喬領(lǐng)良

（四川德陽新場氣田有限責恩公司，四川德陽618000）

高密度防氣竄水泥漿體系在川東北元壩氣田的應用

喬領(lǐng)良*

（四川德陽新場氣田有限責恩公司，四川德陽618000）

在地層壓力大、井身結(jié)構(gòu)復雜的深井或氣井固井，容易發(fā)生環(huán)空氣竄，致使水泥石膠結(jié)強度降低，影響油氣井固井質(zhì)量。通過水泥漿粒度優(yōu)化、緩凝劑與防氣竄劑優(yōu)選，配制出防氣竄效果、流動性和沉降穩(wěn)定性好的高密度水泥漿體系，現(xiàn)場應用效果良好。

深井固井；高密度水泥漿；緊密堆積；防氣竄

川東北地區(qū)地質(zhì)條件復雜，海相地層多為碳酸鹽巖裂縫，氣藏埋藏深（一般在4000～6000m）、壓力高，地層縱向上存在多套壓力體系，橫向上差異性非常大，給固井防氣竄帶來很大的難度。若發(fā)生環(huán)空氣竄會直接影響水泥石膠接強度，導致層間竄流，污染油氣層，降低采收率，甚至造成油氣井報廢。進行防氣竄水泥漿體系優(yōu)化設(shè)計：采用Gaudin—schutzmann粒度分布方程優(yōu)化體系的粒度分布，使其達到緊密堆積狀態(tài)；優(yōu)選防氣竄能力強的添加劑，提高體系的防氣竄性能；優(yōu)化環(huán)空液柱結(jié)構(gòu)；提高油氣田開發(fā)效益，為油氣井防氣竄工作提供科學依據(jù)。

1 固井技術(shù)難點

（1）井底溫度高，滿足固井安全的水泥漿密度高，對緩凝劑性能提出了更高要求。

（2）氣層壓力高，防竄難度增大，要求防氣竄劑性能好。

（3）川東北地區(qū)海相地層多為碳酸鹽巖裂縫，開發(fā)過程中的各種增產(chǎn)措施使裂紋進一步擴大，水泥環(huán)易失去封隔作用，造成油、氣、水層竄流，縮短油氣井壽命。為保證油氣井固井水泥環(huán)的長期完整性，需要優(yōu)化水泥石性能。

（4）氣層中富含H2S和CO腐蝕性氣體，水泥環(huán)密封不良會引起毒性氣體泄漏，出現(xiàn)安全隱患，水泥環(huán)必須具有很好的長期穩(wěn)定性。

2 高密度防氣竄水泥漿優(yōu)化設(shè)計

2.1 粒度優(yōu)化

提高水泥漿密度的主要途徑是減少充填水及增大加重材料與水泥的比例。但是配漿水不能無限度地減少，而且增大加重材料的比例，如果顆粒選型不當會造成水泥漿增稠或沉降。利用顆粒級配[1]原理提高系統(tǒng)的堆積密度，使水泥干混物的堆積體積分數(shù)（PVF）最大即可設(shè)計出高性能的加重水泥漿。

水泥和加重劑的混合物可以看成是連續(xù)尺寸顆粒的堆積。對加重水泥漿體系進行緊密堆積設(shè)計采用Gaudin-schutzmann粒度分布方程。

式中：U(D)——小于粒徑D的累積體積分數(shù)，%；

D——顆粒粒徑，mm；

Dl——顆粒中的最大粒徑，mm；

m——模型參數(shù)。

研究表明，U(D)在0.3～0.5時存在最佳的堆積率。如果水泥與鐵礦粉的混合物中的最大顆粒粒徑為300μm，最小粒徑為5μm，根據(jù)公式（1）可計算出最優(yōu)粒度分布。

2.2 水泥緩凝劑優(yōu)選

水泥封固段長，井下溫差較大，必須確保施工安全和喇叭口處的水泥石強度。通過分析對比，優(yōu)選出緩凝劑HX-36L。該緩凝劑具有獨特的作用基團與分子結(jié)構(gòu)，高溫下能伸展吸附在水泥上發(fā)揮緩凝作用，且溫度越高，伸展越大，低溫下分子收縮減少緩凝作用，保證水泥漿強度迅速發(fā)展?？箿啬芰υ?80℃，抗鹽能力達到飽和。

使用HX-36L和其他類型的緩凝劑配制不同的水泥漿體系并對其性能進行對比。結(jié)果顯示：添加其他緩凝劑的體系在60℃、72h下均無強度；在溫度78℃、稠化時間320min的條件下，添加HX-36L的ADV-Ce-ment水泥漿7h的強度達到7MPa，而其他體系在16 h后才起強度。說明ADV-Cement水泥漿體系防氣竄效果好，強度發(fā)育快。

添加緩凝劑HX-36L的ADV-Cement水泥漿體系的突出優(yōu)點：HX-36L能夠隨溫度變化調(diào)節(jié)緩凝作用，從而控制體系的稠化時間、穩(wěn)定性、降失水效能和強度發(fā)展；在一定比例范圍和一定加量下，HX-36L能根據(jù)溫度、水質(zhì)、水泥質(zhì)量的變化進行自我調(diào)節(jié)，保證水泥漿性能基本不變，同時在低溫下又具有強度發(fā)展快的智能化作用；體系的安全性高，在10℃～30℃的溫度變化范圍內(nèi)，稠化時間不會發(fā)生較大變化，且強度發(fā)展快，解決了井下溫度不確定對固井施工安全與固井質(zhì)量的影響；HX-36L適用于不同廠家不同批次的水泥，體系應用范圍廣。加入緩凝劑HX-36L的水泥漿性能見表1。

表1 ADV-Cement水泥漿體系性能

從表1可以看出：實驗中緩凝劑的設(shè)計理念有較為明顯的體現(xiàn)，當溫度較低時，緩凝劑的雙緩凝基團收縮，緩凝劑加量較大；在溫度升至135℃、150℃、180℃時，緩凝劑加量沒有因為溫度升高而過多地增加，說明其具有較好的溫度感應伸縮性；在150℃、180℃時，同等加量的緩凝劑稠化時間相同，證明其存在溫度感應性；體系48h后的早期強度好，滿足現(xiàn)場要求。

2.3 水泥漿防竄設(shè)計

雙凝水泥漿體系的設(shè)計要求：領(lǐng)漿流動性能好，靜止后的切力低，以很好地傳導壓力，減少水泥漿流動摩阻，降低施工壓力，減少漏失風險；尾漿具有一定的觸變性，流體阻力大，靜止后的膠凝強度能盡快達到250Pa（即使無抗壓強度），以防止氣竄。

為防止氣井投產(chǎn)后環(huán)空帶壓，水泥漿中加入填充劑CEA-1或CEA-2，通過顆粒級配原理形成內(nèi)部橋堵，保證漿體穩(wěn)定，減少過渡時間，填補水泥顆粒間的空隙，形成致密的水泥石。同時，將硬性微粒、微硅與柔性微粒（膠粒）結(jié)合使用，使水泥漿的防竄效果更好。體系中選用的防竄降失水劑FS-23L為引入少量陰離子基團的彈性聚合物膠粒，在水中可以均勻分散且不溶于水。水泥漿失水后養(yǎng)護至初凝的過程中，靜液壓力始終大于氣層壓力，流出壓力在初凝時有微小變化，初凝時水泥漿體積變化小；初凝后加液測試，竄液量3mL，與膠乳水泥漿相近，說明其防竄性能良好。

2.4 水泥石性能優(yōu)化

油氣井固井水泥環(huán)的長期完整性是保證層間長期封隔的前提。普通水泥環(huán)力學形變能力和抗沖擊能力差，后續(xù)施工或射孔過程中，當其受到的徑向應力達到極限時，極易破裂形成裂紋，隨后的各種增產(chǎn)措施又會導致裂紋進一步擴大，甚至使水泥環(huán)的封隔作用失效，造成油、氣、水層竄流，縮短油氣井壽命。因此，改善油井水泥石力學性能、提高水泥石抗沖擊破碎性能對延長油氣井開采壽命及提高油氣采收率十分重要。

經(jīng)過多次材料和配方優(yōu)選實驗，確定的彈塑性水泥漿配方見表2，不同配方的水泥漿體系綜合性能見表3。

從表中可以看出，加入彈塑劑，水泥漿性能基本不受影響，流動度略有減小，沉降穩(wěn)定性提高，稠化時間略有減少，但變化不大。說明彈塑劑與其他外加劑的配伍性良好。

將不同密度的水泥漿倒入1cm×1cm×6cm的模子中，在90℃下養(yǎng)護成水泥石，分別測試其抗壓強度、抗折強度和抗沖擊韌性[3]，結(jié)果見表4。

由表中可以看出，加入彈塑劑，水泥石抗壓強度有一定降低，但降低幅度不大，抗折強度和抗沖擊韌性提高。

3 高密度防氣竄水泥漿性能評價

根據(jù)處理劑優(yōu)選結(jié)果，高密度防氣竄水泥漿選用HX-36L為緩凝劑，F(xiàn)S-23L防竄降失水劑，填充劑CEA-1或CEA-2以及增塑劑。根據(jù)井況合理設(shè)計水泥漿密度和性能。

表2 彈塑性水泥漿配方

表3 彈塑性水泥漿常規(guī)性能

表4 不同配方的水泥石力學性能（90℃條件下）

3.1 防氣竄能力

根據(jù)表1的實驗結(jié)果，ADV-Cement水泥漿體系稠化時間可調(diào)，且成直角稠化，API濾失量小于50mL，SPN值小于3。利用7150型氣竄模擬分析儀對配方4（表2）進行的氣竄模擬實驗結(jié)果顯示，其氣竄值為0，證明該水泥漿的防氣竄能力很好。

3.2 流動能力

ADV-Cement水泥漿體系的流性指數(shù)大于0.7，說明體系常溫下的流變性和流動度良好。密度2.40g/cm3和2.50g/cm3的水泥漿馬氏漏斗粘度分別為65s和75s，水泥漿放置一段時問后仍具有良好的流動度，未出現(xiàn)觸變現(xiàn)象，進一步證其流動能力良好。

3.3 沉降穩(wěn)定性

利用水泥漿沉降穩(wěn)定儀，在21MPa×120℃×24h的條件下測量不同密度的防氣竄水泥漿體系的沉降穩(wěn)定性能[4]，結(jié)果見表5。

表5 防氣竄水泥漿體系的沉降穩(wěn)定性

可以看出，ADV-Cement水泥漿體系的上下密度差小，說明其具有較好的沉降穩(wěn)定性，能夠滿足現(xiàn)場施工要求。

4 現(xiàn)場應用實例

ADV-Cement水泥漿體系和分段壓穩(wěn)氣竄預測與設(shè)計方法在川東北地區(qū)應用了10余井次，氣層固井質(zhì)量優(yōu)質(zhì)。本文以元壩27-2井?282.6mm+?273.1mm尾管固井為例介紹現(xiàn)場應用情況。

元壩27-2井是元壩地區(qū)的一口重點開發(fā)井，三開完鉆井深4690m，完鉆層位雷口坡組，鉆井液密度2.50g/cm3，粘度80s，尾管封固段2760～4690m，尾管段長1930m，封固段主要是高壓氣層。該井固井主要難題是三開封固段長達2000m，防氣竄難度大。經(jīng)過地層承壓能力分析和分段壓穩(wěn)防氣竄計算，設(shè)計液柱結(jié)構(gòu)為“隔離液密度2.50g/cm3、領(lǐng)漿密度2.56g/cm3、尾漿密度2.56g/cm3。三開水泥漿主要性能見表6，水泥漿及隔離液流變性能見表7。

現(xiàn)場使用2臺單機泵試配水泥漿5m3，設(shè)計水泥漿密度2.56g/cm3，一號水泥車最高密度2.71g/cm3，二號水泥車最高密度2.54g/cm3，漿體流動性較好，流動性和密度均滿足設(shè)計要求。

表6 27-2井三開水泥漿性能

表7 27-2井三開水泥漿及隔離液流變性能

表8 元壩27-2井?282.6mm+?273.1mm尾管固井電測聲幅統(tǒng)計

現(xiàn)場施工時，管線試壓30MPa后，注入密度2.50g/cm3的加重隔離液25m3，施工排量0.8～1.1m3/min，壓力17～20MPa；注入密度2.56g/cm3的水泥漿77m3（領(lǐng)漿43m3，尾漿34m3），施工排量1.0～1.3m3/min，施工壓力15～17MPa；注入密度2.50g/cm3的壓塞液3.0m3；大泵頂替密度2.50g/cm3的鉆井液84m3，施工排量1.6m3/min，泵壓16～18MPa；水泥車頂替密度2.50g/cm3的保護液14m3，施工排量0.8～1.1m3/min，泵壓18～20MPa；大泵頂替密度2.50g/cm3的泥漿18.95m3，施工排量1.5～1.1m3/min，泵壓18～13MPa；未碰壓，替漿至計算量119.95m3，替漿結(jié)束。固井施工結(jié)束后，對?282.6mm+?273.1mm尾管固井質(zhì)量進行電測聲幅測井，結(jié)果見表8。

5 結(jié)論

（1）川東北元壩地區(qū)地層條件復雜，井深，氣層壓力高，固井防氣竄的難度大。

（2）通過分析發(fā)生氣竄的臨界條件，優(yōu)選出緩凝劑與防氣竄劑，配制出防氣竄水泥漿體系并進行了室內(nèi)評價。結(jié)果表明，體系的防氣竄效果、流動性和沉降穩(wěn)定性良好，滿足現(xiàn)場應用要求。

（3）現(xiàn)場應用過程中，及時跟蹤水泥漿性能復核，注重各環(huán)節(jié)控制，發(fā)現(xiàn)問題及時解決，保證了固井施工的安全和質(zhì)量。

[1]周仕明，魏娜，陳玉輝.緊密堆積水泥漿體系的堆積率計算[J].石油鉆探技術(shù)，2007，35(4)：46-49.

[2]黃柏宗.緊密堆積理論的微觀機理及模型設(shè)計[J].石油鉆探技術(shù)，2007，35（1）：5-12.

[3]曾凡，胡勇平.礦物加工顆粒學[M].北京：中國礦業(yè)大學出版社，200l.

[4]張宏軍.深井固井工藝技術(shù)研究與應用[J].石油鉆探技術(shù)，2006，34(5)：44-48.

[5]張清玉，鄒建龍，譚文禮，等.國內(nèi)外高溫深井固井技術(shù)研究現(xiàn)狀[J].鉆井液與完井液，2005，22（6）：57-61.

TE256

B

1004-5716(2015)08-0060-05

2015-06-30

2015-07-01

喬領(lǐng)良（1963-），男（漢族），陜西戶縣人，高級工程師，現(xiàn)從事石油鉆井技術(shù)與管理工作。