金勇,許明標,王曉亮 (長江大學石油工程學院,湖北 武漢 430100)

適合小井眼單通道井固井水泥漿體系研究

金勇,許明標,王曉亮 (長江大學石油工程學院,湖北 武漢 430100)

小井眼單通道井將小井眼鉆井技術與單通道井技術相結(jié)合,由于環(huán)空間隙小以及只有一個油管通道的特點,在固井中對水泥漿的性能及安全性提出了更高的要求。通過室內(nèi)比較研究,針對小井眼單通道井固井的特點,提出了一套用D級水泥配制的低黏聚合物水泥漿體系,該體系流變性能好,濾失量小,零自由水,穩(wěn)定性好,密度和稠化時間可調(diào),韌性好,安全性能好,能滿足小井眼單通道井固井對水泥漿的各項要求,具有良好的應用前景。

小井眼;單通道井;固井;水泥漿

在油田開發(fā)的中后期,開采未被開發(fā)的儲量難度越來越大,采用常規(guī)的鉆完井模式開采的話,投入高,風險大,經(jīng)濟效益不高。此外,針對一些邊際油田和那些單井產(chǎn)量不高的區(qū)塊,也不適宜采用常規(guī)的鉆完井模式。小井眼單通道井將小井眼鉆井技術與單通道井技術相結(jié)合,采用小的井眼尺寸,簡化的井身結(jié)構(gòu)設計和生產(chǎn)管柱設計,完井作業(yè)不占用鉆機時間,能夠最大限度地降低鉆完井費用。同時根據(jù)調(diào)研的國外成功開發(fā)經(jīng)驗,小井眼單通道井技術可用于開發(fā)煤層氣、頁巖氣資源,因此單通道井可為非常規(guī)油氣資源的開發(fā)提供重要的技術基礎[1]。

1 小井眼井與單通道井的區(qū)別

小井眼井指的是70%的井深直徑小于177.8mm的井[3],其主要特點就是井徑較常規(guī)井小,環(huán)空間隙小;單通道井是一種用油管代替套管,并對油管實施固井和射孔的一種油氣生產(chǎn)井鉆完井方式。小井眼井與單通道井的主要區(qū)別在于二者井身結(jié)構(gòu)的不同,小井眼井與常規(guī)井的井身結(jié)構(gòu)相同,完井后存在2個流通通道,一個是用于油氣生產(chǎn)的油管,一個是用于壓井用的油管與套管的環(huán)形空間;而單通道井只有一個用于油氣生產(chǎn)的油管通道,油管與地層 (或套管)之間直接用水泥環(huán)封死。因此,單通道井可能是小井眼井鉆井后完井,也可能是常規(guī)井鉆井后完井。

2 小井眼單通道井固井技術難點

小井眼單通道井固井的難點既包括小井眼固井難點,也包括單通道井固井難點。因此,小井眼單通道井固井難點主要體現(xiàn)在以下幾個方面:

1)小井眼井由于環(huán)空間隙小,在注水泥過程中阻力大,需要較高的施工壓力,風險較大。

2)小井眼井頂替效率低、套管居中度低,對固井質(zhì)量影響較大。

3)小井眼井水泥環(huán)薄,水泥石強度低,水泥石與地層、套管的膠結(jié)質(zhì)量難以保證[4]。

4)小井眼較窄的環(huán)空間隙容易導致水泥漿處于高的剪切狀態(tài)下,從而引起水泥漿的快速失水或脫水,造成橋堵、憋泵甚至壓漏地層。

5)單通道井沒有傳統(tǒng)井眼的壓井通道,固井風險較大,需要下入井下安全閥,為保證安全閥不受固井水泥漿的不良影響,對水泥漿的性能提出了更高的要求。

6)單通道井與常規(guī)井相比,井身結(jié)構(gòu)較為簡單,在井下遇到問題需要大修時,不能像常規(guī)井那樣使用井下工具,而是采用側(cè)鉆的方式,在固井設計水泥漿返高時要考慮側(cè)鉆的要求。

3 小井眼單通道井固井水泥漿體系性能評價

3.1 低黏聚合物水泥漿體系常規(guī)性能

小井眼單通道井固井水泥漿體系需要水泥漿具有低黏、零自由水、濾失小、穩(wěn)定性好、抗壓和抗折強度高以及稠化性能和安全性能良好。室內(nèi)研究出了適用于小井眼單通道井固井水泥漿體系,表1為低黏聚合物水泥漿體系性能評價。由表1可知,該水泥漿體系具有較好的抗壓強度。

1#低黏聚合物水泥漿低溫配方:D級水泥+37.0%實驗室淡水+0.5%消泡劑CX66L+2.0%彈性乳液GR1+3.5%降失水劑CG83L-D10+8.0%孔隙支撐劑MX+1.0%分散劑CF44L+0.15%緩凝劑H63L+0.2%纖維BING-Ⅰ(配方中百分數(shù)為質(zhì)量分數(shù),下同)。

2#低黏聚合物水泥漿高溫配方:D級水泥+35.0%硅粉SSA1+42.0%實驗室淡水+0.5%消泡劑CX66L+2%彈性乳液GR1+5%降失水劑CG83L-D10+8.3%孔隙支撐劑MX+1.5%分散劑CF44L+ 0.3%～0.8%緩凝劑H63L+0.3%纖維BING-Ⅰ。

表1 低黏聚合物水泥漿體系常規(guī)性能

3.2 水泥漿體系流變性能評價

室內(nèi)針對不同溫度下低黏聚合物水泥漿與膠乳水泥漿流變性進行了對比,并確定其流變模式,試驗結(jié)果見表2。

3#膠乳水泥漿配方:G級水泥+37.0%實驗室淡水+0.5%消泡劑CX66L+2.0%彈性乳液GR1+ 3.5%降失水劑CG83L-D10+8.0%孔隙支撐劑MX+1.0%分散劑CF44L+0～0.5%緩凝劑H63L+ 0.2%纖維BING-Ⅰ。

表2 不同溫度下低黏聚合物水泥漿與膠乳水泥漿流變性

圖1、2確定了低黏聚合物水泥漿與膠乳水泥漿體系的流變模式,對室溫、50、70、90℃條件下的流變參數(shù)進行了回歸分析。根據(jù)圖1、2中曲線的特征和回歸系數(shù) (R2)可以分析出,低黏聚合物水泥漿體系和膠乳水泥漿體系都符合賓漢塑性流體的特征,且低黏聚合物水泥漿體系的R2更大更接近1,因此其相對于膠乳水泥漿體系而言流變性能更好。

圖1 低黏聚合物水泥漿體系流變性回歸分析 圖2 膠乳水泥漿體系流變性回歸分析

3.3 水泥漿沉降穩(wěn)定性評價

根據(jù)GB/T 19139—2003,室內(nèi)利用流變數(shù)據(jù)研究了水泥漿的沉降穩(wěn)定性。在室溫下,室內(nèi)對比評價了用D級水泥配制的低黏聚合物水泥漿體系與用G級水泥配制的膠乳水泥漿體系的沉降穩(wěn)定性,二者只是所用水泥不同,其他添加劑均相同。結(jié)果如表3、4所示。

表3 D級水泥配制的低黏聚合物水泥漿體系沉降穩(wěn)定性評價

表4 G級水泥配制的膠乳水泥漿體系沉降穩(wěn)定性評價

根據(jù)流變數(shù)據(jù)判定水泥漿沉降穩(wěn)定性標準。當遞增讀數(shù)/遞減讀數(shù)的比值均近似為1時,表明水泥漿在平均試驗溫度下無沉降,流變性能與時間無關;當遞增讀數(shù)/遞減讀數(shù)的比值大多數(shù)大于1時,表明水泥漿在平均試驗溫度下可能發(fā)生沉降;當遞增讀數(shù)/遞減讀數(shù)的比值大多數(shù)小于1時,表明水泥漿可能發(fā)生膠凝。從表3、4試驗數(shù)據(jù)可以看出,低黏聚合物水泥漿體系和膠乳水泥漿體系都具有較好的沉降穩(wěn)定性,但低黏聚合物水泥漿體系明顯優(yōu)于膠乳水泥漿體系。

3.4 水泥漿體系力學性能評價

1)水泥石抗壓強度 考慮單通道井鉆完井技術應用與海洋油氣的開發(fā),海洋鉆井對固井水泥漿早期強度的發(fā)展要求更高,水泥石強度越早達到3.5MPa,越有利于鉆井成本的控制。室內(nèi)對小井眼單通道井固井水泥石的早期抗壓強度進行了詳細的評價。在該水泥漿體系配方中,孔隙支撐劑MX能夠有效地提高水泥石早期強度的發(fā)展,室內(nèi)重點對孔隙支撐劑MX質(zhì)量分數(shù)與水泥石抗壓強度的關系進行了評價,結(jié)果如表5所示。

4#配方為:D級水泥+39.0%實驗室淡水+0.5%消泡劑CX66L+2.0%彈性乳液GR1+3.5%降失水劑CG83L-D10+1.0%分散劑CF44L+0.5%緩凝劑H63L+0.2%纖維BING-Ⅰ+0～10%孔隙支撐劑MX。

5#配方為:D級水泥+35.0%硅粉SSA1+47.0%實驗室淡水+0.5%消泡劑CX66L+2%彈性乳液GR1+5%降失水劑CG83L-D10+1.5%分散劑CF44L+0.8%緩凝劑H63L+0.3%纖維BING-Ⅰ+0～10%孔隙支撐劑MX。

表5 孔隙支撐劑MX質(zhì)量分數(shù)與水泥石抗壓強度的關系

由表5可以看出,孔隙支撐劑MX的增加,能明顯提高水泥石的抗壓強度;在質(zhì)量分數(shù)為8%時,可滿足小井眼單通道井對水泥石性能的要求。

2)水泥石韌性 主要是通過測試其抗壓強度、抗沖擊強度、抗拉伸強度及抗剪切強度來實現(xiàn)的。室內(nèi)評價結(jié)果如表6所示。

6#配方為:G級水泥+40%實驗室淡水+0.3%消泡劑CX66L+5%降失水劑CG83L-D10+0.5%分散劑CF44L+0.5%緩凝劑H63L。

7#配方為:G級水泥+39%實驗室淡水+0.5%消泡劑CX66L+2.0%彈性乳液GR1+3.5%降失水劑CG83L-D10+8.0%孔隙支撐劑MX+1.0%分散劑CF44L+0.6%緩凝劑H63L+0.2%纖維BING-Ⅰ。

表6 水泥石韌性評價

由表6可以看出,采用D級水泥配制的低黏聚合物水泥漿體系的抗壓強度明顯低于用G級水泥配制的韌性水泥漿體系,但D級水泥配制的低黏聚合物水泥漿體系的抗沖擊強度、抗剪切強度和抗拉伸強度都相對較高。因此,并不是水泥石的抗壓強度越大,其抗沖擊強度、抗剪切強度和抗拉伸強度就一定越大,二者并不存在必然的對應關系。

表7 升溫時間對水泥漿稠化性能影響

3.5 水泥漿安全性能評價

任何井在固井中都存在著風險,為保證小井眼單通道井固井過程水泥漿的安全泵送,室內(nèi)選用1#、2#配方水泥漿體系進行升溫稠化性能以及不同壓力下的濾失量的研究,結(jié)果如表7、8所示。由表7可以看出,隨著升溫時間的延長,稠化時間略有增加,但總體平穩(wěn),均在安全泵送范圍之內(nèi);升溫時間對水泥漿的稠化時間影響不大,不會影響該體系的安全泵送。由表8可以看出,模擬井底壓力變化情況,隨著壓差的增大,水泥漿濾失量隨之增大,其中2#配方增大較為明顯;但總體來說,整個濾失量都在可控的范圍之內(nèi),水泥漿具有良好的抗濾失效果。綜合分析,采用D級水泥配制的低黏聚合物水泥漿體系具有良好的安全性能。

表8 不同壓力對水泥漿濾失量的影響

4 結(jié)論

1)低黏聚合物水泥漿體系各項性能滿足小井眼單通道井固井要求,它具有低黏、零自由水、濾失小、穩(wěn)定性好、抗壓和抗折強度高以及稠化性能和安全性能可調(diào)的特點。

2)低黏聚合物水泥漿體系采用D級水泥配制,其流變性能及沉降穩(wěn)定性能均優(yōu)于采用G級水泥配制的膠乳水泥漿體系。

本文屬中海石油 (中國)有限公司北京研究中心項目 “單通道井固井質(zhì)量檢測技術及水泥漿體系研究(CCL2012RCPS0201ESN)”產(chǎn)出論文。

[1]周建良,劉書杰,耿亞楠,等.單通道井鉆完井技術在邊際油田應用前景分析[J].石油科技論壇,2012,31(4):13～17.

[2]謝梅波.單通道鉆完井技術及其在我國海上油氣田應用的可行性[J].中國海上油氣,2005,17(2):112～115.

[3]劉碩瓊,譚平,張漢林,等.小井眼鉆井技術[M].北京:石油工業(yè)出版社,2005.

[4]孟慶擁,秦文革.小井眼固井工藝技術研究及現(xiàn)場應用[J].石油天然氣學報(江漢石油學院學報),2005,27(2):217～218.

[編輯]帥群

TE254

A

1000-9752(2014)02-0105-05

20130920

金勇(1987),男,2011年大學畢業(yè),碩士生,現(xiàn)主要從事鉆完井方向的學習與研究工作。