水平井全井段封固双凝防漏水泥浆技术

许明标,宋建建 (长江大学石油工程学院,湖北武汉430100)

王晓亮 (荆州嘉华科技有限公司,湖北荆州434000)

吴雪平,周福新,袁欢,黄敏 (中石化江汉石油工程公司钻井一公司,湖北潜江433121)

水平井全井段封固双凝防漏水泥浆技术

许明标,宋建建 (长江大学石油工程学院,湖北武汉430100)

王晓亮 (荆州嘉华科技有限公司,湖北荆州434000)

吴雪平,周福新,袁欢,黄敏 (中石化江汉石油工程公司钻井一公司,湖北潜江433121)

焦石坝地区是我国第一个非常规页岩气产能示范区。随着勘探开发的不断深入,钻遇水平段漏失井不断增多,且普遍存在承压能力低,压力窗口窄,易发生气窜的现象,严重影响固井质量。为提高易漏页岩气水平井固井质量,研究开发了一套用于水平井全井段封固的双凝防漏堵漏水泥浆,室内对该固井水泥浆体系的性能进行了评价研究。结果表明,该水泥浆不仅具有较高的水泥石强度,同时具有快速的静胶凝强度发展速度和较短的稠化转化时间,表现出较强的防窜效果和良好的堵漏效果,这对于保证固井质量以及后续完井作业具有重要的意义。该水泥浆技术目前已应用于焦石坝水平井固井作业中,成功封固3口水平段漏失严重井,水泥浆全部成功返出地面,候凝48h测井检测结果显示,水平段固井质量为全优质。

页岩气;低密度水泥浆;水平井固井;双凝固井;防漏堵漏

1 固井难点分析

页岩气大位移水平井固井水泥浆与一般的气井固井水泥浆相比,要求更高,难度也更大。使用油基泥浆钻井的页岩气漏失水平井,主要难点体现在以下几个方面[1～3]:

1)长水平井固井。水泥浆应具有良好的浆体稳定性,以保证水平段套管内水泥环薄厚均匀;另外水泥浆的自由液应为零,以有效防止窜槽现象发生。

2)保证压裂完井下水泥环的完整性。页岩气井分段压裂技术会对水泥环的完整性造成很大的影响,水泥环完整性受到破坏将直接影响页岩气的采收,因此页岩气井固井不仅要求水泥环具有足够高的强度,而且还要具备较好的抗冲击能力和耐久性。

3)气井的防窜性能要求。地层中气体最为活跃,易窜流,直接影响气层的采收率,不利于增产措施实施。水泥浆良好的防窜性正是保障页岩气井长期有效封固的关键。只有水平段页岩气层获得了有效封固,良好的油气采收率才能获得。

4)地层承压能力低,易发生漏失,固井水泥浆体系和密度难以保证固井质量。

5)若水平段发生漏失,漏失返井段长,固井施工压力较高,注替过程中容易发生漏失,造成水泥浆返高不足;替浆排量降低,影响顶替效率,造成固井质量差;固井井漏严重时,井内液柱压力降低,不能达到压稳气层的要求,导致发生气窜。

6)使用油基泥浆钻探的井固井质量难以提高,要求固井水泥浆前面的前置液必须具备良好的润湿反转功能,将亲油性的井壁反转为亲水性的井壁,以提高水泥浆胶结质量;同时还要求其具有良好的稳定性能和冲刷能力,最大限度地将清洗下来的油性泥饼冲洗出来。

7)钻井施工中使用油基泥浆,施工过程中难以驱替,影响水泥浆顶替效率和胶结质量。

为满足易漏页岩气水平井固井技术要求,经过室内试验研究结合现场作业需要,构建了一套性能优良的防漏堵漏水泥浆体系。

2 水泥浆技术

2.1 水平井固井双凝防漏水泥浆技术设计方法

焦石坝地区是我国第一个非常规页岩气产能示范区。部分易漏失层位的地层破裂压力当量密度仅为1.27～1.37g/cm3。地层裂缝发育,漏点多,漏失情况复杂,多次泥浆堵漏收效甚微。漏失井井况复杂,甚至存在100m以上的连续漏失层位,地层承压能力极其薄弱,若只采用常规密度水泥浆固井,极易压漏地层,造成水泥浆返出困难,固井质量难以保证。页岩气井水平段需要进行大型压裂作业,其固井质量直接影响着后续增产措施的实施效果。为实现目的层位的有效封固,在设计水泥浆时提出了双凝防漏水泥浆技术,在水泥浆注替过程中,更多关注防漏而不在于堵漏。

具体设计方法如下:①双密度设计,领浆是低密度水泥浆,尾浆为常规密度水泥浆,确保平衡地层压力的情况下,保证水平段固井质量;②通过选择合适的双凝界面高度,精确控制环空水泥浆当量密度,确保水泥浆压稳、防漏;③尾浆中加入一定量的胶乳和增强防窜剂,提高水泥浆防窜能力,增强水泥环抗压强度;④为有效降低领浆水泥浆密度,提高领浆性能,室内优选了一种人造空心玻璃微珠作体系减轻剂,根据相应水泥浆性能要求构建了高强防漏低密度水泥浆体系;⑤领尾浆中同时加入适量混合堵漏纤维,提高水泥浆韧性的同时提高水泥浆防漏能力。

2.2 水泥浆配方

1#配方:“JH”G级水泥+80%淡水+12%增强增韧剂STR+40%减轻剂DWR+1.2%降滤失剂FLO-S+0.2%分散剂DISP+6%防窜增强剂MX+1%缓凝剂RET-M+0.1%消泡剂DESIL+0.2%增韧纤维FIB(密度为1.18g/cm3)(配方中百分数为质量分数,下同)。

2#配方:“JH”G级水泥+77%淡水+11%增强增韧剂STR+37%减轻剂DWR+1.2%降滤失剂FLO-S+0.2%分散剂DISP+6%防窜增强剂MX+1%缓凝剂RET-M+0.1%消泡剂DESIL+0.2%增韧纤维FIB(密度为1.20g/cm3)。

3#配方:“JH”G级水泥+63%淡水+10%增强增韧剂STR+28%减轻剂DWR+1.2%降滤失剂FLO-S+0.2%分散剂DISP+6%防窜增强剂MX+1%缓凝剂RET-M+0.1%消泡剂DESIL+0.2%增韧纤维FIB(密度为1.30g/cm3)。

4#配方:“JH”G级水泥+55%淡水+8%增强增韧剂STR+20%减轻剂DWR+1.1%降滤失剂FLO-S+0.2%分散剂DISP+6%防窜增强剂MX+1.1%缓凝剂RET-M+0.1%消泡剂DESIL+0.2%增韧纤维FIB(密度为1.40g/cm3)。

5#配方:“JH”G级水泥+27%淡水+1.6%降滤失剂FLO-S+0.2%分散剂DISP-S+0.1%缓凝剂RET-M+0.9%消泡剂DESIL+12%胶乳LATEX+6%防窜增强剂MX+1%膨胀剂BOND-1+0.2%增韧纤维FIB(密度为1.90g/cm3)。

6#对比例配方:“JH”G级水泥+44%淡水+1.6%降滤失剂FLO-S+0.2%分散剂DISP-S+0.1%缓凝剂RET-M+0.5%消泡剂DESIL(密度为1.90g/cm3)。

2.3 水泥浆性能评价

2.3.1 低密度水泥浆性能评价

1)温度对低密度水泥浆性能的影响 该区块破裂压力低,地层破裂压力对应的当量密度在1.27～1.37g/cm3范围内。室内设计低密度领浆密度应控制在1.20～1.40g/cm3范围内,设计完成了1.18～1.40g/cm3密度水泥浆配方。室内对低密度水泥浆的综合性能进行了测试,且对低密度水泥浆在30、40、70℃不同温度下的失水量、稠化时间和抗压强度进行评价,结果见表1。该体系低密度水泥浆具有3个方面特点:①超低密度,低密度1.18g/cm3水泥浆依然具有较好的性能,远低于地层破裂压力,应用于后效显示不明显的漏失井位,能够有效防漏;②高强度,随着水泥浆密度的升高,水泥浆养护强度呈现增长趋势,即使是1.18g/cm3密度水泥浆,30℃养护48h养护强度仅较常规水泥浆密度低0.3MPa,水泥石表现出优异的强度性能;③高稳定性,低密度水泥浆由于选用密度较低的人工减轻剂,减轻剂易悬浮在浆体上部,通过适当的调节水泥浆黏度,使水泥浆保持了高度的稳定性,70℃环境静置2h水泥浆上下部的密度差最大不超过0.02g/cm3。

表1 低密度水泥浆性能

2)低密度水泥浆承压能力 在漂珠水泥浆入井的过程中,随着液柱压力的增加,部分承压能力较弱的漂珠会发生破碎,随之,漂珠水泥浆的密度将出现增大的趋势。针对易漏失地层固井,尤其是地层承压能力低、压力窗口窄,并伴随有后效反应的井口,精准控制入井水泥浆的当量密度是固井成功的关键[4]。为了研究低密度水泥浆进入地层后实际密度,控制当量密度,提高水泥浆的密度稳定性,保证入井前后水泥浆密度稳定,入井水泥浆密度能够得到精确控制,确保压稳、防漏。实验室对1.18、1.20、1.30、1.40g/cm3配方低密度水泥浆承压能力进行评价。室内配制完成水泥浆后,测定其密度。然后放入养护釜,在10、20、35、45MPa条件下养护10min,再测其密度。养护前后密度差即水泥浆承压能力。差值越小,承压能力越好。对不同水泥浆承压能力测试结果见表2。

表2 低密度水泥浆承压能力

随着减轻剂质量分数的增多,低密度水泥浆承压能力变差。这是因为,减轻剂的主要成份是漂珠,漂珠是优良的耐热超低密度材料,常用作配制低密度水泥浆。压力使空心漂珠内部充满水分和大颗粒漂珠产生挤压破碎后造成密度增加。对于不同密度的水泥浆,随着漂珠质量分数的增加,水泥浆密度降低;在压力增加时,水泥浆密度的变化幅度随之增加。漂珠质量分数越小,压力对水泥浆密度的影响越小。

2.3.2 尾浆水泥浆性能评价

1)尾浆水泥浆稠化时间 尾浆水泥浆主要封固斜井段和水平段。为保证固井质量,需要水泥浆具有合理的稠化时间。对于双凝水泥浆体系来说,要求尾浆稠化时间低于领浆稠化时间,以利于固井需要。室内对尾浆水泥浆的稠化性能进行了测试,见表3。结果表明,尾浆稠化时间比低密度领浆稠化时间短,满足固井施工要求。

表3 尾浆水泥浆稠化时间

2)尾浆水泥浆力学性能评价

固井水泥环的完整性直接影响着其对地层和套管的封固效果。页岩气井多采用水平井进行开发,储层地应力高且复杂,套管居中度低引起水泥环不均匀,射孔和压裂施工时水泥环受到的冲击力和内压力大,这些因素易引起水泥环开裂破坏。被破坏后水泥环将失去层间封隔和保护套管的作用,将严重影响压裂效果和产能。因此,这对水平段固井水泥环的力学性能提出了更高的要求,水泥环的力学性能将直接影响后期完井和增产措施的效果以及后续气田产量。因此,要对开发井水平段进行有效封固,要求水泥浆尾浆性能满足一定要求。室内考察了密度为1.90g/cm3水泥石在70℃养护24h的抗折、剪切、拉伸、抗冲击等力学性能,如表4所示。试验结果表明,尾浆水泥石优良的力学性能,能够最大程度地满足页岩气水平井固井对水泥石韧性方面的要求。

表4 尾浆水泥浆力学性能

2.3.3 水泥浆堵漏性能评价

表5 水泥浆堵漏性能

针对持续井漏的复杂井,一方面需要降低水泥浆密度,另一方面需在水泥浆中加入一定量的堵漏纤维材料提高水泥浆的堵漏效果。

纤维的质量分数直接影响纤维网的致密性[5]。从理论上说,单位面积上纤维的数量越多,形成的纤维网结构就越致密,有效 “架桥”纤维数量增加,效果变好。但在实际操作中,纤维质量分数并不是越多越好,因为过多的纤维会严重影响水泥浆的流变性能,增大泵压,甚至会使水泥浆失去泵送能力。实验室经过质量分数优选,当纤维质量分数为0.2%时,双凝水泥浆体系防漏堵漏能力及泵送性能能更好的满足施工要求。室内对纤维质量分数为0.2%、密度为1.18、1.20、1.30、1.40、1.90g/cm3的水泥浆进行了填砂管试验研究,对不同密度水泥浆堵漏性能进行评价。试验过程中,保证纤维长度与质量分数的一致性和可预测性,结果见表5。试验结果表明,低密度领浆和常规密度尾浆均能有效控制漏失,具有良好的堵漏效果。

2.3.4 水泥浆防窜性能评价

1)水泥浆静凝胶强度的发展 水泥浆的凝胶强度发展速度是水泥浆防窜能力评价的重要指标之一。相关研究结果表明,水泥浆候凝过程中静胶凝强度不断变大,水泥浆静胶凝强度的测量对于防止固井过程中的气窜及提高固井质量非常关键。在水泥浆泵入井下后水泥浆就开始发展静胶凝强度,静胶凝强度发展的过程,就是水泥浆从能传递液柱压力的液态流体向具有可测量抗压强度的固硬性材料转变的过程,这一变化阶段称为过渡期。在过渡期水泥浆持续增加胶凝强度,这时水泥浆基体具有非牛顿流体的流变行为,并具备屈服值,也被称为静胶凝强度。

经井场调研发现,该作业区最高地层温度为85℃,所以室内采用超声波水泥分析仪对1.90g/cm3尾浆在85℃时的凝胶强度发展情况进行了测试,试验曲线见图1,水泥浆在静凝胶强度从100lb/100ft2发展至500lb/100ft2(48～240Pa)所用时间为15min,水泥浆凝胶强度发展迅速,表现出较强的防窜性能。这是因为固井过程中,水泥浆在环空顶替到位后,环空气窜多发生在静胶凝强度为48～240Pa的区间内,在该区间内,静胶凝强度发展所用时间越短,气窜发生的几率就越小。

2)水泥浆稠化转化时间 稠化过程中水泥浆由30Bc发展至100Bc所需时间称之为稠化转化时间。室内模拟现场某井地层条件 (井底压力35MPa,井底温度65℃),对密度为1.18、1.20、1.30、1.40、1.90g/cm3的水泥浆的稠化性能进行了测试,见表6。试验结果表明,水泥浆体系稠化转化阶段时间均能够较好控制,最长转化时间为23min,最短转化时间13min,与对比例6#水泥浆比较都具有较短的稠化转化时间。水泥浆稠化转化时间越短,井下流体侵入环空的可能性就越低,防窜性能越好。

表6 不同密度水泥浆的稠化性能

表7 所用固井设备

3 现场应用

以焦页某井为例,该井完钻井深3465.5m,水平段长806.5m。钻进过程中发生3次井漏,且主要发生在水平段。固井采用双凝双密度水泥浆体系,双凝界面设计在2300m。固井水泥浆分为领浆和尾浆设计,领浆作为先导浆主要用于平衡地层压力,水泥浆设计为低密度水泥浆,具有一定防气窜、堵漏功能,封固0～2300m(段长2300m),其密度为1.25g/cm3;尾浆主要用于封固水平段,水泥浆设计为常规密度水泥浆体系,有较强防气窜功能并具有一定堵漏功能,封固2300m至井底 (段长1165.5m),密度为1.85g/cm3。

1)现场施工情况 焦页某井固井施工作业总体上较为顺利,现场施工过程流畅,碰压明显,井口敞开顺利,固井设备如表7所示,各项施工参数均能按设计要求进行。具体施工流程如下:①通水冲洗管线,水泥车进行固井管线试压25MPa,稳压3min;②水泥车使用固井前置液对套管进行憋压,水力封隔器坐封;继续憋压,打开分级箍循环孔,建立循环;③注清洗液20.0m3,冲洗液20.0m3,压力8MPa;④双水泥车混配并泵送1.18～1.25g/cm3领浆61m3,1.85g/cm3尾浆30m3,压力8MPa;⑤倒闸门,释放套管胶塞;⑥水泥车替入密度1.00g/cm3压塞液2.0m3,压力5MPa;⑦双车大排量替清水25.0m3,压力5～12MPa;单车替清水7m3,压力12～15MPa;⑧水泥车替清水1.6m3至碰压,压力15～18MPa;⑨稳压3min泄压检查浮箍、浮鞋的密封情况,记录回流量;⑩关闭环空候凝48h后测声幅。

2)固井质量 页岩气水平井开发,水平段固井质量关系到后期压裂增产措施能否顺利进行,直接影响到气井产量及寿命,所以针对焦页某井固井作业采取了多种方法确保固井质量,通过努力也取得了良好的成果。候凝48h,固井质量检测显示水平段固井质量全优质。

4 结论

水平井固井双凝防漏水泥浆技术通过现场实践取得了良好的施工效果,说明该技术能够一定程度上满足类似易漏页岩气井固井作业要求。通过对相应技术措施分析可以得到以下几点结论:

1)堵漏纤维与空心玻璃微珠、液硅组成的低密度水泥浆,能满足易漏井的固井要求,且具有良好的防漏堵漏效果,能有效提高固井质量。

2)采用双凝双密度水泥浆体系有效封固裸眼井段,常规密度水泥浆体系主要封固水平页岩井段,能够有效地防止水平井眼发生流体窜,固井过程兼顾防漏防窜。

3)双凝双密度水泥浆体系配方中胶乳、减轻剂、增强防窜剂及堵漏纤维的加入,能够增加水泥浆防气窜性能,提高水泥浆的稳定性及胶凝强度,并有一定防漏失功能,是易漏页岩气水平井固井水泥浆体系的最优选择。

[1]吴雪平,许明标,周福新,等.韧性胶乳水泥浆在试验评价及其水平井固井作业中的应用 [J].石油天然气学报 (江汉石油学院学报),2014,36(6):34～37.

[2]王毅,彭志刚,徐浩然.水平井复合水泥浆体系研究及应用[J].钻采工艺,2009,34(2):103～105.

[3]姜伟.渤海大位移水平井固井关键技术研究及其应用[J].中国海上油气(工程),2002,14(4):28～34.

[4]Wang Yan,Wang Demin,Wan Jun,et al.Technology of plugging long interval high pressure channeling wells by cement with overburden pressure during curing[J].SPE104443,2006.

[5]Garduno R Z,Martinez J A,Maldonado R.Synergy between engineered fibers and light weight cement slurries to cement depleted formations[J].SPE103885,2006.

[编辑] 帅群

TE254

A

1000-9752(2014)12-0131-06

2014-09-13

许明标(1962-),男,1983年大学毕业,博士,教授,现主要从事钻井液、水泥浆及化学合成方面的研究工作。