水泥漿防氣竄關(guān)鍵性能及防氣竄能力評(píng)價(jià)方法

任秋璇，胡倩，蔣中晟(川慶鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司，四川 成都 610025)

0 引言

在油田鉆井技術(shù)的開(kāi)發(fā)工作中，為了有效提升油氣井固井的質(zhì)量，需要結(jié)合水泥特性、水泥漿流動(dòng)規(guī)律、壓力平衡、井身質(zhì)量等方面因素，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高固井質(zhì)量[1]。通過(guò)加強(qiáng)對(duì)水泥漿防氣竄關(guān)鍵性能以及防氣竄能力方法的研究，可以有效提升防氣竄工作的效果，提高固井質(zhì)量，保證油井開(kāi)采效率。

1 環(huán)空氣竄的危害和途徑

1.1 環(huán)空氣竄的危害

固井后環(huán)空氣竄是指在注水泥結(jié)束之后，水泥漿會(huì)由液態(tài)逐步轉(zhuǎn)化為固態(tài)，由于水泥漿不能保持對(duì)空氣的壓力，或是水泥漿竄槽等原因，導(dǎo)致膠結(jié)質(zhì)量較差，從而使氣層氣體竄入到水泥石基體、水泥與套管水泥與井壁之間的間隙等空間，造成空氣層間互竄，或竄入井口[2]。在當(dāng)前的固井工藝中，固井后的環(huán)空氣竄是一個(gè)重大的難題，若固井后發(fā)生環(huán)空氣竄，會(huì)造成以下幾方面的危害：(1)導(dǎo)致水泥石的膠結(jié)強(qiáng)度降低，造成層間竄流的問(wèn)題，對(duì)油氣層的測(cè)試評(píng)價(jià)造成不利影響，對(duì)油氣層造成污染，進(jìn)而導(dǎo)致油氣的采收率下降。(2)對(duì)油井開(kāi)發(fā)的后續(xù)造成不利影響，不利于注水、酸化壓裂和分層開(kāi)采等工藝進(jìn)行，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)造成井口冒油、冒氣等問(wèn)題，甚至導(dǎo)致固井后井噴事故的出現(xiàn)，威脅生產(chǎn)的安全。(3)如果出現(xiàn)嚴(yán)重的環(huán)空氣竄，可能會(huì)造成油氣井報(bào)廢，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和資源浪費(fèi)。(4)會(huì)導(dǎo)致流體侵蝕和腐蝕套管，影響套管的強(qiáng)度，導(dǎo)致其使用壽命下降。

1.2 環(huán)空氣竄的途徑

研究認(rèn)為，導(dǎo)致環(huán)空氣竄的原因主要有以下三個(gè)：(1)頂替效率不高會(huì)導(dǎo)致水泥漿出現(xiàn)竄槽的問(wèn)題，在水泥膠凝、脫水和收縮的過(guò)程中，會(huì)形成氣竄的通道，從而導(dǎo)致氣竄的發(fā)生。(2)水泥石與套管和水泥石和地層之間存在微環(huán)隙，導(dǎo)致出現(xiàn)氣竄。導(dǎo)致出現(xiàn)微環(huán)隙的原因主要有三個(gè)，分別是水泥凝固時(shí)發(fā)生的化學(xué)收縮、水泥漿自由水析和溫度壓力變化[3]。(3)水泥漿始終也會(huì)導(dǎo)致環(huán)空氣竄的發(fā)生。

2 影響水泥漿防氣竄關(guān)鍵性能的主要指標(biāo)

2.1 密度

在水泥漿注替以及凝固處理的過(guò)程中，就會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的竄流現(xiàn)象。其中水泥的密度是一個(gè)關(guān)鍵性的影響因素，因此在水泥漿注漿以及所產(chǎn)生的井液柱壓力與流動(dòng)阻力的過(guò)程中，就會(huì)出現(xiàn)有流動(dòng)性的地層流體壓力，這樣在小于地層壓力的情況下，就會(huì)出現(xiàn)有相應(yīng)的破裂壓力等現(xiàn)象，從而產(chǎn)生竄流的現(xiàn)象。其中，在水泥漿的組成過(guò)程中，主要包括在水泥、配漿水、外加劑等方面的材料，這些材質(zhì)的密度會(huì)對(duì)整個(gè)防氣竄的性能形成相應(yīng)的影響，并且對(duì)水泥漿的整個(gè)密度都有很大的反作用。其中，可以通過(guò)改變水灰比等方式，形成對(duì)整個(gè)密度的整體調(diào)節(jié)，因此在整個(gè)漿體的控制中，要嚴(yán)格注意相應(yīng)的密度[4]。

2.2 失水

在水泥漿主體注替過(guò)程中，受到水泥漿壓差的作用，會(huì)形成約束自由水的能力。相關(guān)的研究結(jié)果表明，如果在水泥漿施工過(guò)程中，沒(méi)有對(duì)濾失速率進(jìn)行嚴(yán)格控制，在水泥漿頂替到位以后，在比較短的時(shí)間內(nèi)就會(huì)形成快速反應(yīng)，出現(xiàn)縮水反應(yīng)以后，環(huán)空液柱壓力和地層壓力之間的平衡就會(huì)受到一定的影響，進(jìn)而對(duì)固井質(zhì)量產(chǎn)生不利的影響。當(dāng)失水現(xiàn)象出現(xiàn)以后，受到失水的影響，氣層上會(huì)出現(xiàn)橋堵的問(wèn)題，導(dǎo)致壓力的正常傳遞不能夠?qū)崿F(xiàn)。在橋堵點(diǎn)以下的位置，水泥漿會(huì)保持液體的形態(tài)，環(huán)空壓力會(huì)小于地層壓力，在這種情況下會(huì)出現(xiàn)地層流體環(huán)空性入侵的情況出現(xiàn)，這對(duì)整個(gè)固井施工工藝造成不利的影響，影響施工的質(zhì)量。

2.3 失重

在水泥漿防氣竄工作中，若水泥漿出現(xiàn)失重的問(wèn)題，可能會(huì)導(dǎo)致固井施工過(guò)程中出現(xiàn)地層立體入侵的情況，對(duì)水泥漿柱的完整性造成不利的影響，還可能會(huì)導(dǎo)致水泥漿環(huán)空竄流的問(wèn)題出現(xiàn)，極大影響固井的質(zhì)量，因此做好失重問(wèn)題的控制是水泥漿防氣竄工作中非常重要的步驟。失重問(wèn)題的出現(xiàn)可能是由于膠凝而引起的，膠凝引起失重以后，在物理作用和化學(xué)作用的雙重作用下，水泥漿會(huì)從液體逐步轉(zhuǎn)化成液體。在這個(gè)轉(zhuǎn)化過(guò)程中，水泥漿會(huì)以?xún)煞N形式共同存在。此時(shí)在網(wǎng)架等結(jié)構(gòu)的作用下，一些水泥漿的重量會(huì)懸掛在井壁以及套管等之上，水泥漿的重量被這些結(jié)構(gòu)分擔(dān)，其在地層中的壓力作用就會(huì)降低，這可能會(huì)造成竄流問(wèn)題的出現(xiàn)。此外，橋堵也會(huì)引起失重問(wèn)題的出現(xiàn)，在水泥漿的施工過(guò)程中，失水之后會(huì)形成水泥餅，在鉆井過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生巖石和碎屑等。在施工過(guò)程中受到這些因素的影響，滲透層井徑間隙較小時(shí)，會(huì)出現(xiàn)橋堵的問(wèn)題。在出現(xiàn)橋堵之后，橋堵部分注漿的壓力就不能被有效地傳遞到下部的地層之中，特別是當(dāng)水泥漿體積減少時(shí)，會(huì)生成靜液柱壓力，受到這兩方面因素的雙重作用，會(huì)造成竄流現(xiàn)象的出現(xiàn)，對(duì)固井質(zhì)量造成比較大的影響。

2.4 靜膠凝強(qiáng)度過(guò)渡時(shí)間

水泥漿凝固需要一定的時(shí)間，在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，水泥漿存在一個(gè)由液體向著固態(tài)轉(zhuǎn)變的使時(shí)期，在這個(gè)使其水泥漿不是完全的固態(tài)，也不是完全的液態(tài)，這個(gè)時(shí)期被稱(chēng)為靜膠凝強(qiáng)度過(guò)渡時(shí)間。在這個(gè)時(shí)期，由于水泥漿的狀態(tài)，會(huì)對(duì)液柱壓力的傳遞效果造成明顯的限制，導(dǎo)致水泥漿出現(xiàn)壓力明顯下降的問(wèn)題，同時(shí)也會(huì)造成水泥漿內(nèi)部出現(xiàn)滲透性不好的問(wèn)題。在這樣的情況下，氣體不能形成有效的運(yùn)移，進(jìn)而導(dǎo)致竄流問(wèn)題的出現(xiàn)。相關(guān)研究結(jié)果顯示，通過(guò)對(duì)多組不同水泥漿體系失重或者竄流的試驗(yàn)過(guò)程中，在水泥漿靜止之后，10 min內(nèi)靜膠凝強(qiáng)度就會(huì)呈現(xiàn)出相應(yīng)的變化，特別是當(dāng)壓力處于10～50 Pa 的過(guò)程中，會(huì)有明顯的失重情況出現(xiàn)，進(jìn)而可能導(dǎo)致氣竄等問(wèn)題；當(dāng)壓力不斷上升，達(dá)到130～220 Pa之后，隨著壓力的上升，水泥漿能夠良好地阻止竄流問(wèn)題的出現(xiàn)。基于上述研究可知，水泥漿靜膠凝強(qiáng)度過(guò)渡時(shí)間越短，越能夠形成結(jié)構(gòu)全面發(fā)展的水泥漿。在這樣的情況下，可以有效避免竄流情況的出現(xiàn)，保證固井的質(zhì)量。

3 防氣竄能力評(píng)價(jià)的有效方法

3.1 沉降穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)

在對(duì)水泥漿進(jìn)行沉降穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)工作中，首先要對(duì)水泥漿進(jìn)行綜合管理，做好養(yǎng)護(hù)工作；然后在養(yǎng)護(hù)好的水泥漿中隨機(jī)選擇樣品，選擇500 mL水泥漿，用量筒乘取，并且放置2 h。在2 h以后，將量筒上部和下部的水泥漿分別倒入到強(qiáng)度試模中，對(duì)其進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。此時(shí)，利用凝固時(shí)間，以及其他一些相關(guān)角度測(cè)量出來(lái)的數(shù)據(jù)，計(jì)算出水泥漿密度。在上下部水泥漿石磨塊的換算密度中，能夠形成對(duì)防氣竄相關(guān)因素的整體運(yùn)行。在整個(gè)計(jì)算過(guò)程中，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)塑性膨脹防氣竄水泥漿體系形成沉降穩(wěn)定性的控制。當(dāng)自由液的數(shù)值達(dá)到0時(shí)，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，可以對(duì)水泥漿整體防氣竄的綜合性能進(jìn)行計(jì)算，獲得水泥漿防氣竄的能力，對(duì)其能力進(jìn)行綜合性的評(píng)價(jià)。

3.2 韌性與膨脹評(píng)價(jià)的運(yùn)用

在水泥漿防氣竄方法中韌性與膨脹評(píng)價(jià)具有重要應(yīng)用。韌性與膨脹評(píng)價(jià)是一種綜合性的評(píng)價(jià)方式，應(yīng)用了材料的彈性形成模量控制方式，相關(guān)的地質(zhì)狀況和整體性能技術(shù)，在具體的應(yīng)用中，按照材料彈性模量越小或泊松比越大其韌性越好原則，使用三軸應(yīng)力實(shí)驗(yàn)儀和水泥石膨脹收縮儀對(duì)水泥石彈性模量和膨脹性進(jìn)行測(cè)試，基于測(cè)試結(jié)果，對(duì)水泥漿的防氣竄能力進(jìn)行評(píng)價(jià)。塑性膨脹防氣竄水泥漿體系的彈性模量較常規(guī)體系降低了18.3%，具有更好的塑性。同時(shí)該體系不發(fā)生體積收縮，膨脹率3.41%。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)綜合評(píng)價(jià)的全面運(yùn)用

塑性膨脹防氣竄水泥漿體系已經(jīng)進(jìn)行了很多的應(yīng)用實(shí)踐，舉例來(lái)說(shuō)。在XX8-11、XX8004 等多口井油層套管固井中，都應(yīng)用了塑性膨脹防氣竄水泥漿體系，獲得了很好的效果，總體來(lái)說(shuō)，具有較好的合格率，可以很好地滿(mǎn)足水平井分段壓裂投產(chǎn)施工要求。如XX8-11井，具體參數(shù)如下：完鉆井深7420m，5-1/2″尾管下深7418m。通過(guò)應(yīng)用塑性膨脹防氣竄水泥漿體系，結(jié)合其他一些工藝技術(shù)，包括水平井前置液性能優(yōu)化、細(xì)化固井施工工藝等技術(shù)措施，有效地提高了固井的質(zhì)量。結(jié)果顯示，該固井質(zhì)量合格率達(dá)90.24%，優(yōu)良率72.98%。該井分段壓裂施工，在井口油壓最高 93.057 MPa、套壓 35.095 MPa下投產(chǎn)至今未發(fā)生環(huán)空氣竄現(xiàn)象。有效地保證了油井開(kāi)采的效率，提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)語(yǔ)

在通過(guò)應(yīng)用先進(jìn)的技術(shù)手段、合理的試驗(yàn)方式，結(jié)合水泥漿的性能，以及和其他材料之間的配合關(guān)系。對(duì)水泥漿防氣竄關(guān)鍵性能和評(píng)價(jià)方式進(jìn)行研究，可以更深入地了解水泥漿防氣竄關(guān)鍵性能，并且更好地進(jìn)行水泥漿防氣竄能力評(píng)價(jià)，從而優(yōu)化水泥漿防氣竄能力，提高固井質(zhì)量，為油氣田的高效開(kāi)采提供質(zhì)量保證。