固井防窜水泥浆体系在丘东气田的研究与应用

陈新忠　樊文俊

摘 要 气窜是丘东气井田井存在的一大技术难题，具有低压、低渗、个别井段易漏和固井后易气窜的明显特点。为此开发了浅层气井固井防窜水泥浆，该水泥浆具有流动性好、失水量低、稠化时间合适、过渡时间短和早期强度高等优点。针对水泥浆性能影响固井质量的原因分析，通过水泥浆体系和水泥石的室内试验与评价，优选出适合本区块的水泥浆体系，现场应用效果比较理想。

关键词 低压低渗 防窜水泥浆 室内评价 固井质量

由于调整井长期受开发注水的影响，地下情况越来越复杂，在同一地层剖面上，地层存在很大的压力差异，并存着高压、常压、低压的多压力系统，固井溢漏、气窜情况时有发生。虽然采取了多种配套工艺技术取得了一定成效，但也不尽如人意，试油窜流现象依然存在，给采油的稳产和增产措施带来不利影响，考虑防止溢漏的发生，从水泥浆的体系和密度着手，开展能使溢漏相互遏制达到平衡的水泥浆密度，同时又具有防窜功效的水泥浆研究具有重要的现实意义。

一、气窜原理的分析

固井界默认的气侵原理：当水泥浆从液态向固态转变时，由胶凝强度的发展引起的。因此，水泥浆失去传递液柱压力的能力时，气侵就发生了。其他的气侵原理如：水泥浆失水量大、桥堵、渗透性大、环空微间隙等引起的。依据气窜的途径不同研制出了各种不同的防气窜的方法。但是，现场固井中综合运用这些方法可以有效地控制气窜的发生。在选择防气窜的方法时，需要综合考虑地层压力，渗透率，气体上窜速度，井底温度，井深结构，井斜，水泥柱高度、地层破裂压力。固井施工中的很多参数和水泥浆密度一样能够引起液柱压力失稳现象。性能较差的泥浆和水泥浆使气体很容侵入到环空中。水泥浆过早胶凝导致不能传递液柱压力，同时水泥浆的失水量大也为气体窜入水泥浆提供了机会。水泥浆渗透率高引起封隔质量差，防气窜能力差。水泥石收缩率高则导致水泥环孔隙率增加及环空微间隙增加，固井失败导致气体对水泥环的破坏，水泥胶结强度差引起第一、二界面胶结质量差。

二、气窜发生的主要原因分析

在水泥浆由液态向固态转变时期，气侵是非常普遍的现象。过渡时间是水泥浆从可泵状态发展到固态之间的时间。过渡时间的另一个定义是利用静胶凝强度定义的。胶凝强度基于浆体的抗剪能力，测量凝胶的形成和保留凝胶的能力。流体的胶凝强度、剪切强度决定其悬浮固体颗粒的能力，所以，定义过渡时间必须测量水泥浆的静胶凝强度从100lbf/100sq.ft（48Pa）增加到500lbf/100sq.ft（240Pa）的时间。这已经成为石油工业默认的工业标准。一旦水泥浆的静胶凝强度到达500lbf/100sq.ft（240Pa），气体或其他流体就不能通过它而渗透。水泥浆静胶凝强度达到最佳值500lbf/100sq.ft越快，气体透过浆体发生气窜的可能性越小。当胶凝强度达到250-500lbf/100sq.ft范围内，足够防止气体渗透浆体发生气侵。防止气体侵入水泥柱的主要因素是水泥柱和泥浆柱压力之和。只有这个压力大于地层气体压力时便不会发生气侵，但是这个压力不能超过地层破裂压力。在过渡时间内有两个因素影响水泥浆中水分的减少。一是水泥浆水化消耗部分水分，二是水分以失水的形式渗入到地层中，造成水泥柱中水分的减少。第一个因素是很难控制的，只有从第二个因素着手控制水分的减少。所以失水量小的水泥浆有助于防止气窜。普遍认为水泥浆API失水量小于50 ml/30min是足够防止气窜的。而且水分的减少使水泥水化物的网状结构变得脆弱而增加孔隙率。水化一旦结束，水泥浆就变成不能渗透的固体。此时，气窜的唯一途径是沿着水泥与地层或者水泥与套管的界面进行。

三、防窜水泥浆体系的配方研究

水泥浆体系是现场固井质量优劣的最主要保障，优选水泥浆体系时除了考虑的本身的性性能外，还要考虑现场施工条件及目的层的物性状况，只有进行综合考虑，室内研制出的水泥浆体系才能真正符合现场施工要求。目前在国内低密度水泥浆中所应用的减轻剂主要有：钻井液用膨润土、膨胀珍珠岩、水玻璃、微硅、粉煤灰、漂珠等，其中前四种均是以增大水灰比的形式来降低水泥浆体系的密度，这样所形成的水泥浆体系有一定的缺点。如在吐哈油田丘东区块使用，由于低密度水泥石强度发展缓慢、且强度偏低，达不到封隔地层、支撑套管的要求通过室内实验，研究出以BCT-800L、KQ-B为主剂防气侵水泥浆配方和低密度水泥浆配方，见表1、表2。

四、防窜水泥浆性能评价

1.水泥浆流变性能评价，见表3。

从表中可以看出，优选出的水泥浆的稠化过渡时间基本上都在18 min左右，属于直角稠化，失水、析水控制得相当好，有利于防气窜，同时这两种水泥浆体系具有低磨阻、低的紊流临界排量，现场很容易实现紊流顶替。

2.水泥浆防气窜性能评价。用水泥浆性能系数（SPN）评价水泥浆防窜性能：

SPN=

0≤SPN≤3防气窜效果好；3

从计算结果来看，水泥浆性能系数SPN < 3，因此防气窜效果好。

式中：B：水泥浆30 min，失水量mL。

√t100BC：水泥浆稠度100BC，时间min。√t30BC：水泥浆稠度30BC时间min。

3.水泥石性能评价。水泥石的弹性模量的测定。弹性模量是材料刚性的量度，弹性模量越大，说明在相同外力作用下，其变形越差，越易脆裂。弹性模量的测定结果，见表5。

由表可以看出，随着KQ-B、BCT-800L的加入，显著改善了水泥石的可变形能力，其弹性模量较原水泥浆下降了17.2%、36.1%。

4.水泥浆体系的现场应用情况。（1）丘东41井一次上返固井施工（2011.8.25完钻井深：3477 m）。①水泥浆体系（BCT-800L）大样室内复核试验。低密度水泥浆：密度1.40 g/cm3，失水37 ml，析水0.2 mL，稠化时间225 min，过渡时间19 min。常规密度水泥浆：密度1.89 g/cm3，失水34 mL，析水0.0 ml，稠化时间142 min，过渡时间16 min。②现场施工及固井质量评价：注前置液8 m3，注低密度水泥浆30 m3，平均密度为1.40g/cm3；注领浆5 m3，平均密度1.72 g/cm3；注尾浆30 m3，平均密度1.90 g/cm3；注压塞液1.5m3；泥浆泵顶替（排量2.4 m3/min）36 m3，顶替泵压16 MPa，加上井内液柱压力达到破裂压力的95%，改用水泥车顶替（排量0.5 m3/min），总替量34.3 m3；碰压20 MPa。侯凝48 h后测固井质量优质。（2）丘东47井现场施工（2011.9.30 完钻井深：3532 m）。①水泥浆体系（KQ-B）大样室内复核试验。低密度水泥浆：密度1.42 g/cm3，失水44 mL， 游离水0 mL，稠化时间220 min，过渡时间20 min。常规密度水泥浆：密度1.90 g/cm3，失水46 ml，游离水0 ml，稠化时间123 min，过渡时间18 min。②现场施工及固井质量评价。前置液10 m3，注低密度水泥36 m3，平均密度1.42 g/cm3；注领浆5 m3，平均密度1.70 g/cm3；注尾浆25 m3，平均密度1.90 g/cm3；注压塞液1.5 m3；泥浆泵顶替（排量2.4 m3/min）36.0 m3，顶替泵压14 MPa，加上井内液柱压力达到破裂压力的95%，改用水泥车顶替（排量0.5 m3/min）；碰压17 MPa。侯凝48 h后测固井质量优质。（3）现场应用。该防气窜水泥浆在丘东区块进行了 20余口井的现场试验，取得了良好的使用效果。该区油藏埋藏浅，地层压力低，首先调整钻井液性能，下套管前认真通井洗井，保证井眼干净，井下通畅。提高套管居中度，以提高顶替效率，降低泵送阻力，形成均匀的水泥环。使用高效冲洗液和前置液，提高水泥浆顶替率和胶结性能。丘东区块完成了 20余口天然气井，固井质量合格率为 100%，，优质率达到80%以上。

五、结论

优选水泥浆体系时，除了考虑本身的性能外，还要考虑现场施工条件及目的层的物性状况，在达到低速紊流的同时其防气窜效果比较好。通过水泥浆防窜性能的室内评价，对优选水泥浆体系具有指导作用。同时结果也表明，控制好失水量和过渡时间有助于防止气窜水泥浆体系凝固后的水泥石，能满足开发和后续工程的需要。

参考文献

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