水泥浆防气窜性能评价新方法_技术研究

摘要

摘要：目前固井行业缺乏可结合实际情况进行水泥浆防气窜性能的评价方法，导致在单井设计中水泥浆的防气窜性能难以把握。通过规范水泥浆静胶凝强度的试验分析，提出将环空水泥浆柱

摘要：目前固井行业缺乏可结合实际情况进行水泥浆防气窜性能的评价方法，导致在单井设计中水泥浆的防气窜性能难以把握。通过规范水泥浆静胶凝强度的试验分析，提出将环空水泥浆柱视为由多段长度为30.48m的水泥浆柱组成，考察最接近气层水泥浆柱能否抵抗气侵从而延绅至井口的整个水泥浆柱的环空水泥浆防气窜性能的评价新方法。使用该方法对固井水泥浆配方进行了研究，并结合气田的现场尾管固井实例对所选水泥浆配方进行了评价。结果表明，在水泥浆的防气窜设计中仅强调控制水泥浆失水或缩短水泥浆候凝期间的过渡时间是不够的，必须提高水泥浆在候凝期间的内部结构阻力或降低水泥浆在候凝期间的渗透率，才能确保气井的固井质量。该方法可指导入井水泥浆的防气窜性能设计及评价。

关键词：深井超深井固井水泥浆防气窜评价方法静胶凝强度

一般将固井中的气窜分为初次气窜和二次气窜，初次气窜主要指固井作业期间或者固井作业结束后不久发生的气窜。同井气窜有3个途径，即水泥或套管间的第一界面、水泥或地层间的第二界面和水泥本体内部。国内、国外已经有一些评价固井作业窜流问题的研究^[1]，大部分工作针对的是固井作业施工评价方面的，不能结合实际情况进行水泥浆的防气窜性能研究，在实际指导固井水泥浆配方设计应用方面受到了限制。本文是在前人研究的基础上，针对水泥浆本体发生的初次气窜问题的进一步研究。

1 试验仪器和方法

此部分试验研究中的水泥浆需要进行一系列试验，试验中包括失水、静胶凝强度和气窜试验。失水试验的要求按GB 10238标准执行，只有当水泥浆的失水在100mL以内时才能进行后面的气窜试验跚。

1.1 静胶凝强度

目前对于水泥浆静胶凝强度测试方法还没有认可的行业标准。本研究中使用超声波方法测量(仪器名称：5265 SGSA，千德乐)。在研究中发现，水泥浆静胶凝强度的试验结果影响比较多，为了缩小试验误差，确定了水泥浆静胶凝强度的对应试验程序，要求各步操作时间须精确控制。

1.2 防气窜

测试水泥浆候凝期间的防气窜能力的仪器是气窜分析仪(7150FMA，千德乐)。由于气窜试验没有行业试验方法，为此进行了这方面研究。在此研究中，以封固气层的水泥浆为研究目标，将气层上部的水泥浆柱按30.48m的长度进行分隔考察。对于这些长为30.48m的水泥浆柱而言，只有当最接近气层的那段30.48m长水泥浆柱被气体窜穿以后，才会发生其临近的水泥浆柱窜穿的情况。因此，环空水泥浆柱是否发生气窜的关键是考察临近气层上部最近的第一段30.48m水泥浆柱是否会发生气窜。当气层最近一段30.48m长水泥浆柱被气体窜穿以后，再远一点的30.48m水泥浆柱才可能窜穿，以此类推可以推广到整个环空水泥浆柱。

此试验方法分为两个阶段，当环空液柱压力大于气层压力时为第一阶段，此时不会发生气窜，只会发生环空向地层的失水。随着水泥浆静胶凝强度的发展环空液柱压力逐渐等于并小于气层压力，此时进入测窜阶段。只要将环空水泥浆柱的静胶凝强度发展测量出来，根据式(1)计算出环空水泥浆液柱压力损失，得到环空液柱压力的变化情况。即

式中p_r为用于克服静胶凝强度的压力，Pa；sgs为静胶凝强度，Pa；l为水泥浆柱长度，m；d₁为井眼直径，m；d₂为套管直径，m。

在第一阶段主要通过控制水泥浆的孔隙压力变化进行试验，一直到水泥浆的孔隙压力接近气层压力时第一阶段试验结束，试验进入第二阶段即测窜阶段。在进入测窜阶段之后，以第一段水泥浆柱顶部为低压排出部分，以该段水泥浆柱上部的液柱压力为低压排放压力，根据式(2)得到室内气窜试验中的上部液柱压力控制情况。随着上部水泥浆的水化上部液柱压力不断降低，上部的排放压力通过式(1)计算不断减小直到0为止。因此，在进行室内测窜试验时最后的回压会逐渐减小到0。通过这种方法，对于研究特定井眼的环空窜流情况时就不用局限于井底气层的数目和距离。

式中p_1c为室内气窜试验中低压排放压力，MPa；l_w为井眼内额定长度水泥浆柱高度，30.48m；p_2w为高压气层压力；MPa；p_1w为最近气层第一段30.48m长水泥浆柱上部液柱压力，MPa；l_c为试验仪器内水泥浆柱高度，0.1524m；p_2c为注塞压力，2.8MPa。

在评价水泥浆防气窜能力时，为了保证静胶凝强度数据的有效性，进行防气窜试验的对应准备工作用时应与静胶凝强度的一致^[3～5]。

2 气窜水泥浆配方实例

最新的静胶凝强度过渡时间定义为水泥浆静胶凝强度48～240Pa的时间段，在此研究中设计了一种示例井眼，使得水泥浆在静胶凝强度达到48Pa时开始测窜，能横向研究不同水泥浆体系的防气窜性能。按照建立的试验方法和设计的示例井眼控制程序进行了一些水泥浆配方的防气窜性能研究。表1所示为所研究的水泥浆组成及性能。1号水泥浆只含有通过降低滤饼渗透率进行失水控制的降失水剂F₁，2号水泥浆只含有通过在气液界面成膜作用进行失水控制的降失水剂F₂，3号水泥浆为1号水泥浆加入了一种胶乳类防气窜剂A，4号配方为1号水泥浆加入了膨胀剂E，从表1中可知除配方2外其余几个配方属于低失水、短候凝水泥浆体系。

2.1 配方1水泥浆

图1所示为配方1水泥浆气窜试验的流体窜流情况。从图1可知，单纯降失水剂F₁虽然能有效控制水泥浆的失水，但是由于该配方在候凝期间不能有效限制水泥浆内流体的运移，在水泥浆面临气层流体威胁时不能有效增加水泥浆的抗气体入侵阻力。因此，该类水泥浆体系的防气窜效果不是很理想。

2.2 配方2水泥浆

图2所示为配方2水泥浆气窜试验的流体窜流情况。降失水剂F₂通过在气液界面成膜来控制失水，从图2可以得知，对于该水泥浆配方，虽然降失水剂F₂通过在水泥浆与地层交界处形成一种耐压膜，一定程度上限制了气体对水泥浆的侵入，但是由于在试验温度下该降失水剂成膜的稳定性不佳，不能有效降低候凝期间该水泥浆配方的渗透率。因此，后期气体还是能不断置换水泥浆内流体，最后发生了窜流。

2.3 配方3水泥浆

图3所示为配方3水泥浆气窜试验的流体窜流情况。从图3中可知，向含有降失水剂F₁的水泥浆中掺入一定量的胶乳类防气窜剂A后，由于该类防气窜剂可以通过在水泥浆内部挤压成膜等作用来限制气体在水泥浆中的运移，提高了该水泥浆在候凝期间的内部结构阻力，因而极大地提高了该水泥浆的防气窜能力。

2.4 配方4水泥浆

图4所示为配方4水泥浆气窜试验的压力控制情况。从图4中可以知道。向含有降失水剂F₁的水泥浆中掺入一定量的膨胀剂E，由于膨胀剂E主要是在水泥浆开始有强度后才开始通过晶格膨胀发生作用，在水泥浆候凝期间不能有效限制流体流动的作用，难以有效地降低候凝期间该水泥浆配方的渗透率。因此，水泥浆的窜流情况和单纯加降失水剂F。的水泥浆配方防气窜试验结果几乎一致。

3 现场固井配方研究

使用作者所述的水泥浆防气窜性能评价方法，对国内一些气田的尾管固井水泥浆配方进行了研究。研究表明，现场固井效果和室内结果有很好的一致性。下面给出一些代表性的实例：

实例1：A井第4次开钻Φ215.9mm钻头钻至井深4965m中途完钻，Φ177.8mm尾管下至井深4963m，Φ177.8mm套管喇叭口在4100m，重合段长为107.9m。该井4309m以下存在很多厚度为0.5～10m不等的高压含气层，使用作者提及的胶乳水泥浆加重体系，采用双凝水泥浆尾管悬挂固井，使用正注反挤固井工序，用缓凝水泥浆封固4100～4300m井段，用快干水泥浆封固4300～4965m井段，快干水泥浆配方室内窜流试验未发生气窜。测井结果表明，固井质量合格。

实例2：B井为大斜度长位移开窗侧钻定向井。该井第5次开钻用Φ149.2mm钻头，Φ177.8mm尾管(下深6097m)5990m开窗侧钻钻至井深6990m完钻。该井6736m以下存在4～15m不等的高压气层。尾管悬挂点为4850m，此次固井采用Φ127mm尾管悬挂固井封固4850～6990m井段。该井采用作者提及的胶乳水泥浆作为两凝水泥浆体系，一次性正注水泥返至Φ127mm尾管悬挂器之上的固井工艺。快干水泥浆配方室内窜流试验未发生气窜，测井结果表明，固井质量合格。

实例3：C井是早期的一口开发井，该井第5次开钻钻至井深5645m完钻Φ进行Φ177.8mm尾管悬挂固井，悬挂器位置为3150m，重合段长185m左右；两凝界面选在5000m，水泥浆采用两凝加砂、抗盐体系，水泥浆密度为2.10～2.15g/cm³。可调，快干水泥浆封固5000～5643m井段，缓凝水泥浆封同3150～5000m井段。该井测井结果表明，气层封固质量不佳，在事后使用该井水泥浆体系进行的室内防气窜试验中发生了气窜。

4 结论

1) 水泥浆的防气窜问题是一个非常复杂的问题，单纯强调水泥浆的失水或短候凝是不够的，必须降低在候凝过程中浆体的渗透率或者提高浆体对气体入侵的阻力。

2) 提出的水泥浆窜流试验方法能较有效地评价水泥浆内部的气窜问题。

3) 该方法通过将环空水泥浆柱视为由多段30.48m长的水泥浆柱组成，考察最接近气层水泥浆柱能否抵抗气侵从而延伸至井口的整个水泥浆柱的环空窜流情况。

4) 通过对现场尾管固井研究表明，该方法能有效地指导气井固井中入井水泥浆的设计。

参考文献

[1] 刘乃震，王廷瑞，刘孝良，等.水泥浆防气窜性能设计及合理的浆体组成研究[J].天然气工业，2002，22(3)：49-52.

[2] 张兴国，郭小阳，杨远光·用胶凝强度法估计水泥浆防窜能力的室内研究[J].天然气工业，2001，21(2)：52-55.

[3] 刘崇建，张玉隆，谢应权.应用水泥浆稠度阻力变化预测环空气窜的方法研究[J].天然气工业，1999，19 (5)：46-50.

[4] 马超，赵林，周大林，等.抗温防窜胶乳水泥浆体系的研制[J].天然气工业，2008，28(12)：57-59.

[5] 韩福彬.庆深气田深层气井防气窜固井配套技术[J].天然气工业，2009，29(2)：70-72.

(本文作者：朱海金屈建省刘爱萍邹建龙许加星天津中油渤星工程科技有限公司)