固井水泥浆对储层损害的再认识

许明标，宋建建，由福昌

（1.长江大学石油工程学院，湖北 武汉 430100；2.非常规油气湖北省协同创新中心（长江大学），湖北 武汉 430100）

固井水泥浆对储层损害的再认识

许明标1，2，宋建建1，由福昌2

（1.长江大学石油工程学院，湖北 武汉 430100；2.非常规油气湖北省协同创新中心（长江大学），湖北 武汉 430100）

固井作业是油气田开发过程中的重要一环，其对储层的损害主要由水泥浆滤液造成且是永久性的。储层损害程度与水泥浆滤液组分和侵入范围有关，射孔完井时孔眼长度是否大于滤液侵入深度，直接关系到水泥浆对储层的损害程度和油气井后续产量。通过分析水泥浆对储层的影响，提出了一种根据固井施工设计参数计算水泥浆滤液最大侵入深度的方法。该方法所需参数容易获得，计算简便，考虑了水泥浆动态和静态滤失阶段的极限滤失情况，可作为射孔完井时射孔深度设计的参考，对油气井储层保护和射孔完井参数设计具有重要意义。一般来说，采用密度1.9 g/cm3的水泥浆对砂岩储层进行固井时，水泥浆滤液侵入储层深度在常规射孔范围内，水泥浆对储层的污染可以忽略不计。

水泥浆；储层损害；滤液；侵入深度；射孔

0 引言

随着勘探开发难度的增大，储层保护越来越受到重视。作为油气田开发过程中的重要一环，固井对储层的损害主要由水泥浆滤液造成，并且具有永久性［1-2］。在对油气井进行固井后，所选择的完井方式一般为射孔完井［3］，孔眼长度即打开产层最大深度。若使用污染程度极低的水泥浆体系，孔眼长度或许不太重要；然而，如果水泥浆体系对储层污染严重，射孔孔眼则必须越过损害区。确定损害程度的一个重要参数是水泥浆滤液的侵入范围［4］。为了在固井过程中更好地保护油气层，为后续射孔完井的射孔深度设计提供依据，充分提高油藏产能和勘探开发效率，需要对水泥浆对储层的伤害进行研究和分析。

1 水泥浆对储层的损害

水泥浆对储层的污染是一个复杂的过程。长期以来，国内外学者关于水泥浆对储层的损害程度持有不同的观点［5-11］。一部分研究者认为，水泥浆对储层损害较大。其主要原因是：1）水泥浆固相含量高，污染一旦产生，采用常规酸化措施难以解除；2）水泥浆密度比钻井液大，就会产生高压差，形成高的储层滤失而污染储层；3）水泥浆顶替作业需要高泵速，产生的环空压耗较高，可能使水泥浆被挤入储层；4）固井冲洗液会破坏已形成的钻井液泥饼，增强水泥浆进入储层的趋势。

还有一部分研究者认为，水泥浆对储层损害较小。其主要原因是：1）固井作业时间一般较短，对储层的污染作用有限；2）固井作业前已有钻井液形成的泥饼，降低或消除了水泥浆的污染；3）固井隔离液具有一定的滤失控制能力，减轻了水泥浆进入储层的趋势；4）钻井液污染在前，水泥浆污染在后，水泥浆在很多情况下并不与油气直接接触，因而降低了水泥浆造成的直接污染；5）水泥浆的含水总量有限，对储层的侵入深度和侵入量受水泥浆滤液来源的限制，而不会出现大规模的深度侵入。

从上述观点分析可以发现，水泥浆对储层的损害不仅与水泥浆滤液组成有关，还与水泥浆侵入范围有较大关系。

1.1 水泥浆滤液组成

目前，国内外针对水泥浆滤液组成对储层损害的影响进行了较多研究。X.M.Yang等［12］认为，水泥浆滤液对储层的影响主要有以下3个方面：1）水泥浆滤液的pH值（大于12）和二价阳离子浓度高。高pH值会使黏土和粉砂变得松散而进入孔喉中，导致储层损害，而二价阳离子（主要是Ca2+，Mg2+）浓度高，又会阻止粉砂运移，将其“胶结”在孔隙中。2）高pH值滤液和石英颗粒之间的化学反应导致CaSiO3水合物的析出，对储层造成影响。3）不可溶盐（如CaCO3，CaSO4）的析出对储层造成损害。C.R.Hughes等［13］认为，水泥浆滤液与储层岩石矿物发生化学反应，对储层造成影响；Z. Krilov等［14］认为，水泥浆滤液与储层接触引起储层损害，主要是由于孔隙空间内不溶性盐CaCO3和CaSO4的沉淀积累；R.F.Krueger［15］认为，水泥的水化作用使CaCO3过度饱和而重结晶（沉积在孔隙空间），同时滤液中CaCO3与地层中SiO2反应生成CaSiO3，对储层造成损害。

1.2 水泥浆侵入范围

水泥浆对储层的损害范围，主要受水泥浆滤失量的影响。郭小阳等［16］考虑钻井液与水泥浆双重污染，结合水泥浆失水速度和失水时间、井眼尺寸、地层孔隙度等参数，计算得到水泥浆滤液的污染深度；J.F.Baret［17］根据配浆材料密度和顶替阶段水泥浆失水前后密度，结合环空体积和泵入水泥浆体积，计算水泥浆动滤失量；韩志海［18］根据水泥浆动态滤失深度与候凝滤失深度计算公式，计算得到水泥浆滤液污染深度，该公式与水泥浆动态滤失速率、静态滤失速率、井径、固井液种类、岩石孔隙度、驱替效率、水泥浆失重时间有关。

2 水泥浆滤液侵入深度

油气井在进行固井施工时，所使用的水泥浆体系一般已经确定，因此水泥浆对储层损害的影响主要表现在水泥浆滤液侵入范围方面。

水泥浆的滤失行为基本上分为2个阶段，一个是顶替过程中的动态阶段，一个是候凝时的静态阶段。对水泥浆滤失量的评价，从整个固井施工过程来说，2个阶段都需要考虑，水泥浆滤失量应是顶替和候凝阶段滤失量的总和。在实际工况下，为了更好地对储层进行保护和提高完井质量，需要以最安全的角度考虑水泥浆对储层的损害。为评价极限滤失情况下水泥浆滤液侵入储层的深度，笔者提出一种计算水泥浆滤液侵入深度的方法（不考虑储层存在裂缝情况），用于进行储层保护和为射孔深度参数设计提供参考。

固井过程中，在水泥浆静液压力与地层孔隙压力的压差作用下，水泥浆滤液侵入地层。水泥浆可进入地层的水量是一次性的，不可能像钻井液那样不断补充，无限制进入地层［19］。水泥浆在井下的滤失量，最多为水泥浆的含水量。

为了确定固井过程中水泥浆的最大滤失量，首先需要确定固井封固环空体积。为了方便，假设井眼和套管都是圆柱体，其截面如图1所示。

图1 滤液侵入范围截面

固井封固环空体积为

式中：Va为固井封固环空体积，cm3；rb为井眼中心到井壁的距离，cm；rc为井眼中心到套管的距离，cm；H为封固环空高度，cm。

以无任何外掺料水泥浆为例，若封固环空所使用的水泥浆密度为ρs，则水泥浆的水灰比为

式中：ρs，ρc，ρw分别为配制的水泥浆密度、水泥密度、水的密度，g/cm3；u为水泥浆水灰比。

假设配制密度为ρs、体积为Va的水泥浆，所需水泥和配浆水的质量分别为m和w（单位为g）。所需的配浆水与水泥的质量比值u为

根据式（3）、式（4），计算得到体积为Va的水泥浆的含水质量为

在极限滤失情况下，水泥浆含水量可全部侵入储层。假设滤液与配浆水密度相同，在封固环空体积为Va时，水泥浆最大滤失量的质量与配浆水质量w相等。

最大滤失量为式中：Vmax为封固环空体积为Va时水泥浆的极限滤失量，cm3。

若储层岩石孔隙度为φ，封固储层厚度为H，水泥浆在储层内的侵入深度离井眼中心的距离为rr（滤液侵入范围截面见图1），则储层饱和滤液体积为

式中：Vp为储层饱和滤液体积，cm3；rr为滤液侵入深度离井眼中心的距离，cm。

在极限滤失情况下，水泥浆滤液侵入深度最大，此时，储层饱和滤液体积Vp与最大滤失量Vmax相等。根据式（1）、式（5）—（7），计算得到滤液侵入最大深度离井眼中心的距离：

则水泥浆滤液侵入储层的最大深度为

式中：rmax为滤液侵入最大深度离井眼中心的距离，cm；c为水泥浆滤液侵入储层的最大深度，cm。

当油气井进行射孔完井时，通过对比水泥浆滤液侵入储层的最大深度与射孔完井时打开产层的最大深度，即可判断水泥浆对储层的损害程度。若水泥浆滤液在储层的最大侵入深度在射孔范围内，则认为水泥浆对储层的影响很小或可以忽略不计；若水泥浆滤液在储层的侵入深度大于射孔深度，则认为水泥浆对储层影响较大。

3 模拟计算

某直井产层使用215.9mm（rb=10.80cm）钻头钻进，钻至设计井深后下入139.7mm（rc=6.99cm）油层套管进行固井。假设井眼和套管都是圆柱体，通过计算可以得到，215.9mm井眼与139.7mm套管环空之间每米水泥浆的体积为21282.89cm3。

固井时，水泥使用普通G级水泥，配浆水使用淡水，水泥密度为3.15 g/cm3，配浆水密度为1 g/cm3。水泥浆配制完成后，测得水泥浆密度为1.9 g/cm3，计算得到水泥浆的水灰比为0.44，即每100 g水泥需要使用44 g水配制。

根据所需配制的水泥浆体积和密度，计算得到套管与井眼环空之间每米水泥浆所能滤失到储层的最大滤失量，Vmax为12355.9cm3。

若该井所在区块储层为砂岩，孔隙度一般为5%～25%。孔隙度小于5%的砂岩储层没有开采价值［20］。在不同孔隙度的储层岩石中（全井段岩石物性一致的情况下），rmax和c的计算结果见表1。

表1 砂岩储层水泥浆滤液最大侵入深度

从表1可以看出：假设该井储层岩石孔隙度为5%，则水泥浆滤液推进的最大深度在离井眼中心30.06cm处，离井壁深度为19.26cm。即该井在没有失水控制，并且水泥浆中水量全部侵入地层的情况下，水泥浆滤液侵入地层的最大深度可达19.26cm。而目前油气井常规射孔深度在30cm以上［21］，水泥浆滤液所能达到的极限距离不会超过正常射孔范围。因此，在射孔完井条件下，该井使用密度1.9 g/cm3的水泥浆进行固井时，正常射孔范围大于水泥浆污染深度，水泥浆对储层的污染可以忽略不计。

4 结论

1）本文提出的计算水泥浆滤液侵入深度的方法所需参数容易获得，计算简便，并且综合考虑了水泥浆动态和静态滤失阶段的极限滤失情况。当存在微裂缝时，水泥浆滤液可能微小渗流到深部，再均匀扩散污染储层，此时该方法不适用。

2）从计算公式可以看出，水泥浆滤液最大侵入深度与水泥浆密度、水泥密度、配浆水密度、储层孔隙度、井眼尺寸和套管尺寸有关。

3）一般来说，在砂岩储层中，采用密度1.9g/cm3的水泥浆进行固井时，水泥浆滤液最大侵入深度在正常射孔范围内，射孔完井可以消除水泥浆滤液对砂岩储层造成的损害。

4）尽管水泥浆侵入地层较浅或在正常射孔范围内，但如果不重视也可能严重损害储层，比如滤液侵入页岩层段，即使深度很浅，也会导致软化和坍塌。因此，在进行固井施工和水泥浆配方设计时，必须对水泥浆滤失量进行严格控制，否则难以保证油气井固井质量和实现储层保护。

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（编辑 赵卫红）

Re-recognition of cement slurry damage to reservoir

XU Mingbiao1，2,SONG Jianjian1,YOU Fuchang2
(1.Petroleum Engineering College,Yangtze University,Wuhan 430100,China; 2.Hubei Cooperative Innovation Center of Unconventional Oil and Gas,Yangtze University,Wuhan 430100,China)

Cementing operation is a prominent stage in oil and gas field development.The damage of formation caused by the slurry filtrate is permanent.The invasion range and components of cement slurry filtrate have a great relationship with reservoir damage, especially during the process of perforation completion.Whether the hole length is greater than the invasion depth or not is directly related to the formation damage and subsequent production of oil and gas wells.This paper presents the analysis of the effect of cement slurry on the reservoir,and a method used to calculate the maximum penetration depth of cement slurry using the design parameters of cementing operation was obtained.The calculation method considers the maximum filtration loss in both dynamic/ static conditions.The needed parameters can be easily obtained and the calculation process is simple.The calculated cement slurry filtrate invasion depth can be used as a reference for perforation depth design during completion perforating,as well as it has great significance to formation protection of oil and gas wells and the design of perforation completion parameters.In general,when cement slurry with a density of 1.9 g/cm3is used for cementing the sandstone reservoir,the invasion depth of filtrate in reservoir is within the range of conventional perforation and the contamination of the cement slurry can be ignored.

cement slurry;reservoir damage;filtrate;penetration depth;perforation

TE258

A

国家科技重大专项“大型油气田及煤层气开发”课题“涪陵页岩气水平井钻井液与固井技术研究”（2016ZX05060-015）

10.6056/dkyqt201705030

2017-02-20；改回日期：2017-06-29。

许明标，男，1962年生，教授，博士，现主要从事油气井工作液方面的教学与研究工作。E-mail：xmb62@163.com。

许明标，宋建建，由福昌.固井水泥浆对储层损害的再认识［J］.断块油气田，2017，24（5）：731-734.

XU Mingbiao，SONG Jianjian，YOU Fuchang.Re-recognition of cement slurry damage to reservoir［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2017，24（5）：731-734.