水泥漿防氣竄性能評價新方法

摘 要

摘要：目前固井行業缺乏可結合實際情況進行水泥漿防氣竄性能的評價方法，導致在單井設計中水泥漿的防氣竄性能難以把握。通過規范水泥漿靜膠凝強度的試驗分析，提出將環空水泥漿柱
摘要：目前固井行業缺乏可結合實際情況進行水泥漿防氣竄性能的評價方法，導致在單井設計中水泥漿的防氣竄性能難以把握。通過規范水泥漿靜膠凝強度的試驗分析，提出將環空水泥漿柱視為由多段長度為30.48m的水泥漿柱組成，考察最接近氣層水泥漿柱能否抵抗氣侵從而延紳至井口的整個水泥漿柱的環空水泥漿防氣竄性能的評價新方法。使用該方法對固井水泥漿配方進行了研究，并結合氣田的現場尾管固井實例對所選水泥漿配方進行了評價。結果表明，在水泥漿的防氣竄設計中僅強調控制水泥漿失水或縮短水泥漿候凝期間的過渡時間是不夠的，必須提高水泥漿在候凝期間的內部結構阻力或降低水泥漿在候凝期間的滲透率，才能確保氣井的固井質量。該方法可指導入井水泥漿的防氣竄性能設計及評價。
關鍵詞：深井 超深井 固井 水泥漿 防氣竄 評價方法 靜膠凝強度
    一般將固井中的氣竄分為初次氣竄和二次氣竄，初次氣竄主要指固井作業期間或者固井作業結束后不久發生的氣竄。同井氣竄有3個途徑，即水泥或套管間的第一界面、水泥或地層間的第二界面和水泥本體內部。國內、國外已經有一些評價固井作業竄流問題的研究[1]，大部分工作針對的是固井作業施工評價方面的，不能結合實際情況進行水泥漿的防氣竄性能研究，在實際指導固井水泥漿配方設計應用方面受到了限制。本文是在前人研究的基礎上，針對水泥漿本體發生的初次氣竄問題的進一步研究。
1 試驗儀器和方法
    此部分試驗研究中的水泥漿需要進行一系列試驗，試驗中包括失水、靜膠凝強度和氣竄試驗。失水試驗的要求按GB 10238標準執行，只有當水泥漿的失水在100mL以內時才能進行后面的氣竄試驗跚。
1.1 靜膠凝強度
   目前對于水泥漿靜膠凝強度測試方法還沒有認可的行業標準。本研究中使用超聲波方法測量(儀器名稱：5265 SGSA，千德樂)。在研究中發現，水泥漿靜膠凝強度的試驗結果影響比較多，為了縮小試驗誤差，確定了水泥漿靜膠凝強度的對應試驗程序，要求各步操作時間須精確控制。
1.2 防氣竄
    測試水泥漿候凝期間的防氣竄能力的儀器是氣竄分析儀(7150FMA，千德樂)。由于氣竄試驗沒有行業試驗方法，為此進行了這方面研究。在此研究中，以封固氣層的水泥漿為研究目標，將氣層上部的水泥漿柱按30.48m的長度進行分隔考察。對于這些長為30.48m的水泥漿柱而言，只有當最接近氣層的那段30.48m長水泥漿柱被氣體竄穿以后，才會發生其臨近的水泥漿柱竄穿的情況。因此，環空水泥漿柱是否發生氣竄的關鍵是考察臨近氣層上部最近的第一段30.48m水泥漿柱是否會發生氣竄。當氣層最近一段30.48m長水泥漿柱被氣體竄穿以后，再遠一點的30.48m水泥漿柱才可能竄穿，以此類推可以推廣到整個環空水泥漿柱。
    此試驗方法分為兩個階段，當環空液柱壓力大于氣層壓力時為第一階段，此時不會發生氣竄，只會發生環空向地層的失水。隨著水泥漿靜膠凝強度的發展環空液柱壓力逐漸等于并小于氣層壓力，此時進入測竄階段。只要將環空水泥漿柱的靜膠凝強度發展測量出來，根據式(1)計算出環空水泥漿液柱壓力損失，得到環空液柱壓力的變化情況。即
 
式中pr為用于克服靜膠凝強度的壓力，Pa；sgs為靜膠凝強度，Pa；l為水泥漿柱長度，m；d1為井眼直徑，m；d2為套管直徑，m。
    在第一階段主要通過控制水泥漿的孔隙壓力變化進行試驗，一直到水泥漿的孔隙壓力接近氣層壓力時第一階段試驗結束，試驗進入第二階段即測竄階段。在進入測竄階段之后，以第一段水泥漿柱頂部為低壓排出部分，以該段水泥漿柱上部的液柱壓力為低壓排放壓力，根據式(2)得到室內氣竄試驗中的上部液柱壓力控制情況。隨著上部水泥漿的水化上部液柱壓力不斷降低，上部的排放壓力通過式(1)計算不斷減小直到0為止。因此，在進行室內測竄試驗時最后的回壓會逐漸減小到0。通過這種方法，對于研究特定井眼的環空竄流情況時就不用局限于井底氣層的數目和距離。
 
式中p1c為室內氣竄試驗中低壓排放壓力，MPa；lw為井眼內額定長度水泥漿柱高度，30.48m；p2w為高壓氣層壓力；MPa；p1w為最近氣層第一段30.48m長水泥漿柱上部液柱壓力，MPa；lc為試驗儀器內水泥漿柱高度，0.1524m；p2c為注塞壓力，2.8MPa。
    在評價水泥漿防氣竄能力時，為了保證靜膠凝強度數據的有效性，進行防氣竄試驗的對應準備工作用時應與靜膠凝強度的一致[3～5]。
2 氣竄水泥漿配方實例
最新的靜膠凝強度過渡時間定義為水泥漿靜膠凝強度48～240Pa的時間段，在此研究中設計了一種示例井眼，使得水泥漿在靜膠凝強度達到48Pa時開始測竄，能橫向研究不同水泥漿體系的防氣竄性能。按照建立的試驗方法和設計的示例井眼控制程序進行了一些水泥漿配方的防氣竄性能研究。表1所示為所研究的水泥漿組成及性能。1號水泥漿只含有通過降低濾餅滲透率進行失水控制的降失水劑F1，2號水泥漿只含有通過在氣液界面成膜作用進行失水控制的降失水劑F2，3號水泥漿為1號水泥漿加入了一種膠乳類防氣竄劑A，4號配方為1號水泥漿加入了膨脹劑E，從表1中可知除配方2外其余幾個配方屬于低失水、短候凝水泥漿體系。
 
2.1 配方1水泥漿
    圖1所示為配方1水泥漿氣竄試驗的流體竄流情況。從圖1可知，單純降失水劑F1雖然能有效控制水泥漿的失水，但是由于該配方在候凝期間不能有效限制水泥漿內流體的運移，在水泥漿面臨氣層流體威脅時不能有效增加水泥漿的抗氣體入侵阻力。因此，該類水泥漿體系的防氣竄效果不是很理想。

2.2 配方2水泥漿
    圖2所示為配方2水泥漿氣竄試驗的流體竄流情況。降失水劑F2通過在氣液界面成膜來控制失水，從圖2可以得知，對于該水泥漿配方，雖然降失水劑F2通過在水泥漿與地層交界處形成一種耐壓膜，一定程度上限制了氣體對水泥漿的侵入，但是由于在試驗溫度下該降失水劑成膜的穩定性不佳，不能有效降低候凝期間該水泥漿配方的滲透率。因此，后期氣體還是能不斷置換水泥漿內流體，最后發生了竄流。

2.3 配方3水泥漿
    圖3所示為配方3水泥漿氣竄試驗的流體竄流情況。從圖3中可知，向含有降失水劑F1的水泥漿中摻入一定量的膠乳類防氣竄劑A后，由于該類防氣竄劑可以通過在水泥漿內部擠壓成膜等作用來限制氣體在水泥漿中的運移，提高了該水泥漿在候凝期間的內部結構阻力，因而極大地提高了該水泥漿的防氣竄能力。
 

2.4 配方4水泥漿
   圖4所示為配方4水泥漿氣竄試驗的壓力控制情況。從圖4中可以知道。向含有降失水劑F1的水泥漿中摻入一定量的膨脹劑E，由于膨脹劑E主要是在水泥漿開始有強度后才開始通過晶格膨脹發生作用，在水泥漿候凝期間不能有效限制流體流動的作用，難以有效地降低候凝期間該水泥漿配方的滲透率。因此，水泥漿的竄流情況和單純加降失水劑F。的水泥漿配方防氣竄試驗結果幾乎一致。

3 現場固井配方研究
    使用作者所述的水泥漿防氣竄性能評價方法，對國內一些氣田的尾管固井水泥漿配方進行了研究。研究表明，現場固井效果和室內結果有很好的一致性。下面給出一些代表性的實例：
    實例1：A井第4次開鉆Φ215.9mm鉆頭鉆至井深4965m中途完鉆，Φ177.8mm尾管下至井深4963m，Φ177.8mm套管喇叭口在4100m，重合段長為107.9m。該井4309m以下存在很多厚度為0.5～10m不等的高壓含氣層，使用作者提及的膠乳水泥漿加重體系，采用雙凝水泥漿尾管懸掛固井，使用正注反擠固井工序，用緩凝水泥漿封固4100～4300m井段，用快干水泥漿封固4300～4965m井段，快干水泥漿配方室內竄流試驗未發生氣竄。測井結果表明，固井質量合格。
    實例2：B井為大斜度長位移開窗側鉆定向井。該井第5次開鉆用Φ149.2mm鉆頭，Φ177.8mm尾管(下深6097m)5990m開窗側鉆鉆至井深6990m完鉆。該井6736m以下存在4～15m不等的高壓氣層。尾管懸掛點為4850m，此次固井采用Φ127mm尾管懸掛固井封固4850～6990m井段。該井采用作者提及的膠乳水泥漿作為兩凝水泥漿體系，一次性正注水泥返至Φ127mm尾管懸掛器之上的固井工藝。快干水泥漿配方室內竄流試驗未發生氣竄，測井結果表明，固井質量合格。
實例3：C井是早期的一口開發井，該井第5次開鉆鉆至井深5645m完鉆Φ進行Φ177.8mm尾管懸掛固井，懸掛器位置為3150m，重合段長185m左右；兩凝界面選在5000m，水泥漿采用兩凝加砂、抗鹽體系，水泥漿密度為2.10～2.15g/cm3。可調，快干水泥漿封固5000～5643m井段，緩凝水泥漿封同3150～5000m井段。該井測井結果表明，氣層封固質量不佳，在事后使用該井水泥漿體系進行的室內防氣竄試驗中發生了氣竄。
4 結論
1) 水泥漿的防氣竄問題是一個非常復雜的問題，單純強調水泥漿的失水或短候凝是不夠的，必須降低在候凝過程中漿體的滲透率或者提高漿體對氣體入侵的阻力。
2) 提出的水泥漿竄流試驗方法能較有效地評價水泥漿內部的氣竄問題。
3) 該方法通過將環空水泥漿柱視為由多段30.48m長的水泥漿柱組成，考察最接近氣層水泥漿柱能否抵抗氣侵從而延伸至井口的整個水泥漿柱的環空竄流情況。
4) 通過對現場尾管固井研究表明，該方法能有效地指導氣井固井中入井水泥漿的設計。
參考文獻
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(本文作者：朱海金 屈建省 劉愛萍 鄒建龍 許加星 天津中油渤星工程科技有限公司)