井壁的膠結強度降低，且隨地層水混入比例的增加，膠結強度降低幅度增大。

3　現場應用

沈家鋪油田是大港油田上產的主力區塊，以往鉆井液主體采用有機硅鉆井液，所鉆遇的上部明化鎮地層造漿嚴重，因此，鉆井液的膨潤土含量高、泥餅虛厚；另外，注水開發導致部分井區高壓，水竄嚴重，固井質量優質率僅為22.7%，未能對油氣水層進行有效的封隔，嚴重影響了射孔方案的制定和分注、壓裂等工藝的實施，制約了區塊的開發生產。

圖6　混入不同比例地層水的水泥漿稠化時間

圖7　混入不同地層水的水泥漿膠結強度

結合該區塊鉆井情況，優選了水泥漿體系及配方：華銀G級+3%YXF-200S(固體降失水劑)+2%YXPZ(晶格膨脹劑)+0.3%QJ-625(發氣膨脹劑)+1.8%CaCL2(促凝劑)。實驗測試水泥漿的界面膠結強度達到了5.12 MPa，均大于其它水泥漿的界面膠結強度；同時結合評價實驗所得到的結論，配套了減小虛泥餅厚度[6-9]、優選沖洗液[10-13]、壓穩水竄層[14-18]等工藝措施。2015年在沈家鋪油田的官128、官39-80、官18-50三個井區共實施了24口井(表4)，固井質量優質率達到了64.3%，較2014年提高了41.65%，為后期開發生產提供了良好的井眼條件。

表4　沈家鋪油田優化前后固井質量統計

4　結論

(1)通過定量計算水泥與界面的膠結強度，定性評價井壁界面膠結質量的方法，能夠為固井質量影響因素分析及工藝對策制定提供技術依據。

(2)鉆井液性能、沖洗效率、地層水浸入、水泥漿性能是影響固井質量的重要因素。

(3)根據評價實驗結果制定的工藝對策，在大港油田24口井進行了現場應用，固井質量優質率大幅提升。

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編輯：劉洪樹

1673-8217(2016)05-0100-04

2016-04-05

唐世忠，高級工程師，1969年生，1990年畢業于天津大學石油分校石油地質勘查專業，現主要從事鉆完井工藝技術研究工作。

中油股份公司重大專項“大港油區油氣田勘探開發關鍵技術研究”的子課題“高效鉆完井及油氣層保護配套技術研究”(編號2012E-10)。國家專利：“一種固井水泥膠結強度測試裝置及方法(專利申請號：201510542830.1)” 。

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