唐 凱,陳小榮,李志宏

(1.中國石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院 ,陜西西安 710018;2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室,陜西西安 710018)

厄瓜多爾安第斯區(qū)塊表層固井采用φ406.4 mm井眼下φ339.7 mm套管,井深為1 500～2 000 m。固井主要應(yīng)用A級油井水泥,固井頂替過程中有時出現(xiàn)壓力異常升高現(xiàn)象,通過對現(xiàn)場水泥樣品進行復(fù)核實驗及水泥漿相容性實驗,稠化時間均滿足施工需求。為提高水泥漿頂替效率,表層固井采用變排量頂替工藝塞流頂替,固井注替過程中水泥漿環(huán)空返速較小,實驗室水泥漿稠化實驗漿葉攪拌轉(zhuǎn)速為150 r/min,水泥漿剪切速率與現(xiàn)場施工時的剪切速率存在較大差異,通過模擬現(xiàn)場施工條件下剪切速率進行稠化實驗,水泥漿稠化時間大幅縮短,為后期水泥配方調(diào)整提供依據(jù),解決了固井頂替壓力異常升高問題[1-5]。

1 頂替壓力異常原因分析

厄瓜多爾安第斯區(qū)塊表層固井出現(xiàn)3次頂替過程中壓力異常升高現(xiàn)象,以JOHANNA ESTE XX井為例進行分析。表層井深2 015 m,采用一次上返方式固井,水泥漿返至井口,設(shè)計領(lǐng)漿108 m3,密度1.60 g/cm3,稠化時間330 min;尾漿20 m3,密度 1.86 g/cm3,稠化時間210 min,設(shè)計替量155.6 m3,固井頂替至143.0 m3時壓力升高至16.4 MPa,較模擬壓力增加8.0 MPa,井口返出正常,頂替至154.0 m3時壓力上升到19.3 MPa,較模擬壓力增加9.3 MPa,頂替終了壓力為20.5 MPa,較模擬壓力增加10.0 MPa。從開始注領(lǐng)漿到施工結(jié)束用時210 min,開始注尾漿到施工結(jié)束用時120 min。取現(xiàn)場水樣及灰樣進行復(fù)合稠化實驗,領(lǐng)漿稠化時間325 min,可泵時間284 min,尾漿稠化時間215 min,可泵時間183 min,稠化時間滿足現(xiàn)場施工需求。對現(xiàn)場用鉆井液和隔離液進行水泥漿污染稠化實驗,水泥漿/鉆井液為95/5和75/25時稠化時間分別為300 min和360 min,均大于現(xiàn)場施工時間。

黃柏宗等人研究表明,當(dāng)溫度低于52 ℃時,包括氯化鈣、氯化鈉、偏硅酸鈉及火山灰低密度水泥漿在內(nèi)的體系,降低剪切速率后稠化時間縮短,這4類水泥漿體系的稠化時間對剪切速率的變化很敏感。當(dāng)用API方法測定這4類水泥漿體系的稠化時間時,在施工中很可能出現(xiàn)提前稠化的固井事故[6]。厄瓜多爾表層固井采用A級油井水泥,水泥漿體系中添加了早強劑。分析認為,由于現(xiàn)場頂替排量小,水泥漿上返時剪切速率低,水泥漿實際稠化時間小于室內(nèi)實驗稠化時間,需開展低剪切速率下水泥漿稠化實驗,模擬實際工況條件下水泥漿稠化規(guī)律。

2 現(xiàn)場施工及稠化實驗水泥漿剪切速率

2.1 現(xiàn)場施工水泥漿剪切速率

(1)

(2)

(3)

式中:n為水泥漿流性指數(shù);Dh為井眼直徑,m;Dp為套管外徑,m;Deff為環(huán)空的等效直徑(非牛頓流體),m;Q為注替排量,m3/min;v為平均流速,m/s;Vsr為剪切速率,s-1。

厄瓜多爾安第斯區(qū)塊表層固井采用φ406.4 mm井眼下φ339.7 mm套管,頂替排量為1.8 m3/min～1.2 m3/min～1.0 m3/min,領(lǐng)漿的流性指數(shù)n為0.62,尾漿流性指數(shù)n為0.81,根據(jù)式(1)計算出水泥漿不同頂替排量時的水泥漿的剪切速率,結(jié)果見表1。

表1 不同頂替排量對應(yīng)稠化儀轉(zhuǎn)速

2.2 稠化實驗中水泥漿的剪切速率

水泥漿的稠化時間通過增溫增壓稠化儀測定,《油井水泥》GB/T10238-2015規(guī)定稠化儀有一個旋轉(zhuǎn)圓筒式漿杯,漿杯內(nèi)徑為75.95 mm,深度為116.33 mm,其內(nèi)配有可固定式拌合漿葉總成。漿葉由2個垂直的葉片組成,漿葉外邊緣直徑 91.42 mm,漿葉與漿杯成30°。漿葉中心軸直徑9.4 mm,上面連接4個附加的水平葉片,與垂直葉片所在平面相互垂直,所有的水平葉片都傾斜20°,便有較好的攪拌效果[11-12]。這一構(gòu)型與API規(guī)范10A基本相同,由于稠化儀漿葉的物理特征,其剪切速率關(guān)系不可能在數(shù)學(xué)上以轉(zhuǎn)速的函數(shù)確定。

D.L.PURVIS等人研究表明,螺旋漿葉可以充分攪動水泥漿以保持其均質(zhì)性,并可兼容增溫增壓稠化儀,且在不同轉(zhuǎn)速下測得的多種水泥漿的稠度和稠化時間與API漿葉十分接近。因此用螺旋漿葉代替API稠化儀漿葉。將稠化儀中剪切速率與漿杯內(nèi)徑、漿葉外邊緣直徑、漿葉中心軸直徑、漿杯轉(zhuǎn)速及水泥漿流行指數(shù)建立數(shù)學(xué)關(guān)系(為計算方便引入Cr1=0.101 8/n+0.898 2,Cr2=1.223 1+∑/3-∑3/45+2∑5/945+2∑7/4 725,∑=0.334 7/n-0334 7作為中間計算量),計算公式如下:

(4)

Cr=Cr1Cr2

(5)

式中:Cr為校正因子;R為稠化儀轉(zhuǎn)速,r/min。

根據(jù)式(4)計算厄瓜多爾表層固井用領(lǐng)漿及尾漿在現(xiàn)場施工頂替排量條件下水泥漿剪切速率所對應(yīng)稠化實驗漿葉轉(zhuǎn)速(表1),頂替排量1.0～1.8 m3/min時的水泥漿剪切速率對應(yīng)的增壓稠化儀轉(zhuǎn)速只有8～18 r/min,遠遠小于GB/T10238-2015標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的轉(zhuǎn)速150 r/min。

3 低剪切速率對水泥漿性能的影響實驗

3.1 低剪切速率對水泥漿稠化影響實驗

3.1.1 低剪切速率條件下水泥漿稠化時間變化

安第斯區(qū)塊表層固井主要應(yīng)用A級油井水泥,對JOHANNA ESTE XX井領(lǐng)漿和尾漿開展不同剪切速率條件下水泥漿稠化實驗。領(lǐng)漿配方:A級油井水泥+膨潤土+增強劑G401A1+緩凝劑G407R1,水泥漿密度1.63 g/cm3,流性指數(shù)n為0.62;尾漿配方:A級油井水泥+分散劑G408FCJ+增強劑G406A2+緩凝劑G407R1,水泥漿密度1.86 g/cm3,流性指數(shù)n為0.81;根據(jù)GB/T19139-2012標(biāo)準(zhǔn)配置水泥漿,在50 ℃及21.0 MPa條件下,以不同稠化儀轉(zhuǎn)速條件下進行稠化實驗,實驗結(jié)果見表2。

表2 不同水泥漿體系稠化實驗結(jié)果

由表2可知,在低轉(zhuǎn)速條件下領(lǐng)漿和尾漿稠化時間均大幅縮短。對比低轉(zhuǎn)速條件下水泥漿稠化時間與標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速150 r/min時水泥漿稠化時間得到稠化時間變化率,其中領(lǐng)漿稠化時間變化率34.4%,高于尾漿稠化時間變化率21.2%。領(lǐng)漿在剪切速率為29 s-1時稠化時間較剪切速率為554 s-1時縮短了130 min,可泵時間只有182 min,少于現(xiàn)場施工時間210 min,沒有足夠安全可泵時間,無法滿足現(xiàn)場施工需求。尾漿在剪切速率為32 s-1時可泵時間為136 min,大于現(xiàn)場注尾漿后施工時間120 min,現(xiàn)場施工水泥漿注入和前期頂替施工排量較大,剪切速率大于32 s-1,尾漿實際稠化時間大于剪切速率為32 s-1時稠化時間,在低環(huán)空返速下有足夠的安全可泵時間。現(xiàn)場施工頂替時壓力提前升高是因為低剪切速率下領(lǐng)漿稠化時間大幅縮短,施工時水泥漿提前稠化所致。

3.1.2 低剪切速率條件下水泥類型對稠化時間的影響

為驗證在低剪切速率條件下不同類型水泥對水泥漿稠化時間的影響,對A級和G級油井水泥漿開展不同轉(zhuǎn)速條件下稠化實驗,配方分別為G級油井水泥+44%水(n為0.39);A級油井水泥+46%水(n為0.45),分別對兩種水泥漿在52 ℃和 35.6 MPa 及45 ℃和32.0 MPa條件下進行不同轉(zhuǎn)速稠化實驗,實驗結(jié)果見表3。

表3 不同轉(zhuǎn)速水泥漿稠化實驗結(jié)果

由表3可知,不同類型水泥漿在稠化儀轉(zhuǎn)速為10 r/min時水泥漿剪切速率相近,但是水泥漿稠化時間變化幅度不同。G級油井水泥轉(zhuǎn)速為10 r/min時稠化時間較150 r/min時減少8 min,稠化時間變化率為7.0%,變化幅度較小。而A級油井水泥在稠化儀轉(zhuǎn)速為10 r/min時稠化時間較150 r/min時減少27 min,稠化時間變化率為25.5%,水泥漿隨剪切速率降低,稠化時間大幅縮短。剪切速率對不同類型水泥的水泥漿稠化時間影響效果區(qū)別較大,A級油井水泥稠化時間變化率遠高于G級油井水泥。

3.1.3 低剪切速率條件下增強劑對水泥漿稠化性能影響

在A級油井水泥中添加早強劑,開展不同稠化儀轉(zhuǎn)速條件下水泥漿稠化實驗,早強劑G406A2加量分別為水泥質(zhì)量分數(shù)的0.5%和1.0%。實驗條件為50 ℃和25.0 MPa,實驗結(jié)果見表4。

表4 水泥漿稠化實驗結(jié)果

早強劑加量為0.5%時,水泥漿稠化時間及低剪切速率下稠化時間和水泥漿凈漿稠化時間基本相同,此時早強劑對水泥漿低剪切速率下稠化時間影響不大。當(dāng)早強劑加量為1.0%時,各剪切速率條件下水泥漿稠化時間較凈漿均有所縮短,低剪切速率下稠化時間變化率和水泥漿凈漿基本相同?，F(xiàn)場施工時早強劑G406A2加量為0.5%,低剪切速率下對水泥漿稠化時間影響不大。

3.1.4 低剪切速率條件下緩凝劑對水泥漿稠化性能的影響

在緩凝劑加量不變的條件下,分別對添加改性淀粉類緩凝劑G407R1和有機膦酸性鹽類緩凝劑G421R3的水泥漿進行不同剪切速率下水泥漿稠化實驗,基礎(chǔ)配方為A級油井水泥+緩凝劑+46%水,實驗條件為50℃和25.0 MPa,實驗結(jié)果見圖1。

由圖1可知,在低轉(zhuǎn)速條件下添加緩凝劑的水泥漿稠化時間依然呈減小趨勢,稠化時間變化率和純水泥比較有所降低,在稠化儀轉(zhuǎn)速10～40 r/min時添加緩凝劑G421R2的水泥漿稠化時間變化率小于添加G407R1的水泥漿,表明不同類型緩凝劑在低剪切速率下對水泥漿稠化時間影響效果不同。

3.1.5 低剪切速率條件下外摻料對水泥漿稠化性能的影響

厄瓜多爾安第斯區(qū)塊表層固井領(lǐng)漿主要應(yīng)用膨潤土水泥漿體系,水泥漿密度1.55～1.65 g/cm3,分別以膨潤土、粉煤灰作為減輕材料配置密度為1.60 g/cm3的水泥漿,開展不同剪切速率稠化實驗,實驗條件為50 ℃和25.0 MPa,實驗結(jié)果見圖2。

圖2 不同減輕劑水泥漿稠化實驗結(jié)果

由圖2可知,添加不同外摻料的A級油井水泥低密度水泥漿,隨稠化儀轉(zhuǎn)速降低稠化時間逐漸減少,其中稠化儀轉(zhuǎn)速為10 r/min時膨潤土水泥漿體系稠化時間變化率33%,遠高于粉煤灰水泥漿體系的16.6%,表明膨潤土在低剪切速率條件下對水泥漿稠化時間影響大于粉煤灰。

3.2 剪切速率對水泥漿穩(wěn)定性的影響實驗

按照GB/19139方法配制水泥漿,將配制好的水泥漿置于增壓稠化儀漿杯中,按50 ℃和25.0 MPa的實驗條件進行升溫,在不同轉(zhuǎn)速下進行水泥漿養(yǎng)護,溫度壓力穩(wěn)定后繼續(xù)攪拌30 min。泄壓取出漿杯,打開杯蓋,吸去水泥漿表面的浮油,將水泥漿分別倒入250 mL量筒和沉降管內(nèi),在50 ℃常壓條件下按GB/19139方法測量水泥漿游離液和水泥石上下密度差。以轉(zhuǎn)速10、50、100、150 r/min養(yǎng)護后,水泥漿體游離液分別為0.2%、0.2%、0.2%、0.2%。上下密度差分別為0.01、0.02、0.01、0.01 g/cm3。實驗結(jié)果表明,不同轉(zhuǎn)速條件下養(yǎng)護的水泥漿穩(wěn)定性基本一致,低剪切速率對水泥漿穩(wěn)定性無不利影響,現(xiàn)場施工時低排量頂替對水泥漿穩(wěn)定性影響不大。

3.3 剪切速率對水泥抗壓強度的影響實驗

按照GB/19139方法配制水泥漿,將配制好的水泥漿置于增壓稠化儀漿杯中,按50 ℃/25.0 MPa實驗條件進行升溫,在不同轉(zhuǎn)速下進行水泥漿養(yǎng)護,溫度壓力穩(wěn)定后繼續(xù)攪拌30 min。泄壓取出漿杯,打開杯蓋,吸去水泥漿表面的浮油。將養(yǎng)護后的水泥漿裝入仟德樂靜膠凝強度測試儀,在60 ℃/21.0 MPa條件下測定水泥漿抗壓強度,抗壓強度測試統(tǒng)計結(jié)果見圖3。由圖3可知,攪拌速率對水泥石抗壓強度影響不大,經(jīng)稠化儀養(yǎng)護的水泥漿強度比未養(yǎng)護的水泥漿稍高。圖4中左圖為50 r/min轉(zhuǎn)速條件下攪拌30 min水泥石掃描電鏡照片,右圖為未進行攪拌養(yǎng)護水泥石掃描電鏡照片。左圖中水泥石結(jié)構(gòu)更加致密,氣泡較少,表明水泥漿經(jīng)過稠化儀攪拌養(yǎng)護水泥顆粒能更充分地與自由水接觸,水泥漿勻質(zhì)性更好,增加了內(nèi)部離子的運移速度,從而在早期可生成更多的水化產(chǎn)物[13-16]。

圖3 不同剪切速率水泥石抗壓強度數(shù)據(jù)

圖4 不同養(yǎng)護條件水泥石掃描電鏡照片

3.4 改進措施

實驗結(jié)果表明,低剪切速率條件下A級油井水泥、緩凝劑G407R1、膨潤土對水泥漿稠化時間性能影響較大,但安第斯區(qū)塊G級油井水泥和粉煤灰成本較高。為節(jié)約成本,表層套管固井不得不采用A級油井水泥和膨潤土。為改善低環(huán)空返速下領(lǐng)漿稠化時間縮短對固井施工的影響,對設(shè)計方案進行調(diào)整。方案1:領(lǐng)漿稠化時間設(shè)計值增加1.0～1.5 h,保障領(lǐng)漿有足夠安全可泵時間;方案2:G421R2在低剪切速率條件下對水泥漿稠化時間影響相對較小,使用G421R2作為緩凝劑減小低剪切速率水泥漿稠化時間變化。對兩種方案進行水泥漿綜合性能評價,水泥漿稠化時間實驗條件為50 ℃/25.0 MPa,抗壓強度和游離液養(yǎng)護條件為45 ℃/常壓,實驗結(jié)果見表5。

表5 水泥漿綜合性能

兩種設(shè)計方案雖然在低轉(zhuǎn)速下稠化時間均能保障固井施工安全,但緩凝劑G421R2在低溫條件下對水泥石抗壓強度影響較大,方案2的水泥石抗壓強度較低。后續(xù)施工采用原水泥漿體系配方,把領(lǐng)漿稠化時間設(shè)計值增加1.0～1.5 h,并提高頂替排量,增加水泥漿上返時剪切速率。完成5口井固井施工,未發(fā)生頂替壓力異常升高現(xiàn)象。

4 結(jié)論

1)A級油井水泥漿體系在低返速條件下固井時水泥漿稠化時間大幅縮短,易發(fā)生頂替過程中壓力升高和留水泥塞問題,水泥漿設(shè)計需適當(dāng)增加安全時間或在低剪切速率條件下進行稠化時間測定。

2)低返速條件下A級油井水泥漿體系穩(wěn)定性基本不受影響,抗壓強度稍有提高。

3)G級油井水泥漿和A級油井水泥漿在低剪切速率條件下稠化時間變化幅度不同,加有不同添加劑的水泥漿體系在低剪切速率條件下的稠化時間變化幅度不同,大尺寸套管或小間隙固井應(yīng)根據(jù)實際情況選擇合適轉(zhuǎn)速進行稠化實驗。