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        致密油藏超長(zhǎng)水平井固井水泥石力學(xué)性能評(píng)價(jià)

        2018-11-23 09:06:48汪杰周福建王云劉洪利牛莉黃怡瀟
        石油鉆采工藝 2018年4期
        關(guān)鍵詞:膠乳水泥石膨脹率

        汪杰 周福建 王云 劉洪利 牛莉 黃怡瀟

        1.中國(guó)石油大學(xué)非常規(guī)天然氣研究院;2.西部鉆探鉆井工程技術(shù)研究院;3.新疆油田公司勘探開發(fā)研究院;4.斯倫貝謝中國(guó)公司

        吉木薩爾凹陷位于準(zhǔn)噶爾盆地東部隆起的西南部,主要以二疊系蘆草溝組為目的層系,大部分烴源巖有機(jī)碳含量大于1.0%,其中泥巖平均含量為6.1%,白云巖類平均含量為3.2%,儲(chǔ)集層被烴源巖包裹,屬于自生自儲(chǔ)、源儲(chǔ)一體的典型致密油藏。據(jù)統(tǒng)計(jì)吉木薩爾致密油儲(chǔ)層平均層厚200~350 m、孔隙度10%~15%、滲透率0.01~1.0 mD,具有特低滲、層厚、砂泥巖薄互層發(fā)育等特點(diǎn),采用超長(zhǎng)水平井開采,需要對(duì)超長(zhǎng)水平井段射孔及多級(jí)壓裂才能實(shí)現(xiàn)該類油藏的商業(yè)化開采[1-5]。

        超長(zhǎng)水平井固井主要存在以下難點(diǎn):(1)水平井裸眼段長(zhǎng)1 800 m,水平段油層套管重力全部作用在井壁下端,造成下套管摩阻大,安全下至井底有一定難度,為降低套管下放阻力,故減少扶正器使用數(shù)量,造成下入套管居中度不高;(2)水泥漿在水平段易造成沉降、失水、析水等,且水泥漿膠結(jié)過(guò)程中,水平段水泥漿重力無(wú)法完全作用于井底形成靜液柱壓穩(wěn)效果,易造成地層流體入侵影響水泥漿膠結(jié)質(zhì)量;(3)小井眼環(huán)空間隙小,固井過(guò)程中鉆井液清洗效率及頂替效率低,影響固井質(zhì)量;(4)采用鉀鈣基混油鉆井完井液體系,影響水泥漿膠結(jié)及水泥漿與井壁的第一膠結(jié)面質(zhì)量;(5)壓裂裂縫延伸壓力約70 MPa(超過(guò)水泥石強(qiáng)度),對(duì)不同層位間的水泥石強(qiáng)度、韌性要求較高[6-14]。同時(shí),射孔及多級(jí)壓裂對(duì)水泥環(huán)會(huì)造成較強(qiáng)的沖擊作用而破壞水泥石的完整性,不同層間壓力體系和潛在水層對(duì)致密油氣井長(zhǎng)期穩(wěn)產(chǎn)存在干擾風(fēng)險(xiǎn)。以吉木薩爾致密油藏的X井為例,通過(guò)對(duì)水泥石力學(xué)性能的優(yōu)化,在提高固井質(zhì)量的基礎(chǔ)上,確保射孔及多級(jí)壓裂后水平井段水泥石完整性,尋找降低層間干擾和邊底水侵等問(wèn)題的有效解決方法。

        1 水泥漿體系及其性能評(píng)價(jià)

        1.1 水泥漿體系配方

        為提高水泥漿體系的穩(wěn)定性和防竄能力,在韌性膨脹膠乳水泥漿體系中加入防竄劑、膨脹劑并采用顆粒級(jí)配理論。

        水泥漿材料:天山G級(jí)油井水泥(密度3.20 g/cm3),新疆天山水泥股份有限公司;大顆粒材料 D181(漂珠),小顆粒填充劑 D178(硅粉),膨脹劑D174,高溫抗衰減劑D154,消泡劑D047,分散劑D145,緩凝劑D081,防竄劑D600G,防沉降劑D153,均來(lái)自斯倫貝謝中國(guó)公司;清水取自吉木薩爾井場(chǎng)。

        實(shí)驗(yàn)儀器:3260型水泥漿混配器,3530型電動(dòng)六速黏度計(jì),4300型水泥漿靜態(tài)失水儀,8040型水泥漿稠化儀,4265型水泥漿超聲波強(qiáng)度分析儀,均來(lái)自美國(guó)CHANDLER公司;YYM型液體壓力密度計(jì),青島膠南分析儀廠;HH型恒溫水浴鍋,青島聚創(chuàng)環(huán)保公司。

        優(yōu)化后的水泥漿密度1.80 g/cm3,配方:48%混灰體積D181+42%%混灰體積G級(jí)水泥+10%混灰體積D178+5%水泥質(zhì)量D174+4%混灰質(zhì)量D154+0.33%水泥質(zhì)量D047+2.91%水泥質(zhì)量D145+0.10%水泥質(zhì)量D081+23.68%水泥漿質(zhì)量D600G+0.25%水泥質(zhì)量D153+43.13%水泥質(zhì)量井場(chǎng)清水。

        1.2 水泥漿性能評(píng)價(jià)

        1.2.1 穩(wěn)定性 按照標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)流程配置及養(yǎng)護(hù)水泥漿后,取100 mL量筒,倒入10 mL水泥漿體系和90 mL淡水搖勻。在循環(huán)溫度80 ℃條件下靜置養(yǎng)護(hù)4~5 h,并參考膠乳體系穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,分析確定膠乳穩(wěn)定性。如圖1所示,(a)參照穩(wěn)定膠乳體系,固相水泥沉淀于混合液底部,白色膠乳體系自上而下均勻分布量筒中;(b)參照非穩(wěn)定膠乳體系,固相水泥沉淀于混合液底部,膠乳絮凝在水泥上部,清水在量筒最上部;(c)現(xiàn)場(chǎng)用膠乳體系具有良好的穩(wěn)定性,能夠滿足施工要求。

        1.2.2 防竄性能評(píng)價(jià) 防竄膠乳體系采用微顆粒材料,具有降低水泥漿體系的滲透率和孔隙度作用,增強(qiáng)其防竄、防侵能力。同時(shí),室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明水泥漿在井內(nèi)失重環(huán)境下,靜膠凝值從0 Pa升至200 Pa,用時(shí)3.5 min,防竄、防侵能力強(qiáng),如圖2所示。

        圖1 循環(huán)溫度80 ℃下膠乳體系的穩(wěn)定性測(cè)試Fig. 1 Stability test on latex system at the circulating temperature of 80 ℃

        圖2 水泥漿靜膠凝防竄性能測(cè)試曲線Fig. 2 Anti-channeling property of static gelling of slurry

        1.2.3 膨脹性 水泥漿凝固后具有一定的膨脹性能,解決套管收縮、地層蠕動(dòng)等造成的微環(huán)空問(wèn)題,如圖3所示。

        圖3 水泥環(huán)線性膨脹率測(cè)試Fig. 3 Linear expansion rate of cement sheath

        膨脹率的具體計(jì)算公式為

        式中,P為水泥石膨脹率,%;L為膨脹環(huán)的周長(zhǎng),mm;L1和L2分別為水泥漿倒入試模后和水泥漿養(yǎng)護(hù)到期齡后測(cè)得的膨脹環(huán)間距,mm。

        通過(guò)水泥環(huán)線性膨脹率測(cè)試裝置測(cè)定油層溫度81 ℃和壓力70 MPa條件下的線性膨脹率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,水泥漿中加入5%水泥質(zhì)量的膨脹劑,在確保水泥石強(qiáng)度的條件下,水泥漿凝固后的膨脹率達(dá)到1.4%,有效解決了微環(huán)空或微間隙問(wèn)題(如圖4所示),同時(shí)水泥石適量的膨脹率不僅有利于彈性水泥漿不斷閉合微裂縫,而且會(huì)增大水泥環(huán)與界面的膠結(jié)強(qiáng)度,增大壁面抗水壓滲透能力,阻止流體在環(huán)空中竄移。

        圖4 水泥環(huán)線性膨脹率隨時(shí)間變化曲線Fig. 4 Relationship of linear expansion rate of cement sheath vs.time

        1.3 水泥漿顆粒級(jí)配優(yōu)化

        如圖5所示,采用顆粒級(jí)配和緊密堆積理論,將大顆粒彈性材料(D181)、中顆粒材料(天山G級(jí)油井水泥)、細(xì)顆粒材料(D178)等其他外加劑合理搭配(大、中、小顆粒占混灰體積比例為48∶42∶10),中顆粒材料充填大顆粒材料孔隙,小顆粒材料充填中顆粒材料孔隙,并利用不同材料的密度差異。與常規(guī)水泥漿體系相比,同等密度1.80 g/cm3下的水泥漿體系固相含量高達(dá)55%以上(常規(guī)水泥漿體系固相含量為35%~40%),可減小水泥漿孔隙度,提高水泥漿穩(wěn)定性與水泥石機(jī)械性能。

        圖5 固相顆粒級(jí)配示意圖Fig. 5 Sketch of solid particle size distribution

        2 水泥石力學(xué)性能測(cè)試

        使用力學(xué)軟件模擬水泥石在受到拉伸、擠壓等作用下的力學(xué)完整性。分別模擬密度1.90 g/cm3和1.80 g/cm3的水泥石在壓裂過(guò)程中壓差0~70 MPa、溫差0~45 ℃變化范圍內(nèi)的完整性。結(jié)果表明:密度1.90 g/cm3的水泥石在拉伸和壓縮作用下不會(huì)受到破壞,但由于套管、地層膨脹和收縮會(huì)造成微環(huán)空問(wèn)題,而微環(huán)空會(huì)造成環(huán)空帶壓和層間竄流,進(jìn)而影響產(chǎn)能;密度1.80 g/cm3的水泥漿,相同壓力和溫度變化范圍內(nèi),受拉伸和壓縮時(shí)不會(huì)被破壞,且無(wú)微裂縫產(chǎn)生。因此優(yōu)選密度為1.80 g/cm3的水泥漿體系。

        實(shí)驗(yàn)室測(cè)定致密油地層、套管和水泥石三者的彈性模量和泊松比,對(duì)比分析三者在受同等作用力下優(yōu)先破壞程度,如表1所示,在受到同等應(yīng)力作用下,水泥石具有較低的彈性模量和較大的泊松比,展現(xiàn)出良好的彈性和韌性,水泥石受到保護(hù)。

        表1 套管、頁(yè)巖、水泥石三者力學(xué)性能對(duì)比Table 1 Mechanical property comparison between casing, shale and set cement

        3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

        3.1 X井概況

        X井一開?444.5 mm鉆頭鉆至500 m,?339.7 mm表層套管下深498 m;二開?241.3 mm鉆頭鉆至2 400 m,換?215.9 mm鉆頭鉆至2 910 m,?177.8 mm技術(shù)套管下深2 810 m;三開?152.4 mm鉆頭鉆至5 273 m,?114.3 mm油層套管下深5 225 m。全井垂深3 259 m,最大井斜89.7°,造斜點(diǎn)位于2910 m處,水平段長(zhǎng)1 800 m。針對(duì)致密油儲(chǔ)層水敏等特性,為更好地保護(hù)地層不受鉆井液傷害、保持井壁穩(wěn)定性,采用密度1.55 g/cm3的鉀鈣基混油鉆井完井液體系。設(shè)計(jì)油層套管封固井段位于造斜點(diǎn)以上200 m,即封固水泥漿返高面位于2 710~2 910 m井段。

        為降低套管下放過(guò)程中的遇阻風(fēng)險(xiǎn),采用?147 mm單扶+雙扶正器鉆具組合通井2次至無(wú)明顯阻卡為止;水平段采用剛性扶正器確保套管居中,并采用軟件模擬優(yōu)化居中度、扶正器數(shù)量與下放阻力;套管下放到位后,充分循環(huán)鉆井液并注意觀察排量與壓力變化情況。

        3.2 施工步驟

        固井主要施工步驟:連接設(shè)備與管線,進(jìn)行試壓;以0.75 m3/min排量泵注密度為1.55 g/cm3的前置隔離液15 m3;投上膠塞;以0.75 m3/min排量泵注密度為1.60 g/cm3的低密度漂珠水泥漿36 m3;以0.75 m3/min排量泵注密度為1.80 g/cm3的韌性膨脹防竄水泥漿22 m3;投下膠塞;以0.75 m3/min泵注密度為1.55 g/cm3的后置隔離液4 m3,轉(zhuǎn)注密度為1.50 g/cm3的鉆井液頂替;碰壓后泄壓檢查回流正常,拆卸設(shè)備,水泥漿候凝48 h后進(jìn)行測(cè)井。

        3.3 應(yīng)用效果

        根據(jù)CBL/VDL測(cè)井結(jié)果解釋為全井固井質(zhì)量合格,目的層段固井質(zhì)量為優(yōu),其CBL聲幅值均小于20%。同時(shí)根據(jù)X井生產(chǎn)數(shù)據(jù)可知,自2014年7月11日投產(chǎn)至2017年5月21日未產(chǎn)水,油井沒(méi)有出現(xiàn)層間竄流等其他異常情況。該水泥漿體系滿足超長(zhǎng)水平井固井質(zhì)量及壓裂施工后水泥石完整性和封隔性要求。

        4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

        (1)力學(xué)分析軟件和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:韌性膨脹防竄水泥漿體系具有較好的穩(wěn)定性;防竄、防侵能力強(qiáng);水泥石適量的膨脹率不僅有利于彈性水泥漿不斷閉合微裂縫,而且會(huì)增大水泥環(huán)與界面的膠結(jié)強(qiáng)度,增大壁面抗水壓滲透能力,阻止流體在環(huán)空中竄移。

        (2)水泥石的力學(xué)參數(shù)測(cè)試表明,水泥石具有較低的彈性模量和較大的泊松比,展現(xiàn)出良好的彈性和韌性。

        (3)致密油藏超長(zhǎng)水平井采用韌性膨脹防竄水泥漿體系固井,既能提高水平段固井質(zhì)量,又能確保射孔及壓裂施工后水泥石的完整性,建議在同類井中使用韌性膨脹膠乳防竄水泥漿體系固井。

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