高密度防气窜水泥浆体系在川东北元坝气田的应用

2015-12-19乔领良

西部探矿工程 2015年8期

关键词：缓凝剂水泥石固井

乔领良

（四川德阳新场气田有限责恩公司，四川德阳618000）

高密度防气窜水泥浆体系在川东北元坝气田的应用

乔领良*

（四川德阳新场气田有限责恩公司，四川德阳618000）

在地层压力大、井身结构复杂的深井或气井固井，容易发生环空气窜，致使水泥石胶结强度降低，影响油气井固井质量。通过水泥浆粒度优化、缓凝剂与防气窜剂优选，配制出防气窜效果、流动性和沉降稳定性好的高密度水泥浆体系，现场应用效果良好。

深井固井；高密度水泥浆；紧密堆积；防气窜

川东北地区地质条件复杂，海相地层多为碳酸盐岩裂缝，气藏埋藏深（一般在4000～6000m）、压力高，地层纵向上存在多套压力体系，横向上差异性非常大，给固井防气窜带来很大的难度。若发生环空气窜会直接影响水泥石胶接强度，导致层间窜流，污染油气层，降低采收率，甚至造成油气井报废。进行防气窜水泥浆体系优化设计：采用Gaudin—schutzmann粒度分布方程优化体系的粒度分布，使其达到紧密堆积状态；优选防气窜能力强的添加剂，提高体系的防气窜性能；优化环空液柱结构；提高油气田开发效益，为油气井防气窜工作提供科学依据。

1 固井技术难点

（1）井底温度高，满足固井安全的水泥浆密度高，对缓凝剂性能提出了更高要求。

（2）气层压力高，防窜难度增大，要求防气窜剂性能好。

（3）川东北地区海相地层多为碳酸盐岩裂缝，开发过程中的各种增产措施使裂纹进一步扩大，水泥环易失去封隔作用，造成油、气、水层窜流，缩短油气井寿命。为保证油气井固井水泥环的长期完整性，需要优化水泥石性能。

（4）气层中富含H2S和CO腐蚀性气体，水泥环密封不良会引起毒性气体泄漏，出现安全隐患，水泥环必须具有很好的长期稳定性。

2 高密度防气窜水泥浆优化设计

2.1 粒度优化

提高水泥浆密度的主要途径是减少充填水及增大加重材料与水泥的比例。但是配浆水不能无限度地减少，而且增大加重材料的比例，如果颗粒选型不当会造成水泥浆增稠或沉降。利用颗粒级配[1]原理提高系统的堆积密度，使水泥干混物的堆积体积分数（PVF）最大即可设计出高性能的加重水泥浆。

水泥和加重剂的混合物可以看成是连续尺寸颗粒的堆积。对加重水泥浆体系进行紧密堆积设计采用Gaudin-schutzmann粒度分布方程。

式中：U(D)——小于粒径D的累积体积分数，%；

D——颗粒粒径，mm；

Dl——颗粒中的最大粒径，mm；

m——模型参数。

研究表明，U(D)在0.3～0.5时存在最佳的堆积率。如果水泥与铁矿粉的混合物中的最大颗粒粒径为300μm，最小粒径为5μm，根据公式（1）可计算出最优粒度分布。

2.2 水泥缓凝剂优选

水泥封固段长，井下温差较大，必须确保施工安全和喇叭口处的水泥石强度。通过分析对比，优选出缓凝剂HX-36L。该缓凝剂具有独特的作用基团与分子结构，高温下能伸展吸附在水泥上发挥缓凝作用，且温度越高，伸展越大，低温下分子收缩减少缓凝作用，保证水泥浆强度迅速发展。抗温能力在180℃，抗盐能力达到饱和。

使用HX-36L和其他类型的缓凝剂配制不同的水泥浆体系并对其性能进行对比。结果显示：添加其他缓凝剂的体系在60℃、72h下均无强度；在温度78℃、稠化时间320min的条件下，添加HX-36L的ADV-Ce-ment水泥浆7h的强度达到7MPa，而其他体系在16 h后才起强度。说明ADV-Cement水泥浆体系防气窜效果好，强度发育快。

添加缓凝剂HX-36L的ADV-Cement水泥浆体系的突出优点：HX-36L能够随温度变化调节缓凝作用，从而控制体系的稠化时间、稳定性、降失水效能和强度发展；在一定比例范围和一定加量下，HX-36L能根据温度、水质、水泥质量的变化进行自我调节，保证水泥浆性能基本不变，同时在低温下又具有强度发展快的智能化作用；体系的安全性高，在10℃～30℃的温度变化范围内，稠化时间不会发生较大变化，且强度发展快，解决了井下温度不确定对固井施工安全与固井质量的影响；HX-36L适用于不同厂家不同批次的水泥，体系应用范围广。加入缓凝剂HX-36L的水泥浆性能见表1。

表1 ADV-Cement水泥浆体系性能

从表1可以看出：实验中缓凝剂的设计理念有较为明显的体现，当温度较低时，缓凝剂的双缓凝基团收缩，缓凝剂加量较大；在温度升至135℃、150℃、180℃时，缓凝剂加量没有因为温度升高而过多地增加，说明其具有较好的温度感应伸缩性；在150℃、180℃时，同等加量的缓凝剂稠化时间相同，证明其存在温度感应性；体系48h后的早期强度好，满足现场要求。

2.3 水泥浆防窜设计

双凝水泥浆体系的设计要求：领浆流动性能好，静止后的切力低，以很好地传导压力，减少水泥浆流动摩阻，降低施工压力，减少漏失风险；尾浆具有一定的触变性，流体阻力大，静止后的胶凝强度能尽快达到250Pa（即使无抗压强度），以防止气窜。

为防止气井投产后环空带压，水泥浆中加入填充剂CEA-1或CEA-2，通过颗粒级配原理形成内部桥堵，保证浆体稳定，减少过渡时间，填补水泥颗粒间的空隙，形成致密的水泥石。同时，将硬性微粒、微硅与柔性微粒（胶粒）结合使用，使水泥浆的防窜效果更好。体系中选用的防窜降失水剂FS-23L为引入少量阴离子基团的弹性聚合物胶粒，在水中可以均匀分散且不溶于水。水泥浆失水后养护至初凝的过程中，静液压力始终大于气层压力，流出压力在初凝时有微小变化，初凝时水泥浆体积变化小；初凝后加液测试，窜液量3mL，与胶乳水泥浆相近，说明其防窜性能良好。

2.4 水泥石性能优化

油气井固井水泥环的长期完整性是保证层间长期封隔的前提。普通水泥环力学形变能力和抗冲击能力差，后续施工或射孔过程中，当其受到的径向应力达到极限时，极易破裂形成裂纹，随后的各种增产措施又会导致裂纹进一步扩大，甚至使水泥环的封隔作用失效，造成油、气、水层窜流，缩短油气井寿命。因此，改善油井水泥石力学性能、提高水泥石抗冲击破碎性能对延长油气井开采寿命及提高油气采收率十分重要。

经过多次材料和配方优选实验，确定的弹塑性水泥浆配方见表2，不同配方的水泥浆体系综合性能见表3。

从表中可以看出，加入弹塑剂，水泥浆性能基本不受影响，流动度略有减小，沉降稳定性提高，稠化时间略有减少，但变化不大。说明弹塑剂与其他外加剂的配伍性良好。

将不同密度的水泥浆倒入1cm×1cm×6cm的模子中，在90℃下养护成水泥石，分别测试其抗压强度、抗折强度和抗冲击韧性[3]，结果见表4。

由表中可以看出，加入弹塑剂，水泥石抗压强度有一定降低，但降低幅度不大，抗折强度和抗冲击韧性提高。

3 高密度防气窜水泥浆性能评价

根据处理剂优选结果，高密度防气窜水泥浆选用HX-36L为缓凝剂，FS-23L防窜降失水剂，填充剂CEA-1或CEA-2以及增塑剂。根据井况合理设计水泥浆密度和性能。

表2 弹塑性水泥浆配方

表3 弹塑性水泥浆常规性能

表4 不同配方的水泥石力学性能（90℃条件下）

3.1 防气窜能力

根据表1的实验结果，ADV-Cement水泥浆体系稠化时间可调，且成直角稠化，API滤失量小于50mL，SPN值小于3。利用7150型气窜模拟分析仪对配方4（表2）进行的气窜模拟实验结果显示，其气窜值为0，证明该水泥浆的防气窜能力很好。

3.2 流动能力

ADV-Cement水泥浆体系的流性指数大于0.7，说明体系常温下的流变性和流动度良好。密度2.40g/cm3和2.50g/cm3的水泥浆马氏漏斗粘度分别为65s和75s，水泥浆放置一段时问后仍具有良好的流动度，未出现触变现象，进一步证其流动能力良好。

3.3 沉降稳定性

利用水泥浆沉降稳定仪，在21MPa×120℃×24h的条件下测量不同密度的防气窜水泥浆体系的沉降稳定性能[4]，结果见表5。

表5 防气窜水泥浆体系的沉降稳定性

可以看出，ADV-Cement水泥浆体系的上下密度差小，说明其具有较好的沉降稳定性，能够满足现场施工要求。

4 现场应用实例

ADV-Cement水泥浆体系和分段压稳气窜预测与设计方法在川东北地区应用了10余井次，气层固井质量优质。本文以元坝27-2井∅282.6mm+∅273.1mm尾管固井为例介绍现场应用情况。

元坝27-2井是元坝地区的一口重点开发井，三开完钻井深4690m，完钻层位雷口坡组，钻井液密度2.50g/cm3，粘度80s，尾管封固段2760～4690m，尾管段长1930m，封固段主要是高压气层。该井固井主要难题是三开封固段长达2000m，防气窜难度大。经过地层承压能力分析和分段压稳防气窜计算，设计液柱结构为“隔离液密度2.50g/cm3、领浆密度2.56g/cm3、尾浆密度2.56g/cm3。三开水泥浆主要性能见表6，水泥浆及隔离液流变性能见表7。

现场使用2台单机泵试配水泥浆5m3，设计水泥浆密度2.56g/cm3，一号水泥车最高密度2.71g/cm3，二号水泥车最高密度2.54g/cm3，浆体流动性较好，流动性和密度均满足设计要求。

表6 27-2井三开水泥浆性能

表7 27-2井三开水泥浆及隔离液流变性能

表8 元坝27-2井∅282.6mm+∅273.1mm尾管固井电测声幅统计

现场施工时，管线试压30MPa后，注入密度2.50g/cm3的加重隔离液25m3，施工排量0.8～1.1m3/min，压力17～20MPa；注入密度2.56g/cm3的水泥浆77m3（领浆43m3，尾浆34m3），施工排量1.0～1.3m3/min，施工压力15～17MPa；注入密度2.50g/cm3的压塞液3.0m3；大泵顶替密度2.50g/cm3的钻井液84m3，施工排量1.6m3/min，泵压16～18MPa；水泥车顶替密度2.50g/cm3的保护液14m3，施工排量0.8～1.1m3/min，泵压18～20MPa；大泵顶替密度2.50g/cm3的泥浆18.95m3，施工排量1.5～1.1m3/min，泵压18～13MPa；未碰压，替浆至计算量119.95m3，替浆结束。固井施工结束后，对∅282.6mm+∅273.1mm尾管固井质量进行电测声幅测井，结果见表8。