小井眼固井水泥浆流变性研究

2014-08-20王永松中海油田服务股份有限公司油化研究院河北三河065201

石油天然气学报 2014年11期

王永松（中海油田服务股份有限公司油化研究院，河北三河065201）

许明标，王晓亮，金勇（长江大学石油工程学院，湖北武汉430100）

在国内，大部分陆地油田都已进入了开发的中后期，油藏的开采难度越来越大，成本越来越高。同时，由于中国的高速发展，为了解决能源需求问题，要对一些边际油田和一些已将近枯竭的油井进行再开发。小井眼井由于成本低、效益高，特别适合开发这些边际油田及对油井的开窗侧钻使其重新恢复生产。

1 小井眼井固井技术难点分析

小井眼井指的是在井深范围内70%以上的井径小于177.8mm的井。小井眼井的特点就是井径小，环空间隙窄，从而导致了其在固井时面临许多技术难题，尤其是在固井水泥浆方面。

1）小井眼井固井需要水泥浆具有很好的流变性能，从而才能减小环空摩阻压耗，减小泵压，进而防止压漏地层。

2）小井眼井对水泥浆稳定性（包括游离液、滤失量）要求更高，因为少量的自由水和滤失水会在环空形成较大面积的水槽、水环及水带，这将会加剧油、气、水窜的发生[1]。

3）小井眼井固井水泥环薄，需要水泥浆具有更高的抗压强度及抗冲击强度。

4）小套管居中困难，导致水泥浆顶替效率低。

2 小井眼固井对水泥浆性能要求

根据难点分析可以看出，小井眼井对固井水泥浆的要求很高，其中最主要的几个方面有：①流变性能优异；②水泥浆降滤失性能好，失水低，稳定性好；③水泥石抗压强度和抗冲击强度高。其中水泥浆的流变性能的好坏是决定小井眼井固井成功与否的关键，因此有必要对水泥浆的流变性能进行专门的研究及合理的流变学设计，从而为固井的顺利进行提供重要保障。

3 小井眼固井水泥浆流变性分析

3.1 小井眼固井水泥浆配方的确定及基本性能

为了改善水泥浆体系的流变性能，室内将D级水泥作为添加剂少量加入到水泥浆中，试验初级配方：100%水泥（G级水泥＋D级水泥）＋40%淡水＋0.75%消泡剂＋0.625%胶乳稳定剂＋2.5%胶乳＋1.5%液硅＋3.0%降失水剂＋2.0%分散剂＋0.25%缓凝剂＋0.5%膨胀剂（密度为1.9g/cm3）（配方中百分数为质量分数，下同）；测其流变性能，24h抗压强度和高温高压失水量，试验结果见表1。

表1 D级水泥添加剂试验结果

图1、2分别是D级水泥与G级水泥的粒径分析结果，可以看出，D级水泥的粒度中值为43.12μm，G级水泥的粒度中值为30.39μm，D级水泥颗粒明显比G级水泥颗粒粗。

流变性试验和颗粒粒径分析表明，随着D级水泥质量分数的增大，水泥浆体系先变稀后变稠；并且D级水泥的加入使得体系的高温高压滤失量有所增大。这主要是因为D级水泥相较于G级水泥而言颗粒更粗，总的比表面积小，在相同水加量下，D级水泥颗粒吸水量少，体系中游离水多，因此其流变性能要好，但D级水泥的滤失量增大。当D级水泥做添加剂且质量分数较小时，主要起到流型调节剂的作用，当质量分数增加到一定量时，增黏效应起主要作用。另外随着D级水泥质量分数的增大，水泥石的抗压强度有减小的趋势。

图1 D级油井水泥粒度分析图

图2 G级油井水泥粒度分析图

根据D级水泥作为添加剂的试验结果，调配出适合小井眼固井的水泥浆配方：

100%油井水泥（93%嘉华G级水泥＋7%嘉华D级水泥）＋37.5%淡水＋0.75%消泡剂＋1.25%胶乳稳定剂＋3.75%胶乳＋1.5%液硅＋3.75%降失水剂＋2.0%分散剂＋0.25%缓凝剂＋0.5%膨胀剂。

其基本性能见表2，该水泥浆体系滤失量小，零自由液，水泥浆体系稳定性能好，水泥石抗压强度和抗冲击强度都较高，稠化时间能确保固井施工安全。

表2 水泥浆体系基本性能

3.2 流变学计算分析

3.2.1 流变模式

流变数据见表3。

表3 水泥浆体系流变性能

剪切速率、剪切应力换算公式[2]：

式中：r为剪切速率，s－1；N为转速，r/min；τ为剪切应力，Pa；Nφ为黏度计刻度盘上的读数。

计算出剪切速率与剪切应力，分别在直角坐标系和双对数坐标系上绘制剪切应力与剪切速率关系曲线，如图3所示，从回归系数（R2）可以看出水泥浆流变模式更接近幂律模式。因此，采用幂律模式进行计算分析。

图3 剪切应力与剪切速率在直角坐标系（a）和双对数坐标系（b）下关系曲线

3.2.2 流变性计算

流变参数[2]：

紊流顶替临界值[2]：

式中：Retc为临界雷诺数，1；vc为环空临界返速，m/s；D为井眼直径（钻头尺寸），m；d为套管直径，m。

计算环空摩阻压降[2]：

其中：

式中：λ为摩阻因数；a、b为流性指数n的函数；Δp为摩阻压降，MPa；μp为钻井液塑性黏度，Pa·s；L为流动长度，m。

井底最大压力[2]：

式中：ph为环空静液柱压力，MPa；pm为井底最大压力，MPa；g为重力加速度，9.81m/s2。

水泥浆在小井眼井窄的环空间隙中摩阻压降较大，水泥浆流变性若不好将有可能造成很大的井底压力，以至于压漏地层，严重损害油气储层。研究中计算了环空间隙对摩阻压降及井底最大压力的影响。

以井深3000m，水泥浆返高1500m的油井为例，其中钻井液密度1.20g/cm3，钻井液动切力0.82Pa，塑性黏度36mPa·s。分析了环空间隙对摩阻压降和井底最大压力的影响（图4）。可以看出，摩阻压降及井底最大压力均随环空间隙的增大而减小。当环空间隙小于20mm时，随着环空间隙的增大，摩阻压降及井底最大压力急剧下降；当环空间隙为12.7mm时，水泥浆达到紊流顶替时的井底最大压力为137MPa，极易压漏地层，故在环空间隙过小时不宜采用紊流顶替；当环空间隙超过20mm时，压降曲线变得平缓，可以采用紊流顶替。

图4 压降与环空间隙关系曲线

4 实例分析

4.1 井身结构

以某气田A2井为例进行了计算分析。套管程序及井身结构见表4、图5。

4.2 计算结果

分别计算一开、二开和三开达到紊流顶替时的环空临界流速、环空摩阻压降及井底最大压力，然后与地层破裂压力比较（地层破裂压力梯度以2.8MPa/100m 计算）。结果如表5所示，一开和三开达到紊流顶替时的井底最大压力明显低于地层破裂压力，因此固井过程中不会发生井漏。而二开达到紊流顶替时的井底最大压力大大超过地层破裂压力，地层有被压漏的风险，这主要是由于环空太小，顶替时环空摩阻过大，因此在二开不宜采用紊流顶替，最好采用流速更低的塞流顶替。