油氣井固井注水泥頂替的理論模型及應用分析

張雅秋

（大慶鉆探工程公司鉆技一公司固井設備修保廠，黑龍江大慶163000）

1 概述

固井工程在油氣勘探開發中發揮重要作用，在油氣井建設過程中起到承上啟下的作用，固井的目的是將油氣井套管外部空間進行封固，固井質量的好壞對后續施工影響重大。隨著我國大多油田已進入開發中后期，主力區塊資源開發動用程度較高，勘探目標向薄互層、復雜斷塊轉變，這些勘探區塊地層情況復雜，地層非均質性強、構造變化多樣，給油氣井固井增加了難度，如何提升固井質量是面臨的難題。

固井的過程是水泥漿驅替套管外部環形空間鉆井液，水泥漿充滿環形空間后，凝固形成水泥墻，實現對井壁的封固。在這個過程中，要達到好的固井效果，必須保證水泥漿具有好的頂替效率，如果水泥漿頂替不徹底，在凝固的過程中，受殘余鉆井液影響，會在封固井段形成鉆井液槽，影響了固井質量，使得容易出現竄槽的情況。鉆井液頂替效率對固井質量的影響較大，鉆井液頂替效率在實驗室很難準確測定，主要原因是在實驗室很難模擬真實的井筒條件，其次，在實驗室水泥漿頂替過程中，水泥漿的截面與實際固井存在差距，最后，水泥漿在頂替過程中存在紊流情況，在實驗室難以準確模擬。因此，加強對固井水泥漿流變性能研究，結合固井頂替流動模型研究，提升固井頂替效率，對于保障固井質量具有重要意義。

2 水泥漿流變性能研究

2.1 水泥漿流變性能

水泥漿流變性能對固井質量影響較大，為了提高固井質量，需要對水泥漿性能進行優化設計，水泥漿流變好有利于注水泥施工，能夠提升水泥漿的頂替效率。水泥漿按其特性來分，滿足非牛頓流體的特性（即剪切應力與剪切速率不滿足線性關系），非牛頓流體又可以分為塑性流體、假塑性流體、膨脹性流體、假屈服膨脹性流體、屈服膨脹性流體等，這些不同類型流體剪切應力與剪切速率的關系如圖1所示。

圖1 常見非牛頓流體的流變特性

塑性流體的特征是受力后不會立即發生形變流動，開始流動時剪切應力和速度梯度關系為曲線，隨著切力變大，流體粘度降低，隨著流速增大，切力逐漸降低，最后二者呈近似直線關系，流體性能達到接近牛頓流體狀態。

2.2 水泥漿性能影響因素分析

水泥漿中含有大量的固相顆粒（可達70%），這些固相顆粒多呈懸浮狀態，水泥漿流變性能主要受到固相顆粒含量、固相顆粒間相互作用力、懸浮液的流變性等影響，除了固相顆粒之外，水泥漿體系中含有大量有機添加劑及離子核。水泥漿的密度由水灰比決定，同時水灰比不同，水泥漿中固相顆粒間的相互作用力也存在差異。因此，水泥漿在配制過程中的條件，決定了水泥漿的性能，具體如水泥漿中固相顆粒的粒徑大小及形態、水泥漿水灰比、水泥顆粒的化學性質、有機添加劑、配漿的溫壓條件等，這些都會影響水泥漿性能。

水泥粉末與水混合時，水泥粉末會發生水化，水泥顆粒表面會形成正負電荷，在電荷的作用下，水泥顆粒在流體中形成一定的網狀空間結構，這種網狀空間結構的存在會導致水泥漿流動性變差，在泵入水泥漿過程中，為了提升其流動性可以加入聚陰離子破壞水泥漿的空間網狀結構。溫度對水泥漿性能的影響主要表現在對水泥水化速率的影響，同時溫度還影響水泥的水化過程。溫度升高水泥漿水化的速率明顯升高，并且水泥漿不易形成穩固的空間結構，流動性也更好。水泥漿中添加劑也會影響水泥漿性能，例如水泥漿中應用比較普遍的陰離子聚合物磺酸鹽、烴基羧酸、非離子聚合物纖維素等，這些添加劑能夠破壞水泥漿空間結構，使水泥漿中水泥顆粒處于分散狀態，從而影響其流動性。

3 固井注水泥頂替理論模型研究

影響固井質量的因素很多，其中注水泥頂替效率對固井質量的影響最大，而套管居中度、紊流、隔離液的性能、套管活動、水泥漿性能與鉆井液是否匹配、鉆井液與水泥漿的密度差、鉆井液性能等都會影響水泥漿的頂替效率。在這些影響因素中，套管居中度影響最大，套管的偏心程度決定了固井質量。

3.1 偏心頂替模型

當環空規則時，水泥漿的頂替是比較均勻的。但是實際的井眼受到井壁垮塌、縮徑等影響，井壁通常不規則，導致套管居中受到影響，套管偏心的情況較為常見。受到套管偏心影響，注水泥時容易出現鉆井液竄槽的情況。套管偏心會使得套管外徑與井壁之間的空間分布不均勻，導致注水泥的流量、流速、流態受到影響，從而影響水泥漿頂替效率。

圖2 偏心頂替

套管偏心頂替如圖2 所示，假設井眼直徑為2R，套管外徑為2r，二者偏心距離為ε，不同位置套管外壁與井壁的距離h=AB，由此可以計算套管的偏心度e。

3.2 套管偏心環空中流體的流動特征

由于水泥漿具有靜切應力，為塑性流體，滿足賓漢流體模型，因此，可以采用賓漢流體模型來研究水泥漿在井眼中的流動特征。

當套管偏心度發生變化時，隨著偏心度的增加，套管外壁與井壁的環空中不同位置的水泥漿流速及流態差異較大，最寬處流體流速能夠達到最窄處流速的幾十倍，并且在最寬處的流體流態為紊流，最窄處流體流態為層流。由于流速和流態的差異，在注水泥時，距離較寬的位置流體流動較快，鉆井液已經被水泥漿頂替走，而距離較窄的位置由于流體流速慢，鉆井液頂替不完全，導致出現竄槽。

4 技術應用

4.1 優化水泥漿性能

為了提高水泥漿的抗竄能力，可以使用抗竄劑，抗竄劑中含有大量的有機化合物、水溶性醇、鐵離子、鋁離子等，可以在流體中形成易溶的絡合物，這種絡合物可以在水力顆粒上形成可溶性區間，加速了水泥漿的凝結，使水泥漿能夠快速形成空間網狀結構，使地層水被阻隔，不易發生竄槽等情況。抗竄劑中的鐵離子、鋁離子能夠與水泥漿中的氫氧化鈣反應，生成懸浮狀的膠體化合物，填充在顆粒的間隙，強化了水泥漿的空間結構，提升了水泥漿的防水滲能力。因此，為提升水泥漿抗竄能力，需要配制高密度抗竄水泥漿體系，這種水泥漿密度大、凝結速度快、抗滲能力強、凝結強度發展迅速、抗竄能力強、體積膨脹率小等優點，能夠起到較好的防水泥漿竄槽的效果。

4.2 加重沖洗隔離液

沖洗隔離液主要由無機化合物、表面活性劑、懸浮劑、穩定劑、加重劑等物質組成，以上成分中懸浮劑構成隔離液的主要成分，其分子量大，能夠顯著提升隔離液的穩定性和懸浮效果。沖洗隔離液中的懸浮劑中含有大量的羧基、烴基、環烷基等，在與水接觸后，這些親水基團吸水，分子鏈延長交叉，由于懸浮劑分子量大，形成較多的支鏈，高分子物質通過支鏈連接，形成的網狀空間結構復雜，但分子鏈作用力較弱。高分子物質懸浮性強，但流動性較好。

5 結束語

固井是油氣井工程中的重要環節，固井質量的好壞不僅影響后續施工作業，還影響油氣井產能，決定了油氣井壽命。針對固井過程中存在的水泥漿頂替效率低、高壓層穩壓難度大、井筒內環境復雜、射孔破壞水泥環穩定性等問題，需要采取優化固井水泥漿性能、提高水泥漿防竄能力、提升沖洗隔離液的密度等措施，達到提高固井質量的目的。