一种综合可泵性及防气窜能力的水泥浆触变稠度设计方法

摘要：采用稠度差值法建立水泥浆触变稠度与六速黏度计读数的关系，进而建立水泥浆触变稠度与水泥浆黏度的关系，并利用Landmark软件模拟分析不同触变稠度水泥浆地面泵压及泵注过程中当量密度（ECD），分析在其他参数不变的条件下稠度对压稳不压漏安全可泵注性能的影响，然后利用落球法测黏度原理，分析不同水泥浆触变稠度（黏度）防气窜能力，提出一种综合可泵性及防气窜能力的水泥浆触变稠度设计方法。结果表明：以某油田高压气井为例，当水泥浆触变稠度为35 Bc时，井底ECD达到地层破裂压力当量密度的临界值；当水泥浆触变稠度为31 Bc时，对直径为1 000 μm的气泡施加的运移阻力近169 Pa，具有明显的防气体运移能力。

关键词：触变水泥浆；触变稠度；防气窜；安全泵注；设计方法

中图分类号：TE 256""" 文献标志码：A

引用格式：田辉，柳华杰，步玉环，等.一种综合可泵性及防气窜能力的水泥浆触变稠度设计方法［J］.中国石油大学学报（自然科学版），2025，49（1）：145-152.

TIAN Hui， LIU Huajie， BU Yuhuan， et al. A design method for thixotropic consistency of cement slurry with combination of pumpability and gas migration prevention［J］.Journal of China University of Petroleum（Edition of Natural Science），2025，49（1）：145-152.

A design method for thixotropic consistency of cement slurry with

combination of pumpability and gas migration prevention

TIAN Hui1，2， LIU Huajie1， BU Yuhuan1， JIANG Xu1， YIN Hui1， ZHANG Hongxu1

（1.School of Petroleum Engineering， China University of Petroleum（East China）， Qingdao 266580， China;

2.SINOPEC Shengli Petroleum Engineering Company Limited， Dongying 257000， China）

Abstract：The relationship between the thixotropic thickening of cement slurries and the readings of a six-speed viscometer was established using the viscosity difference method. Then， the relationship between thixotropic thickening and the viscosity of cement slurries was developed. The Landmark software was used to simulate and analyze the surface pumping pressure and ECD during pumping for different thixotropic thickening levels of cement slurries. The impact of thickening on the safe and leak-free pumpability under other constant parameters was analyzed. Then， by utilizing the principle of the falling ball method for measuring viscosity， the ability of different thixotropic thickening levels （viscosity） to prevent gas migration was investigated. And a design method for thixotropic consistency of cement slurry with combination of pumpability and gas migration prevention was proposed. The results show that， taking a high-pressure gas well in a certain oil field as an example， when the thixotropic consistency of cement slurry is 35 Bc， the bottom hole ECD reaches the critical value of equivalent density of formation fracture pressure. When the cement slurry thixotropic thickening is 31 Bc， it applies a migration resistance of nearly 169 Pa to 1000 μm diameter bubbles， showing a significant ability to prevent gas migration.

Keywords： thixotropic cement slurry; thixotropic thickening; gas migration prevention; safe pumping; design methodology

收稿日期：2024-08-28

基金项目：国家自然科学基金项目（51974355）；国家青年基金项目（51804332）；山东省本科高校教学改革研究项目（B2016Z014）

第一作者：田辉（1983-），男，博士研究生，研究方向为油气井工程。E-mail：tianh95.ossl@sinopec.com。

通信作者：柳华杰（1986-），男，副教授，博士，研究方向为固完井。E-mail：liuhuajie@upc.edu.cn。

文章编号：1673-5005（2025）01-0145-08""" doi：10.3969/j.issn.1673-5005.2025.01.015

在处理高温高压油气藏固井气窜技术难题时，触变水泥浆［1-3］因具有剪切作用下胶凝结构被破坏而静止后胶凝强度快速发展的特性成为解决此类问题的有效措施之一［4-7］。目前已经有多种触变水泥浆性能评价方法，其中静切力法［8］操作简便、数据易获取；滞后环总能量法［9］能够定量计算触变性能、精度高；薄刀片水平切割法［10］可以较好地反映水泥浆胶凝强度的发展情况；开关机稠度差值方法［11］能反映水泥浆中高温触变强弱。但注水泥作业过程中一旦需要停泵操作，水泥浆的高触变性（停泵后稠度突然增加）会使得再次开泵时产生憋压现象，易出现压漏地层的问题［12-13］。触变水泥浆是否具有一定的防气窜效果以及能否安全泵注，目前的评价方法暂且不能进行科学性解释。考虑触变水泥浆的安全泵注问题，固井现场很难对其进行有效合理应用。笔者基于水泥浆触变性开关机稠度差值法，利用Landmark固井设计软件进行水泥浆泵注性能模拟分析，并结合室内试验以及理论分析的方法建立水泥浆稠度与黏度的关系，并对水泥浆防气窜能力进行评价。

1" 基于稠度差值法的触变水泥浆触变性能评价

1.1" 稠度差值法水泥浆触变性评价

利用稠度差值法对3个配方的水泥浆触变性进行评价，试验结果见表1。基础配方为G级水泥+1.5%降失水剂G33S+0.3%分散剂USZ+2%缓凝剂GH-9+44%水（含量为质量分数，下同），测试温度为60 ℃。常规水泥浆和加入1.0%触变剂的触变水泥浆停机15 min后的再开启稠度分别见图1和2。

由表1看出，与基础配方相比，触变剂L-TA加量不同，稠度差值不同，且随着触变剂加量的增加而增大，即随着触变剂L-TA加量增加水泥浆的触变性增强。

对比图1和图2看出，常规水泥浆体系静止15 min后稠度由停泵前的10 Bc增加到14 Bc，触变水泥浆体系静止15 min后稠度由停泵前的16 Bc增加到42 Bc，充分说明触变水泥浆体系具有良好的触变性。同时由图2也可以看出，在开泵后，其稠度值几乎是瞬间下降到原来停泵前的稠度值。这就说明难以建立一个触变稠度与流变参数之间的对应关系。

1.2" 触变后稠度与六速旋转黏度计读数的对应性试验

图2中试验结果显示，停机后加入触变剂的水泥浆发生触变，开机后触变性被破坏，根据常规方法测不出水泥浆再次开泵瞬间的流变参数（黏度）。并且具有良好防气窜能力的常规水泥浆体系在地面黏度会更高难以泵注［14-15］，注水泥作业完成后水泥浆停止流动，常规水泥浆体系的稠度基本不发生变化，而达到同等防气窜能力的触变水泥浆在停泵后稠度迅速增加到需要的黏度，同时在泵注过程中具有较低的黏度有利于地面更好地泵注。

为明确水泥浆稠度与流变参数之间的对应性，本文中配置与触变水泥浆触变后相同稠度的常规水泥浆来替代停泵后的触变稠度，基于其他性能参数都不变的定量分析法，在Landmark软件中只改变流变参数来模拟井底最大当量密度（ECD），表征其泵注性能并计算出其黏度值，并采用落球法［16-17］分析其防气窜能力，从而建立起触变水泥浆触变后稠度和黏度的关系。

考虑到Landmark软件中的流变参数采用的是六速旋转黏度计读数，为此通过调控水灰比，配置不同稠度的常规水泥浆，使用六速黏度计测得相对应六速读数，测试结果如表2所示。水泥浆配方为G级水泥+分散剂USZ+44%水。

2" 不同稠度条件下水泥浆泵注性能

以西部某油田的一口高压气井为例，根据其地质资料及钻井工程设计资料，通过石油工程的Landmark软件进行固井设计，根据其中对于固井水泥浆等的参数设定及计算模型选择，计算出对应表2中稠度条件下地面循环压力、井底ECD，从而分析判断是否能够安全泵注。

2.1" 高压气井相关资料

该高压气井位于西部某油田的某区块，储层主要为灰岩溶洞-裂缝型储层、白云岩孔洞型储层以及与断裂有关型储层，区域地质条件复杂。其中地层孔隙压力当量密度为1.18～1.21 g/cm3，地层破裂压力当量密度为1.65～1.85 g/cm3，地温梯度为2.12 ℃/m，完井井底温度为190～205 ℃。

2.2" Landmark软件计算模型建立

（1）井眼轨道。在Compass模块和CasingSeat模块对测斜数据及井身结构数据进行相应输入，并在Compass中进行磁偏角修正，得到相应的井身结构设计和井眼轨道见图3。

（2）固井设计。在Wellplan中的固井分析模块进行，井眼轨道及井身结构设计已自动从Compass模块导入到Wellplan模块。根据高压气井固井时的地面环境，地面温度设置为26 ℃，地温梯度为2.12 ℃/（100 m）。地层孔隙压力、地层破裂压力等地层参数以及扶正器设置等根据钻井工程设计资料输入。固井方式采用双级固井，钻井液、前置液、水泥浆领浆、尾浆等参数的输入及类型选择见表3。

表3中范式数据为表2中六速黏度计测得的六速读数，依据表2中对应稠度下的六速旋转黏度计读数进行流变参数的变化，前置液和钻井液计算模型选择宾汉模型，水泥浆选择计算精度更高的赫-巴模型［18-19］，其中不同触变后稠度水泥浆作为尾浆注入，水泥浆尾浆密度恒定为1 880 kg/m3。

固井设计中流体循环部分根据固井浆柱结构设计分别选择对应流体，具体设置顺序以及循环数据见表4。本次模拟中套管鞋处水泥塞长度设置为20 m，体积为0.428 m3，碰压设置为5 000 kPa。

完成整体参数设置后，根据地质资料中深度，设置破裂层深度为7 600 m，油层深度设置为8 438 m，进行不同稠度水泥浆泵注性能计算。

2.3" 不同触变稠度水泥浆地面泵压分析及泵注过程中当量密度

（1）不同触变稠度水泥浆地面泵压分析。利用landmark软件，根据软件设计流程，将井身结构参数、流体参数及浆柱结构设计等输入后，即可计算出不同稠度水泥浆泵注时地面泵压变化。稠度为8 Bc时计算结果见图4（a）。可以看出，在碰压为5 MPa时，稠度为8 Bc的水泥浆泵注井口最大压力为13.2 MPa。不同触变稠度水泥浆泵注时所能达到的井口最大压力见图4（b）。可以看出，随着水泥浆稠度增加，井口最大压力逐渐增加，应该选取能安全泵注的水泥浆稠度进行泵送，以保证固井注水泥浆安全施工。

（2）不同触变稠度水泥浆泵注过程中ECD分析。利用landmark软件，计算不同稠度水泥浆泵注时井下ECD变化。水泥浆触变稠度为20 Bc时的计算结果见图5（a）。可以看出，地层破裂压力当量密度为1.75 kg/m3，稠度为20 Bc的水泥浆泵入地层后，井底最大ECD达到1.59 kg/m3，不会压漏地层，可以安全泵注。不同稠度水泥浆与井底最大ECD的变化关系见图5（b）。可以看出，随着水泥浆稠度增加，井下ECD逐渐增加，在水泥浆稠度为35 Bc时，井底ECD达到地层破裂压力当量密度的临界值，当水泥浆稠度超过35 Bc时，泵注产生的井下循环当量密度会压漏破裂层，导致井漏。为此，应该选取满足不压漏地层的水泥浆稠度进行泵送或者减少部分触变水泥浆的用量，以保证固井注水泥浆安全施工。

3" 水泥浆稠度（黏度）对防气窜能力的影响

在液体内部，不同流速层的交接面上，有切向相互作用力，流速大的一层受到的力和它的流速方向相反，使之减速；流速小的一层受到的力和它的流速方向相同，使之加速。这样，相互作用的结果，使相对运动减慢。流体的这种性质就是黏滞性。这一对力称为内摩擦力，也称为黏滞力。这也正是落球法测黏度原理［17］，利用这一原理即可以表征水泥浆黏度对防气窜的效果。

3.1" 落球法测黏度原理

根据落球法测黏度原理［17］，模拟套管和地层环空，如图6所示，图中H为气泡上移距离，m；d为气泡直径，m；D为环空直径，m。

气泡在水泥浆中上移受重力、浮力和黏滞阻力共同作用。黏滞阻力与气泡和分散介质的相对速度成正比，气泡刚进入水泥浆中，运移速度很慢，黏滞阻力很小，因此合力垂直向上，气泡加速上移；气泡上移速度达到极限速度v0，重力、浮力和黏滞阻力三者平衡，则气泡保持极限速度v0继续上移。定义气泡达到极限速度v0时上移的距离称之为极限距离（记为S），随着气泡直径的增加，极限距离增大，但最大数量级为10-9 m，因此可以忽略极限沉降距离影响［16-17］。

其中气泡所受到的黏滞阻力f 表达式［16，17］为

f=3πηdv.（1）

式中，η为水泥浆黏度，Pa·s；d为气泡直径，m；v为气泡上移速度，m/s。

气泡上移时间T［16-17］为气泡上升距离H所用的时间：

T=18Hη1+24dD

1+1.6dH

（ρ-ρ0）gd2.（2）

式中，D为环空内径，m；ρ、ρ0分别为气泡和分散介质的密度，kg/m3；g为重力加速度。

3.2" 不同水泥浆触变后稠度（黏度）阻止气体运移能力计算

（1）确立水泥浆稠度与黏度关系。通过Landmark软件输入不同触变稠度的水泥浆六速旋转黏度计读数，通过表2范式数据计算不同触变稠度水泥浆所对应的黏度，由此建立起水泥浆稠度和黏度的对应关系（图7）。

从图7看出，随着水泥浆触变稠度增加，水泥浆黏度也逐渐增加。水泥浆稠度小于20 Bc，随着水泥浆稠度增加，水泥浆黏度增加较缓慢；当稠度为20～35 Bc，随稠度的增加，黏度快速增加；当水泥浆稠度大于35 Bc，随着水泥浆稠度增加，水泥浆黏度增速缓慢。

（2）气体运移时间计算。气体运移时间可以表示不同黏度水泥浆中气泡运移的难易程度。式（2）中根据高压气井身结构环空内径D取0.047 6 m；气泡密度ρ取1.29 kg/m3，水泥浆密度ρ0为1 880 kg/m3。气泡上升距离H分别取2、4、6 m，分别计算不同直径的气泡在套管和地层环空上移所需的时间，结果见图8。

从图8看出，气泡直径越小，运移速度越慢，相同运移距离所需的时间越长。以30 Bc为例，直径为50 μm的气泡运移2 m需要120 h，直径为100 μm的气泡运移2 m需要30 h。气泡直径越小，所受到的防运移阻力越大。

以图8（c）为例，在气泡直径一定时，随着水泥浆稠度增加，在稠度为15～30 Bc时，气体所需运移时间显著增加，30～50 Bc内对气泡运移速度影响减弱。当水泥浆稠度为30 Bc时，直径为1 000 μm的气泡运移6 m需要1 h，当水泥浆稠度为20 Bc时，直径为1 000 μm的气泡运移6 m仅需13 min。因此在稠度为30～50 Bc时，水泥浆黏度较高，防气窜效果显著。

（3）气体运移阻力计算。以1 000 μm直径气泡为例，计算不同稠度（黏度）水泥浆对气泡运移施加的阻力，其中运移阻力为黏滞阻力f与气泡截面积的比值，为更好体现和精确计算水泥浆防止气泡运移的能力，计算黏滞阻力f时使用气泡运移速度中的最大值，即极限速度v0。随后计算水泥浆黏度为0.041 37 Pa·s时气泡运移距离2 m的运移速度，在该速度确定的情况下，计算随着水泥浆黏度不断增加的运移阻力，计算结果如表5所示。从表5看出，随着水泥浆触变能力的增加，水泥浆触变后对气泡施加的运移阻力增加，稠度为31 Bc时，运移阻力近169 Pa，具有明显的防气体运移能力。

4" 基于可泵性及防气窜性能的水泥浆触变稠度设计方法

采用Landmark软件模拟分析和试验，可评价触变水泥浆的某触变稠度下水泥浆能否安全泵注；通过Landmark软件及试验确定水泥浆稠度与黏度的相应关系；随后通过落球法计算水泥浆触变后稠度（黏度）阻止气体运移能力，明确该稠度下水泥浆的防气窜能力。为此提出基于触变水泥浆体系的安全可泵性及防气窜性能的水泥浆触变稠度设计方法。

（1）采用稠度差值法测试水泥浆触变性能，配置对应触变稠度的常规水泥浆并测得其流变参数。

（2）根据现场地质资料和钻井设计资料等，利用Landmark中Wellplan模块的固井设计分析，计算井口最大压力和井底ECD，评价不同触变稠度水泥浆能否安全泵注。

（3）采用定量分析法，只改变流变参数（范式数据）的条件下，使用Landmark软件模拟计算不同触变稠度对应的水泥浆黏度。

（4）采用落球法测黏度原理计算此稠度下水泥浆阻止气体运移能力（防窜能力）。

（5）以防气窜和安全泵注为目标，综合调控水泥浆性能及浆柱结构。

（6）依据稠度评价结果，确定出既满足泵注需求又满足防气窜的触变水泥浆体系的触变稠度。

5" 结" 论

（1）采用稠度差值法建立水泥浆触变稠度与六速黏度计读数的关系，进而建立水泥浆触变稠度与水泥浆黏度的关系。

（2）利用Landmark软件模拟计算，采取定量分析法，分析水泥浆稠度对井口最大压力和井底ECD的影响，并分析触变后稠度对泵注安全性的影响。以某油田高压气井为例，计算分析表明，当水泥浆触变稠度为35 Bc时，井底ECD达到地层破裂压力当量密度的临界值。

（3）根据落球法测黏度原理，评价不同黏度水泥浆体系的防气体运移能力。当水泥浆触变稠度为31 Bc时，对1 000 μm直径的气泡施加的运移阻力近169 Pa，具有明显的防气体运移能力。

（4）提出一种综合可泵性及防气窜能力的水泥浆触变稠度设计方法，即采用稠度差值法测试水泥浆触变性能，根据Landmark模拟和落球法测黏度原理计算确定出既满足泵注需求又满足防气窜的触变水泥浆体系的触变稠度，为现场利用触变水泥浆体系防气窜技术提供了安全保障。

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（编辑" 刘为清）