水泥漿失重壓力評價技術研究與應用

劉洋，陳敏，史芳芳，李吟雪，鮮明

（1.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司井下作業公司，成都 610052；2.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司工程技術處，成都 610056；3.四川航佳生物科技有限公司，四川德陽 618300）

環空氣竄幾乎是所有天然氣井都將面臨的棘手難題。研究表明，固井后水泥漿“失重”將導致作用于氣層的液柱壓力下降，可能引發欠平衡，發生早期氣竄。準確的失重壓力評價是制定固井憋壓候凝技術，實現壓穩防竄的重要理論依據。20世紀80年代，國外以Sabins、Sutton為代表的學者[1-2]，發現水泥漿膠凝和收縮特性導致作用于井底的液柱壓力下降，提出了“膠凝失重理論”及膠凝懸掛失重壓力公式，以48 Pa的靜膠凝強度計算水泥漿最大失重值。中國以劉崇建[3]、張興國[4]、孫展利[5]為代表的學者，通過對大斜度井水泥漿失重規律研究，提出了“沉降失重理論”，按照初凝時水泥漿液柱壓力降至等高水柱壓力計算失重值。這些理論計算方法屬于半經驗公式，并未考慮不同井段井溫、壓力、套管偏心對水泥漿失重的影響。目前國內也開展了水泥漿失重裝置研發，但無法很好解決高溫高壓及套管偏心條件下水泥漿失重壓力測試問題[6-9]。基于此，研發了一套高溫高壓水泥漿失重壓力評價裝置，評價了典型水泥漿體系失重規律，并提出了一種分段計算水泥漿失重壓力的方法，在四川盆地磨溪—高石梯區塊高壓氣井得到檢驗，指導了環空憋壓候凝，固井后未發生環空氣竄。

1 高溫高壓水泥漿失重壓力評價裝置

1.1 裝置結構簡介

水泥漿失重壓力評價裝置如圖1所示，裝置核心部件是失重測試筒。失重測試筒采用了等比例尺寸縮小原理，有效長度1 m，由內筒、保護筒、外筒組成。內筒模擬套管，外徑有30～60 mm多種規格，外筒模擬井壁，內徑100 mm，內外筒環空間隙10～30 mm。為防止實驗過程水泥漿固結外筒，在外筒內壁緊貼一層薄壁保護筒。失重筒上下兩端均通過法蘭盤連接。法蘭盤上的螺栓孔銑長槽，調節螺栓位置，可實現0～70%套管偏心調節，解決了常規偏心桿調節機構密封能力較差，僅能開展常壓實驗的問題。失重筒采用了電機帶動傳動軸轉動，從而實現0～90°井斜調節。失重筒底部和頂部連接了3個壓差傳感器，可同時監測寬、中等、窄間隙處水泥漿失重壓力。裝置最高實驗壓力為12 MPa，最高實驗溫度為150 ℃。

圖1 水泥漿失重壓力測試裝置

1.2 水泥漿失重壓力評價方法

首先應利用超聲波強度儀測試水泥漿靜膠凝強度及凝結時間；然后在水泥漿失重壓力測試前，對實驗裝置試壓10 MPa，檢查試驗筒及管線密封性；試壓合格后，設置實驗溫度對裝置預熱（預熱溫度不應超過90 ℃）；然后將經過常壓稠化儀預熱的水泥漿倒入失重筒內，開始監測水泥漿失重壓力；設置目標溫度，并將圍壓補壓至目標壓力；水泥漿初凝后結束實驗，保存實驗數據。

2 典型水泥漿體系失重壓力評價實驗

2.1 典型水泥漿體系常規性能

選擇了1#常規水泥漿和2#低失水觸變性水泥漿開展失重壓力評價實驗。水泥漿配方如下。

1#G級水泥+0.03%HNJ+2.5%JLS-A +水

2#G級水泥+3%超細材料+0.1%分散劑+0.03%HNJ+1%JLS-B +水

2套典型水泥漿常規性能如表1所示，1#常規水泥漿體系穩定性和失水控制較差，靜膠凝強度48 Pa時間125 min，初凝時間為231 min；2#低失水觸變性水泥漿體系穩定性和失水控制較好，靜膠凝強度48 Pa時間148 min，初凝時間為247 min。

表1 水泥漿體系常規性能（70 ℃）

2.2 水泥漿失重壓力評價

在直井和套管居中度為30%條件下，對1#、2#典型水泥漿體系開展失重壓力評價實驗，實驗溫度為70 ℃，壓力為5 MPa，結果見表2、圖2和圖3。

（1）穩定性較差的1#常規水泥漿3個間隙處失重壓力曲線如圖2（a）所示，均表現為“三段式”曲線：0～65 min時間內膠凝強度未明顯發展，但液柱壓力顯著下降，推測水泥漿穩定性較差發生沉降失重；65～136 min時間內參考靜膠凝強度48 Pa時間（125 min），此時膠凝強度開始發展，液柱壓力平穩下降，發生膠凝失重；136 min后水泥漿處于膠凝后期到初凝階段，毛細孔收縮，孔隙度明顯降低，導致傳壓能力受限，初凝時刻水泥漿液柱壓力當量密度為0.80 g/cm3，低于清水密度。

表2 水泥漿體系失重實驗結果統計

圖2 不同水泥漿體系失重壓力實驗曲線

（2）穩定性好的2#低失水觸變性水泥漿3個間隙處失重壓力曲線如圖2（b）所示，表現為“二段式”曲線，沒有沉降失重階段：100～170 min時間內參考靜膠凝強度48 Pa時間（148 min），隨著靜膠凝強度的發展，液柱壓力基本呈線性下降，呈現膠凝失重；170 min后水泥漿進入膠凝后期，毛細孔收縮明顯，限制了傳壓能力，至初凝時刻水泥漿液柱壓力當量密度為1.19 g/cm3，高于清水密度。

圖3 不同水泥漿體系失重實驗實物圖

為進一步驗證斜井條件下水泥漿是否具有相似的失重規律，同樣選取1#、2#水泥漿體系，改變井斜和套管居中度，開展水泥漿失重壓力評價實驗。實驗井斜為30°，套管完全居中，實驗溫度70 ℃，實驗壓力5 MPa。實驗結果如表3、圖4和圖5所示。

表3 水泥漿體系失重實驗結果統計

圖4 斜井條件下水泥漿體系失重壓力實驗曲線

圖5 斜井條件下水泥漿體系失重實驗實物圖

由圖4可以看出，1#穩定性較差的常規水泥漿失重壓力曲線仍為“三段式”，初凝時刻水泥漿當量密度降為0.76 g/cm3；2#穩定性較好的低失水觸變性水泥漿失重曲線仍為“二段式”，初凝時刻水泥漿當量密度降為1.18 g/cm3。直井和斜井中2套典型水泥漿失重壓力實驗結果表明，若以初凝時刻作為氣竄的終止時刻，此時穩定性差的水泥漿液柱壓力可能低于等高清水柱，而穩定性好的水泥漿液柱壓力可能高于等高清水柱。按照經驗法設計環空憋壓值，可能憋壓不足引發氣竄，也可能憋壓值偏高壓漏地層。

3 應用實例

為精確計算初凝時刻失重壓力，依據實驗結果，充分考慮井溫對不同井段水泥漿失重影響，分段計算失重壓力。實驗結果表明，20 ℃以上的溫差會對水泥漿失重產生明顯影響，因此按此溫差對環空水泥漿分段開展失重評價實驗，并以1 m長水泥漿柱初凝時刻液柱壓力值，推算井下條件500～1000 m左右水泥漿失重壓力，再逐段疊加。下面以四川盆地磨溪—高石梯地區高壓氣井為例，探討固井候凝時環空憋壓值。

3.1 水泥漿失重壓力評價技術在X1井φ 244.5 mm技術套管固井應用

X1井二開中途完鉆井深3127 m，鉆至井深3000 m處雷口坡氣層氣侵顯示活躍，2200～2500 m處須家河組氣測異常顯示。該井下入φ244.5 mm套管，采用兩凝水泥漿固井，領漿與尾漿界面為2000 m，水泥漿密度為1.90 g/cm3，常規性能如表4所示。按照經驗公式，初凝時刻尾漿當量密度降至1.07 g/cm3，要壓穩雷口坡氣層（當量密度1.80 g/cm3）需要環空憋壓5.2 MPa。若依據水泥漿失重實驗結果，考慮分段失重，計算出候凝期間雷口坡當量密度及憋壓值如圖6所示，僅需環空憋壓3.8 MPa就能滿足壓穩防竄要求。該井固井后環空憋壓4 MPa候凝，固井質量合格，固井后未氣竄。

表4 X1井水泥漿常規性能

圖6 X1井二開候凝期間井深3000 m水泥漿當量密度和環空憋壓值

3.2 水泥漿失重壓力評價技術在X2井φ 177.8 mm尾管固井應用

X2井三開中途完鉆井深5117 m，鉆進過程3300～5000 m有十余個氣顯示層，其中底部5000 m處龍王廟氣層當量密度2.18 g/cm3，下入φ177.8 mm尾管封固2800～5117 m井段。該井采用兩凝水泥漿固井，尾漿與領漿界面3200 m，水泥漿密度為2.30 g/cm3，常規性能如表5所示。

表5 X2井水泥漿常規性能

按照經驗公式，初凝時刻尾漿當量密度降至1.07 g/cm3，要壓穩龍王廟氣層需要環空憋壓19.4 MPa，則中上部地層井漏風險較高。然而依據水泥漿失重評價實驗結果，尾漿底部與頂部初凝時間差異較大，考慮分段計算失重，計算出候凝期間龍王廟當量密度及憋壓值如圖7所示，龍王廟處尾漿初凝時僅需憋壓7.3 MPa就能滿足壓穩防竄。按照該方案憋壓候凝，固井質量合格，固井后未氣竄。

圖7 X2井三開候凝期間井深5000 m水泥漿當量密度和環空憋壓值

4 結論與認識

1.采用等比例縮小尺寸方法，研發了一套高溫高壓水泥漿失重壓力評價實驗裝置，解決了套管偏心與高壓下水泥漿失重壓力測試難題，并提出了一種分段計算水泥漿失重壓力的方法。

2.直井和斜井中的典型水泥漿失重壓力實驗結果表明，初凝時刻，穩定性差的水泥漿液柱壓力可能低于等高清水柱，而穩定性好的水泥漿液柱壓力可能高于等高清水柱。按照經驗法設計環空憋壓值，可能憋壓不足引發氣竄，也可能憋壓值偏高壓漏地層。

3.依據實驗結果分段計算水泥漿失重壓力的方法，在四川盆地磨溪—高石梯區塊高壓氣井得到檢驗，指導了環空憋壓候凝，固井后未發生環空氣竄。