朱海金 屈建省 劉愛(ài)萍 鄒建龍 許加星

天津中油渤星工程科技有限公司

水泥漿防氣竄性能評(píng)價(jià)新方法

朱海金 屈建省 劉愛(ài)萍 鄒建龍 許加星

天津中油渤星工程科技有限公司

朱海金等.水泥漿防氣竄性能評(píng)價(jià)新方法.天然氣工業(yè),2010,30(8):55-58.

目前固井行業(yè)缺乏可結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行水泥漿防氣竄性能的評(píng)價(jià)方法,導(dǎo)致在單井設(shè)計(jì)中水泥漿的防氣竄性能難以把握。通過(guò)規(guī)范水泥漿靜膠凝強(qiáng)度的試驗(yàn)分析,提出將環(huán)空水泥漿柱視為由多段長(zhǎng)度為30.48 m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(gè)水泥漿柱的環(huán)空水泥漿防氣竄性能的評(píng)價(jià)新方法。使用該方法對(duì)固井水泥漿配方進(jìn)行了研究,并結(jié)合氣田的現(xiàn)場(chǎng)尾管固井實(shí)例對(duì)所選水泥漿配方進(jìn)行了評(píng)價(jià)。結(jié)果表明,在水泥漿的防氣竄設(shè)計(jì)中僅強(qiáng)調(diào)控制水泥漿失水或縮短水泥漿候凝期間的過(guò)渡時(shí)間是不夠的,必須提高水泥漿在候凝期間的內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(zhì)量。該方法可指導(dǎo)入井水泥漿的防氣竄性能設(shè)計(jì)及評(píng)價(jià)。

深井 超深井 固井 水泥漿 防氣竄 評(píng)價(jià)方法 靜膠凝強(qiáng)度

DO I:10.3787/j.issn.100020976.2010.08.015

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(yè)期間或者固井作業(yè)結(jié)束后不久發(fā)生的氣竄。固井氣竄有3個(gè)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(nèi)部。國(guó)內(nèi)、國(guó)外已經(jīng)有一些評(píng)價(jià)固井作業(yè)竄流問(wèn)題的研究[1],大部分工作針對(duì)的是固井作業(yè)施工評(píng)價(jià)方面的,不能結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行水泥漿的防氣竄性能研究,在實(shí)際指導(dǎo)固井水泥漿配方設(shè)計(jì)應(yīng)用方面受到了限制。本文是在前人研究的基礎(chǔ)上,針對(duì)水泥漿本體發(fā)生的初次氣竄問(wèn)題的進(jìn)一步研究。

1 試驗(yàn)儀器和方法

此部分試驗(yàn)研究中的水泥漿需要進(jìn)行一系列試驗(yàn),試驗(yàn)中包括失水、靜膠凝強(qiáng)度和氣竄試驗(yàn)。失水試驗(yàn)的要求按 GB 10238標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行,只有當(dāng)水泥漿的失水在100 mL以內(nèi)時(shí)才能進(jìn)行后面的氣竄試驗(yàn)[2]。

1.1 靜膠凝強(qiáng)度

目前對(duì)于水泥漿靜膠凝強(qiáng)度測(cè)試方法還沒(méi)有認(rèn)可的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。本研究中使用超聲波方法測(cè)量(儀器名稱:5265 SGSA,千德樂(lè))。在研究中發(fā)現(xiàn),水泥漿靜膠凝強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果影響比較多,為了縮小試驗(yàn)誤差,確定了水泥漿靜膠凝強(qiáng)度的對(duì)應(yīng)試驗(yàn)程序,要求各步操作時(shí)間須精確控制。

1.2 防氣竄

測(cè)試水泥漿候凝期間的防氣竄能力的儀器是氣竄分析儀(7150 FMA,千德樂(lè))。由于氣竄試驗(yàn)沒(méi)有行業(yè)試驗(yàn)方法,為此進(jìn)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(biāo),將氣層上部的水泥漿柱按30.48 m的長(zhǎng)度進(jìn)行分隔考察。對(duì)于這些長(zhǎng)為30.48 m的水泥漿柱而言,只有當(dāng)最接近氣層的那段30.48 m長(zhǎng)水泥漿柱被氣體竄穿以后,才會(huì)發(fā)生其臨近的水泥漿柱竄穿的情況。因此,環(huán)空水泥漿柱是否發(fā)生氣竄的關(guān)鍵是考察臨近氣層上部最近的第一段30.48 m水泥漿柱是否會(huì)發(fā)生氣竄。當(dāng)氣層最近一段30.48 m長(zhǎng)水泥漿柱被氣體竄穿以后,再遠(yuǎn)一點(diǎn)的30.48 m水泥漿柱才可能竄穿,以此類(lèi)推可以推廣到整個(gè)環(huán)空水泥漿柱。

此試驗(yàn)方法分為兩個(gè)階段,當(dāng)環(huán)空液柱壓力大于氣層壓力時(shí)為第一階段,此時(shí)不會(huì)發(fā)生氣竄,只會(huì)發(fā)生環(huán)空向地層的失水。隨著水泥漿靜膠凝強(qiáng)度的發(fā)展環(huán)空液柱壓力逐漸等于并小于氣層壓力,此時(shí)進(jìn)入測(cè)竄階段。只要將環(huán)空水泥漿柱的靜膠凝強(qiáng)度發(fā)展測(cè)量出來(lái),根據(jù)式(1)計(jì)算出環(huán)空水泥漿液柱壓力損失,得到環(huán)空液柱壓力的變化情況。即

式中 pr為用于克服靜膠凝強(qiáng)度的壓力,Pa;sgs為靜膠凝強(qiáng)度,Pa;l為水泥漿柱長(zhǎng)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(guò)控制水泥漿的孔隙壓力變化進(jìn)行試驗(yàn),一直到水泥漿的孔隙壓力接近氣層壓力時(shí)第一階段試驗(yàn)結(jié)束,試驗(yàn)進(jìn)入第二階段即測(cè)竄階段。在進(jìn)入測(cè)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(jù)式(2)得到室內(nèi)氣竄試驗(yàn)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(guò)式(1)計(jì)算不斷減小直到0為止。因此,在進(jìn)行室內(nèi)測(cè)竄試驗(yàn)時(shí)最后的回壓會(huì)逐漸減小到0。通過(guò)這種方法,對(duì)于研究特定井眼的環(huán)空竄流情況時(shí)就不用局限于井底氣層的數(shù)目和距離。式中 p1c為室內(nèi)氣竄試驗(yàn)中低壓排放壓力,M Pa;lw為井眼內(nèi)額定長(zhǎng)度水泥漿柱高度,30.48 m;p2w為高壓氣層壓力;M Pa;p1w為最近氣層第一段30.48 m長(zhǎng)水泥漿柱上部液柱壓力,M Pa;lc為試驗(yàn)儀器內(nèi)水泥漿柱高度,0.152 4 m;p2c為注塞壓力,2.8 M Pa。

在評(píng)價(jià)水泥漿防氣竄能力時(shí),為了保證靜膠凝強(qiáng)度數(shù)據(jù)的有效性,進(jìn)行防氣竄試驗(yàn)的對(duì)應(yīng)準(zhǔn)備工作用時(shí)應(yīng)與靜膠凝強(qiáng)度的一致[325]。

2 氣竄水泥漿配方實(shí)例

最新的靜膠凝強(qiáng)度過(guò)渡時(shí)間定義為水泥漿靜膠凝強(qiáng)度48～240 Pa的時(shí)間段,在此研究中設(shè)計(jì)了一種示例井眼,使得水泥漿在靜膠凝強(qiáng)度達(dá)到48 Pa時(shí)開(kāi)始測(cè)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(yàn)方法和設(shè)計(jì)的示例井眼控制程序進(jìn)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(hào)水泥漿只含有通過(guò)降低濾餅滲透率進(jìn)行失水控制的降失水劑F1,2號(hào)水泥漿只含有通過(guò)在氣液界面成膜作用進(jìn)行失水控制的降失水劑F2,3號(hào)水泥漿為1號(hào)水泥漿加入了一種膠乳類(lèi)防氣竄劑A,4號(hào)配方為1號(hào)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(gè)配方屬于低失水、短候凝水泥漿體系。

表1 水泥漿防氣竄試驗(yàn)配方及性能表

2.1 配方1水泥漿

圖1所示為配方1水泥漿氣竄試驗(yàn)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(nèi)流體的運(yùn)移,在水泥漿面臨氣層流體威脅時(shí)不能有效增加水泥漿的抗氣體入侵阻力。因此,該類(lèi)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1 配方1流體竄流情況圖

圖2 配方2流體竄流情況圖

圖2所示為配方2水泥漿氣竄試驗(yàn)的流體竄流情況。降失水劑F2通過(guò)在氣液界面成膜來(lái)控制失水,從圖2可以得知,對(duì)于該水泥漿配方,雖然降失水劑 F2通過(guò)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(duì)水泥漿的侵入,但是由于在試驗(yàn)溫度下該降失水劑成膜的穩(wěn)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(nèi)流體,最后發(fā)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(yàn)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(lèi)防氣竄劑A后,由于該類(lèi)防氣竄劑可以通過(guò)在水泥漿內(nèi)部擠壓成膜等作用來(lái)限制氣體在水泥漿中的運(yùn)移,提高了該水泥漿在候凝期間的內(nèi)部結(jié)構(gòu)阻力,因而極大地提高了該水泥漿的防氣竄能力。

圖3 配方3流體竄流情況圖

2.4 配方4水泥漿

圖4所示為配方4水泥漿氣竄試驗(yàn)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(kāi)始有強(qiáng)度后才開(kāi)始通過(guò)晶格膨脹發(fā)生作用,在水泥漿候凝期間不能有效限制流體流動(dòng)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F1的水泥漿配方防氣竄試驗(yàn)結(jié)果幾乎一致。

圖4 配方4流體竄流情況圖

3 現(xiàn)場(chǎng)固井配方研究

使用作者所述的水泥漿防氣竄性能評(píng)價(jià)方法,對(duì)國(guó)內(nèi)一些氣田的尾管固井水泥漿配方進(jìn)行了研究。研究表明,現(xiàn)場(chǎng)固井效果和室內(nèi)結(jié)果有很好的一致性。下面給出一些代表性的實(shí)例:

實(shí)例2:B井為大斜度長(zhǎng)位移開(kāi)窗側(cè)鉆定向井。該井第5次開(kāi)鉆用149.2 mm鉆頭,177.8 mm尾管(下深6 097 m)5 990 m開(kāi)窗側(cè)鉆鉆至井深6 990 m完鉆。該井6 736 m以下存在4～15 m不等的高壓氣層。尾管懸掛點(diǎn)為4 850 m,此次固井采用127 mm尾管懸掛固井封固4 850～6 990 m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127 mm尾管懸掛器之上的固井工藝?？旄伤酀{配方室內(nèi)竄流試驗(yàn)未發(fā)生氣竄,測(cè)井結(jié)果表明,固井質(zhì)量合格。

實(shí)例3:C井是早期的一口開(kāi)發(fā)井,該井第5次開(kāi)鉆鉆至井深5 645 m完鉆,進(jìn)行177.8 mm尾管懸掛固井,懸掛器位置為3 150 m,重合段長(zhǎng)185 m左右;兩凝界面選在5 000 m,水泥漿采用兩凝加砂、抗鹽體系,水泥漿密度為2.10～2.15 g/cm3可調(diào),快干水泥漿封固5 000～5 643 m井段,緩凝水泥漿封固3 150～5 000 m井段。該井測(cè)井結(jié)果表明,氣層封固質(zhì)量不佳,在事后使用該井水泥漿體系進(jìn)行的室內(nèi)防氣竄試驗(yàn)中發(fā)生了氣竄。

4 結(jié)論

1)水泥漿的防氣竄問(wèn)題是一個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題,單純強(qiáng)調(diào)水泥漿的失水或短候凝是不夠的,必須降低在候凝過(guò)程中漿體的滲透率或者提高漿體對(duì)氣體入侵的阻力。

2)提出的水泥漿竄流試驗(yàn)方法能較有效地評(píng)價(jià)水泥漿內(nèi)部的氣竄問(wèn)題。

3)該方法通過(guò)將環(huán)空水泥漿柱視為由多段30.48 m長(zhǎng)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(gè)水泥漿柱的環(huán)空竄流情況。

4)通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)尾管固井研究表明,該方法能有效地指導(dǎo)氣井固井中入井水泥漿的設(shè)計(jì)。

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2010-05-26 編輯 鐘水清)

中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司基礎(chǔ)研究項(xiàng)目“天然氣井固井水泥環(huán)封隔性能研究”(編號(hào):2008A22304)和中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司科研項(xiàng)目“烏茲別克斯坦費(fèi)爾甘納盆地深井超深井鉆井技術(shù)攻關(guān)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)”(編號(hào):2008E21607)。

朱海金,1978年生,工程師;2002年畢業(yè)于天津大學(xué),獲工學(xué)碩士學(xué)位;從事固井外加劑研究和技術(shù)服務(wù)工作。地址:(300451)天津市塘沽區(qū)津塘公路40號(hào)。電話:(022)66310216,13920891393。E-mail:zhuhaij@cnpc.com.cn