張雅秋

（大慶鉆探工程公司鉆技一公司固井設(shè)備修保廠，黑龍江大慶163000）

1 概述

固井工程在油氣勘探開(kāi)發(fā)中發(fā)揮重要作用，在油氣井建設(shè)過(guò)程中起到承上啟下的作用，固井的目的是將油氣井套管外部空間進(jìn)行封固，固井質(zhì)量的好壞對(duì)后續(xù)施工影響重大。隨著我國(guó)大多油田已進(jìn)入開(kāi)發(fā)中后期，主力區(qū)塊資源開(kāi)發(fā)動(dòng)用程度較高，勘探目標(biāo)向薄互層、復(fù)雜斷塊轉(zhuǎn)變，這些勘探區(qū)塊地層情況復(fù)雜，地層非均質(zhì)性強(qiáng)、構(gòu)造變化多樣，給油氣井固井增加了難度，如何提升固井質(zhì)量是面臨的難題。

固井的過(guò)程是水泥漿驅(qū)替套管外部環(huán)形空間鉆井液，水泥漿充滿環(huán)形空間后，凝固形成水泥墻，實(shí)現(xiàn)對(duì)井壁的封固。在這個(gè)過(guò)程中，要達(dá)到好的固井效果，必須保證水泥漿具有好的頂替效率，如果水泥漿頂替不徹底，在凝固的過(guò)程中，受殘余鉆井液影響，會(huì)在封固井段形成鉆井液槽，影響了固井質(zhì)量，使得容易出現(xiàn)竄槽的情況。鉆井液頂替效率對(duì)固井質(zhì)量的影響較大，鉆井液頂替效率在實(shí)驗(yàn)室很難準(zhǔn)確測(cè)定，主要原因是在實(shí)驗(yàn)室很難模擬真實(shí)的井筒條件，其次，在實(shí)驗(yàn)室水泥漿頂替過(guò)程中，水泥漿的截面與實(shí)際固井存在差距，最后，水泥漿在頂替過(guò)程中存在紊流情況，在實(shí)驗(yàn)室難以準(zhǔn)確模擬。因此，加強(qiáng)對(duì)固井水泥漿流變性能研究，結(jié)合固井頂替流動(dòng)模型研究，提升固井頂替效率，對(duì)于保障固井質(zhì)量具有重要意義。

2 水泥漿流變性能研究

2.1 水泥漿流變性能

水泥漿流變性能對(duì)固井質(zhì)量影響較大，為了提高固井質(zhì)量，需要對(duì)水泥漿性能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，水泥漿流變好有利于注水泥施工，能夠提升水泥漿的頂替效率。水泥漿按其特性來(lái)分，滿足非牛頓流體的特性（即剪切應(yīng)力與剪切速率不滿足線性關(guān)系），非牛頓流體又可以分為塑性流體、假塑性流體、膨脹性流體、假屈服膨脹性流體、屈服膨脹性流體等，這些不同類型流體剪切應(yīng)力與剪切速率的關(guān)系如圖1所示。

圖1 常見(jiàn)非牛頓流體的流變特性

塑性流體的特征是受力后不會(huì)立即發(fā)生形變流動(dòng)，開(kāi)始流動(dòng)時(shí)剪切應(yīng)力和速度梯度關(guān)系為曲線，隨著切力變大，流體粘度降低，隨著流速增大，切力逐漸降低，最后二者呈近似直線關(guān)系，流體性能達(dá)到接近牛頓流體狀態(tài)。

2.2 水泥漿性能影響因素分析

水泥漿中含有大量的固相顆粒（可達(dá)70%），這些固相顆粒多呈懸浮狀態(tài)，水泥漿流變性能主要受到固相顆粒含量、固相顆粒間相互作用力、懸浮液的流變性等影響，除了固相顆粒之外，水泥漿體系中含有大量有機(jī)添加劑及離子核。水泥漿的密度由水灰比決定，同時(shí)水灰比不同，水泥漿中固相顆粒間的相互作用力也存在差異。因此，水泥漿在配制過(guò)程中的條件，決定了水泥漿的性能，具體如水泥漿中固相顆粒的粒徑大小及形態(tài)、水泥漿水灰比、水泥顆粒的化學(xué)性質(zhì)、有機(jī)添加劑、配漿的溫壓條件等，這些都會(huì)影響水泥漿性能。

水泥粉末與水混合時(shí)，水泥粉末會(huì)發(fā)生水化，水泥顆粒表面會(huì)形成正負(fù)電荷，在電荷的作用下，水泥顆粒在流體中形成一定的網(wǎng)狀空間結(jié)構(gòu)，這種網(wǎng)狀空間結(jié)構(gòu)的存在會(huì)導(dǎo)致水泥漿流動(dòng)性變差，在泵入水泥漿過(guò)程中，為了提升其流動(dòng)性可以加入聚陰離子破壞水泥漿的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。溫度對(duì)水泥漿性能的影響主要表現(xiàn)在對(duì)水泥水化速率的影響，同時(shí)溫度還影響水泥的水化過(guò)程。溫度升高水泥漿水化的速率明顯升高，并且水泥漿不易形成穩(wěn)固的空間結(jié)構(gòu)，流動(dòng)性也更好。水泥漿中添加劑也會(huì)影響水泥漿性能，例如水泥漿中應(yīng)用比較普遍的陰離子聚合物磺酸鹽、烴基羧酸、非離子聚合物纖維素等，這些添加劑能夠破壞水泥漿空間結(jié)構(gòu)，使水泥漿中水泥顆粒處于分散狀態(tài)，從而影響其流動(dòng)性。

3 固井注水泥頂替理論模型研究

影響固井質(zhì)量的因素很多，其中注水泥頂替效率對(duì)固井質(zhì)量的影響最大，而套管居中度、紊流、隔離液的性能、套管活動(dòng)、水泥漿性能與鉆井液是否匹配、鉆井液與水泥漿的密度差、鉆井液性能等都會(huì)影響水泥漿的頂替效率。在這些影響因素中，套管居中度影響最大，套管的偏心程度決定了固井質(zhì)量。

3.1 偏心頂替模型

當(dāng)環(huán)空規(guī)則時(shí)，水泥漿的頂替是比較均勻的。但是實(shí)際的井眼受到井壁垮塌、縮徑等影響，井壁通常不規(guī)則，導(dǎo)致套管居中受到影響，套管偏心的情況較為常見(jiàn)。受到套管偏心影響，注水泥時(shí)容易出現(xiàn)鉆井液竄槽的情況。套管偏心會(huì)使得套管外徑與井壁之間的空間分布不均勻，導(dǎo)致注水泥的流量、流速、流態(tài)受到影響，從而影響水泥漿頂替效率。

圖2 偏心頂替

套管偏心頂替如圖2 所示，假設(shè)井眼直徑為2R，套管外徑為2r，二者偏心距離為ε，不同位置套管外壁與井壁的距離h=AB，由此可以計(jì)算套管的偏心度e。

3.2 套管偏心環(huán)空中流體的流動(dòng)特征

由于水泥漿具有靜切應(yīng)力，為塑性流體，滿足賓漢流體模型，因此，可以采用賓漢流體模型來(lái)研究水泥漿在井眼中的流動(dòng)特征。

當(dāng)套管偏心度發(fā)生變化時(shí)，隨著偏心度的增加，套管外壁與井壁的環(huán)空中不同位置的水泥漿流速及流態(tài)差異較大，最寬處流體流速能夠達(dá)到最窄處流速的幾十倍，并且在最寬處的流體流態(tài)為紊流，最窄處流體流態(tài)為層流。由于流速和流態(tài)的差異，在注水泥時(shí)，距離較寬的位置流體流動(dòng)較快，鉆井液已經(jīng)被水泥漿頂替走，而距離較窄的位置由于流體流速慢，鉆井液頂替不完全，導(dǎo)致出現(xiàn)竄槽。

4 技術(shù)應(yīng)用

4.1 優(yōu)化水泥漿性能

為了提高水泥漿的抗竄能力，可以使用抗竄劑，抗竄劑中含有大量的有機(jī)化合物、水溶性醇、鐵離子、鋁離子等，可以在流體中形成易溶的絡(luò)合物，這種絡(luò)合物可以在水力顆粒上形成可溶性區(qū)間，加速了水泥漿的凝結(jié)，使水泥漿能夠快速形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使地層水被阻隔，不易發(fā)生竄槽等情況?？垢Z劑中的鐵離子、鋁離子能夠與水泥漿中的氫氧化鈣反應(yīng)，生成懸浮狀的膠體化合物，填充在顆粒的間隙，強(qiáng)化了水泥漿的空間結(jié)構(gòu)，提升了水泥漿的防水滲能力。因此，為提升水泥漿抗竄能力，需要配制高密度抗竄水泥漿體系，這種水泥漿密度大、凝結(jié)速度快、抗?jié)B能力強(qiáng)、凝結(jié)強(qiáng)度發(fā)展迅速、抗竄能力強(qiáng)、體積膨脹率小等優(yōu)點(diǎn)，能夠起到較好的防水泥漿竄槽的效果。

4.2 加重沖洗隔離液

沖洗隔離液主要由無(wú)機(jī)化合物、表面活性劑、懸浮劑、穩(wěn)定劑、加重劑等物質(zhì)組成，以上成分中懸浮劑構(gòu)成隔離液的主要成分，其分子量大，能夠顯著提升隔離液的穩(wěn)定性和懸浮效果。沖洗隔離液中的懸浮劑中含有大量的羧基、烴基、環(huán)烷基等，在與水接觸后，這些親水基團(tuán)吸水，分子鏈延長(zhǎng)交叉，由于懸浮劑分子量大，形成較多的支鏈，高分子物質(zhì)通過(guò)支鏈連接，形成的網(wǎng)狀空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但分子鏈作用力較弱。高分子物質(zhì)懸浮性強(qiáng)，但流動(dòng)性較好。

5 結(jié)束語(yǔ)

固井是油氣井工程中的重要環(huán)節(jié)，固井質(zhì)量的好壞不僅影響后續(xù)施工作業(yè)，還影響油氣井產(chǎn)能，決定了油氣井壽命。針對(duì)固井過(guò)程中存在的水泥漿頂替效率低、高壓層穩(wěn)壓難度大、井筒內(nèi)環(huán)境復(fù)雜、射孔破壞水泥環(huán)穩(wěn)定性等問(wèn)題，需要采取優(yōu)化固井水泥漿性能、提高水泥漿防竄能力、提升沖洗隔離液的密度等措施，達(dá)到提高固井質(zhì)量的目的。