唐世忠，董云龍，王海濱，許澤漣

(1.中國石油大港油田公司采油工藝研究院，天津大港 300280；2.中國石油大港油田公司采油三廠;3.中國石油大港油田公司采油一廠)

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固井水泥界面膠結(jié)強(qiáng)度評價(jià)技術(shù)及在沈家鋪油田的應(yīng)用

唐世忠1，董云龍1，王海濱2，許澤漣3

(1.中國石油大港油田公司采油工藝研究院，天津大港 300280；2.中國石油大港油田公司采油三廠;3.中國石油大港油田公司采油一廠)

針對大港油田目前固井界面膠結(jié)質(zhì)量差、配套工藝針對性不強(qiáng)的現(xiàn)狀，研制了水泥膠結(jié)強(qiáng)度評價(jià)裝置，通過對高溫高壓養(yǎng)護(hù)后的水泥與膠結(jié)面剪切應(yīng)力的采集，定量計(jì)算水泥與界面的剪切強(qiáng)度，定性評價(jià)固井水泥與井壁的膠結(jié)強(qiáng)度。利用該方法評價(jià)了YX-1等四種水泥漿在不同鉆井液、不同沖洗液，以及地層水影響條件下的界面膠結(jié)強(qiáng)度，依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果優(yōu)選了水泥漿體系及制定了針對性的配套措施?，F(xiàn)場24口井的應(yīng)用表明，水泥界面膠結(jié)質(zhì)量大幅提升，固井質(zhì)量優(yōu)質(zhì)率提高了41.6%。

沈家鋪油田；固井水泥漿；膠結(jié)強(qiáng)度；泥餅質(zhì)量

在固井施工中，水泥與井壁的膠結(jié)強(qiáng)度是保證固井質(zhì)量的主要因素之一。評價(jià)水泥膠結(jié)強(qiáng)度的評價(jià)裝置及方法較多[1-5]，但這些方法都存在一些問題，為此，研制了一種結(jié)構(gòu)相對簡單的水泥膠結(jié)強(qiáng)度的評價(jià)裝置，可以模擬井下溫度和壓力情況下水泥漿與井壁的膠結(jié)情況，為制定針對性的固井工藝對策提供技術(shù)依據(jù)。

1　膠結(jié)強(qiáng)度評價(jià)裝置及方法

1.1研究思路

為模擬固井井眼狀況，制備一套水泥膠結(jié)筒，水泥在膠結(jié)筒內(nèi)凝固，通過測量水泥與膠結(jié)筒之間的剪切強(qiáng)度，評價(jià)固井水泥與井壁的膠結(jié)強(qiáng)度。

裝置應(yīng)能夠模擬地層高溫、高壓條件下固井水泥與井壁的膠結(jié)過程；通過采集到剪切力數(shù)據(jù)，能夠定量計(jì)算膠結(jié)試樣的膠結(jié)強(qiáng)度，定性評價(jià)水泥與井壁的膠結(jié)強(qiáng)度；同時(shí)能夠在同一條件下制備、養(yǎng)護(hù)多個(gè)試樣，以進(jìn)行平行實(shí)驗(yàn)，提高實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

固井水泥與井壁的膠結(jié)強(qiáng)度可采用下列公式計(jì)算得出：M=F/S,S=πDH,其中M為膠結(jié)強(qiáng)度，Pa；F為水泥與膠結(jié)筒內(nèi)壁松動(dòng)時(shí)的壓力，N；S為膠結(jié)筒的內(nèi)表面積，m2；D為膠結(jié)筒的內(nèi)徑，m；H為膠結(jié)筒的高度，m。

1.2評價(jià)裝置

膠結(jié)筒為圓柱筒，為測量剪切應(yīng)力的準(zhǔn)確性，其高度是內(nèi)徑的1～2倍；在制備膠結(jié)試樣時(shí)，膠結(jié)筒上蓋和膠結(jié)筒底座配合使用，膠結(jié)筒上蓋中心位置有一排氣孔，膠結(jié)筒上蓋直接置于膠結(jié)筒的頂部；膠結(jié)筒底座與膠結(jié)筒底部采用絲扣形式連接，見圖1。

圖1　膠結(jié)筒示意圖

同時(shí)設(shè)計(jì)制作了固定套筒、膠結(jié)筒頂柱、活動(dòng)擋板，配合膠結(jié)筒在壓力測試機(jī)上使用，以實(shí)現(xiàn)測量水泥與膠結(jié)筒內(nèi)壁松動(dòng)時(shí)的壓力，見圖2。

1.3評價(jià)實(shí)驗(yàn)程序

(1)膠結(jié)筒底座與膠結(jié)筒連接，將鉆井液倒入膠結(jié)筒中，鉆井液掛壁后倒出，自然風(fēng)干5分鐘后，再將待評價(jià)的水泥漿盛滿膠結(jié)筒。

圖2　水泥膠結(jié)強(qiáng)度評價(jià)測試示意圖

(2)將帶有排氣孔的膠結(jié)筒上蓋置于膠結(jié)筒頂部，洗凈溢出的水泥漿，根據(jù)井下壓力溫度條件，放入高溫高壓養(yǎng)護(hù)裝置中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

(3)養(yǎng)護(hù)結(jié)束后，卸掉膠結(jié)筒底座和膠結(jié)筒上蓋。

(4)將膠結(jié)筒頂柱置于壓力測試機(jī)的中部，固定套筒置于膠結(jié)頂柱上，固有水泥的膠結(jié)筒置于固定套筒中，將活動(dòng)擋板置于膠結(jié)筒上部，且水泥頂柱、固定套筒、膠結(jié)筒、活動(dòng)擋板的軸心在一條直線上。

(5)啟動(dòng)壓力測試機(jī)，帶動(dòng)膠結(jié)筒頂柱、固定套筒、膠結(jié)筒、活動(dòng)擋板上移，直至將膠結(jié)筒內(nèi)的水泥與膠結(jié)筒內(nèi)壁松動(dòng)。

(6)壓力測試儀通過壓力采集系統(tǒng)收集并記錄膠結(jié)筒內(nèi)的水泥與膠結(jié)筒內(nèi)壁松動(dòng)時(shí)的壓力數(shù)據(jù)。

(7)計(jì)算水泥與膠結(jié)筒的膠結(jié)強(qiáng)度。

2　膠結(jié)強(qiáng)度評價(jià)實(shí)驗(yàn)

2.1鉆井液影響膠結(jié)強(qiáng)度評價(jià)

從不同鉆井液性能的膠結(jié)強(qiáng)度評價(jià)結(jié)果看(表1)，膠結(jié)強(qiáng)度與鉆井液泥餅質(zhì)量相關(guān)。為近一步證實(shí)其相關(guān)性，模擬井壁泥餅厚度為1.5 mm，3.0 mm，4.5 mm情況下的水泥膠結(jié)強(qiáng)度。假設(shè)鉆井液虛泥餅與水泥漿充分混合，經(jīng)計(jì)算，分別評價(jià)混入質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%，10%，15%鉆井液情況下的水泥漿的膠結(jié)強(qiáng)度。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明(圖3)：鉆井液泥餅質(zhì)量是影響膠結(jié)強(qiáng)度的重要因素，泥餅越厚，膠結(jié)強(qiáng)度越低，其二界面固井質(zhì)量越差。

2.2沖洗效率影響膠結(jié)強(qiáng)度評價(jià)

固井前通常采用沖洗液對井壁進(jìn)行沖洗，以減緩虛泥餅對二界面固井質(zhì)量的影響，為此，選取有機(jī)硅鉆井液，采用TCP-2、YX-1、Flash-1三種不同類型的沖洗液對掛有鉆井液的膠結(jié)筒內(nèi)壁進(jìn)行沖洗，測量其沖洗效率，再模擬井下溫度壓力情況評價(jià)水泥漿的膠結(jié)強(qiáng)度。

表1　鉆井液體系與YX-1水泥漿膠結(jié)強(qiáng)度評價(jià)

圖3　混入不同比例鉆井液情況下水泥漿膠結(jié)強(qiáng)度

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：不同的沖洗液能夠不同程度地提高膠結(jié)強(qiáng)度，沖洗效率越高，膠結(jié)強(qiáng)度越高(圖4、圖5)。優(yōu)選適應(yīng)性的沖洗液類型以及優(yōu)化沖洗參數(shù)，能夠有效地減緩虛泥餅對膠結(jié)質(zhì)量的影響，提高二界面固井質(zhì)量。

圖4　不同沖洗液類型沖洗效率情況

圖5　沖洗效率與膠結(jié)強(qiáng)度關(guān)系

2.3不同水泥漿體系膠結(jié)強(qiáng)度評價(jià)

水泥漿的優(yōu)選要考慮稠化時(shí)間、抗壓強(qiáng)度等性能，同時(shí)還要針對現(xiàn)場所用鉆井液情況，對膠結(jié)強(qiáng)度進(jìn)行評價(jià)。為此，選取密度1.35 g/cm3、膨潤土含量60 g/L、API失水4 mL的有機(jī)硅鉆井液，分別評價(jià)其稠化時(shí)間、抗壓強(qiáng)度相近的YX-1、JS-2、DR-1、OM-1共4種水泥漿體系的膠結(jié)強(qiáng)度。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明(表2、表3)：在不同鉆井液、溫度壓力條件下，即使水泥漿的密度、稠化時(shí)間、抗壓強(qiáng)度相近，其膠結(jié)強(qiáng)度也不盡相同，因此，應(yīng)根據(jù)不同的井眼條件，優(yōu)選適應(yīng)的水泥漿體系，以提高膠結(jié)強(qiáng)度，確保二界面固井質(zhì)量。

表2　不同水泥漿與有機(jī)硅鉆井液膠結(jié)強(qiáng)度評價(jià)結(jié)果

注：養(yǎng)護(hù)溫度90 ℃，壓力 21 MPa。

表3　不同水泥漿與聚合物鉆井液膠結(jié)強(qiáng)度評價(jià)結(jié)果

注：養(yǎng)護(hù)溫度90 ℃，壓力 21 MPa。

2.4地層水影響膠結(jié)強(qiáng)度評價(jià)

老油田的調(diào)整井由于注水原因，部分井區(qū)或個(gè)別層會(huì)產(chǎn)出異常高壓，在固井候凝過程中如未壓穩(wěn)油氣層，會(huì)造成地層水侵入水泥漿中，從而影響水泥漿凝結(jié)性能。為此，選取某區(qū)塊地層水，水型為氯化鈣型，總礦化度為25 500 g/L，假設(shè)井壁處的水泥漿與地層水充分混合，經(jīng)計(jì)算，分別模擬評價(jià)混入質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%，4%，6%地層水的水泥漿在井壁界面處的膠結(jié)強(qiáng)度。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明(圖6、圖7)：水泥漿受地層水污染后，其稠化時(shí)間延長，與井壁的膠結(jié)強(qiáng)度降低，且隨地層水混入比例的增加，膠結(jié)強(qiáng)度降低幅度增大。

3　現(xiàn)場應(yīng)用

沈家鋪油田是大港油田上產(chǎn)的主力區(qū)塊，以往鉆井液主體采用有機(jī)硅鉆井液，所鉆遇的上部明化鎮(zhèn)地層造漿嚴(yán)重，因此，鉆井液的膨潤土含量高、泥餅虛厚；另外，注水開發(fā)導(dǎo)致部分井區(qū)高壓，水竄嚴(yán)重，固井質(zhì)量優(yōu)質(zhì)率僅為22.7%，未能對油氣水層進(jìn)行有效的封隔，嚴(yán)重影響了射孔方案的制定和分注、壓裂等工藝的實(shí)施，制約了區(qū)塊的開發(fā)生產(chǎn)。

圖6　混入不同比例地層水的水泥漿稠化時(shí)間

圖7　混入不同地層水的水泥漿膠結(jié)強(qiáng)度

結(jié)合該區(qū)塊鉆井情況，優(yōu)選了水泥漿體系及配方：華銀G級+3%YXF-200S(固體降失水劑)+2%YXPZ(晶格膨脹劑)+0.3%QJ-625(發(fā)氣膨脹劑)+1.8%CaCL2(促凝劑)。實(shí)驗(yàn)測試水泥漿的界面膠結(jié)強(qiáng)度達(dá)到了5.12 MPa，均大于其它水泥漿的界面膠結(jié)強(qiáng)度；同時(shí)結(jié)合評價(jià)實(shí)驗(yàn)所得到的結(jié)論，配套了減小虛泥餅厚度[6-9]、優(yōu)選沖洗液[10-13]、壓穩(wěn)水竄層[14-18]等工藝措施。2015年在沈家鋪油田的官128、官39-80、官18-50三個(gè)井區(qū)共實(shí)施了24口井(表4)，固井質(zhì)量優(yōu)質(zhì)率達(dá)到了64.3%，較2014年提高了41.65%，為后期開發(fā)生產(chǎn)提供了良好的井眼條件。

表4　沈家鋪油田優(yōu)化前后固井質(zhì)量統(tǒng)計(jì)

4　結(jié)論

(1)通過定量計(jì)算水泥與界面的膠結(jié)強(qiáng)度，定性評價(jià)井壁界面膠結(jié)質(zhì)量的方法，能夠?yàn)楣叹|(zhì)量影響因素分析及工藝對策制定提供技術(shù)依據(jù)。

(2)鉆井液性能、沖洗效率、地層水浸入、水泥漿性能是影響固井質(zhì)量的重要因素。

(3)根據(jù)評價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果制定的工藝對策，在大港油田24口井進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用，固井質(zhì)量優(yōu)質(zhì)率大幅提升。

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編輯：劉洪樹

1673-8217(2016)05-0100-04

2016-04-05

唐世忠，高級工程師，1969年生，1990年畢業(yè)于天津大學(xué)石油分校石油地質(zhì)勘查專業(yè)，現(xiàn)主要從事鉆完井工藝技術(shù)研究工作。

中油股份公司重大專項(xiàng)“大港油區(qū)油氣田勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)研究”的子課題“高效鉆完井及油氣層保護(hù)配套技術(shù)研究”(編號2012E-10)。國家專利：“一種固井水泥膠結(jié)強(qiáng)度測試裝置及方法(專利申請?zhí)枺?01510542830.1)” 。

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