大慶深層氣井防竄水泥漿固井技術(shù)研究

大慶深層氣井防竄水泥漿固井技術(shù)研究 楊勇
摘要：針對(duì)大慶深井固井現(xiàn)狀，研制出防氣竄增韌水泥漿體系，提出與之配套的固井工藝技術(shù)。性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)結(jié)果表明，該水泥漿體系防氣竄性能良好，抗沖擊功有顯著提高。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，采用該水泥漿體系并結(jié)合配套固井方案成功地解決了水泥漿因凝固失重及壓裂帶來的氣竄問題，固井質(zhì)量?jī)?yōu)質(zhì)。
關(guān)鍵詞：防氣竄，增韌，固井，水泥漿
大慶深層氣井井深一般在3150～5500 m之間，固井封固段長(zhǎng)、地溫梯度高，還需要對(duì)氣層進(jìn)行試氣、壓裂等作業(yè)，這就對(duì)水泥漿性能及固井施工有了更高的要求，必須保證全井段封固質(zhì)量良好。目前大慶深層氣井固井質(zhì)量并不十分理想，2005年以來，相繼發(fā)生了升深8井、升深2-17井、徐深10井在試氣前發(fā)生環(huán)空竄氣問題，徐深901井在壓裂后出現(xiàn)環(huán)空竄氣現(xiàn)象，影響了油氣測(cè)試和產(chǎn)能建設(shè)。
針對(duì)大慶深層氣井存在的氣竄問題，優(yōu)選出高溫防氣竄水泥外加劑及抗高溫韌性填充材料，提高了水泥漿的防氣竄能力、水泥石的韌性及抗沖擊能力，并提出與之相配套的氣井固井方案技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了提高大慶深層氣井固井工程質(zhì)量的目標(biāo)。
1 大慶深層氣井固井水泥漿體系研究
1.1 高溫防氣竄增韌水泥漿體系應(yīng)滿足的條件
（1）水泥漿可泵性好，密度控制在1.90 g/cm3，流動(dòng)度大于220 mm；
（2）水泥漿的稠化時(shí)間可調(diào)，過渡時(shí)間小于15 min；
（3）水泥漿具有較小的濾失量，失水量小于100ml/30min·6.9MPa；
（4）抗壓強(qiáng)度（48h×20.7MPa×180℃）大于25 MPa；
（5）水泥漿處于失重狀態(tài)時(shí)，水泥基質(zhì)滲透性低，內(nèi)部阻力大，能抵御氣體的竄入；
（6）抗沖擊韌性好，沖擊功比常規(guī)水泥石提高20%以上。
1.2 高溫防氣竄外加劑的選擇
根據(jù)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有外加劑的性能、使用狀況及大慶深層氣井鉆井完井的特點(diǎn)、環(huán)空氣竄的特性，經(jīng)過大量室內(nèi)試驗(yàn)及分析對(duì)比，考慮采用丁苯膠乳作為防氣竄水泥漿的外加劑比較合適。
丁苯膠乳由無(wú)數(shù)橡膠粒子組成，隨著水泥水化溫度的升高，橡膠粒子與水分子、水泥中的SiO2、SO2形成了氫鍵、氧橋、和硫橋，構(gòu)成了網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，聚結(jié)了比其它水泥外加劑高的能量，抗高溫性得到提高。橡膠粒子堵塞和充填于水泥顆粒之間，在一定壓差作用下聚結(jié)形成比較致密的硬膠餅，阻止水泥漿的失水，降低水泥石的滲透率，增大了氣體進(jìn)入水泥石的`阻力。丁苯膠乳在水泥水化期間產(chǎn)生的絮凝物在水泥基質(zhì)中聚結(jié)起來形成抑制滲透的膠乳膜，能防止氣體侵入水泥漿柱。丁苯膠乳水泥在配制后一直保持低膠凝強(qiáng)度狀態(tài)，充分傳遞水泥漿的液柱壓力，隨著時(shí)間的推移和溫度的升高，膠凝強(qiáng)度迅速發(fā)展到240 Pa，形成直角膠凝，彌補(bǔ)了因水泥漿失重而產(chǎn)生的壓力降低，達(dá)到防氣竄的目的。
1.3 增韌材料的選擇
為了更好地滿足慶深氣田氣井固井的要求，在篩選了丁苯膠乳作為防氣竄外加劑的基礎(chǔ)上，根據(jù)超混復(fù)合材料原理，還選用了DZF-1作為防氣竄水泥漿的增韌材料，來減小在射孔、壓裂等作業(yè)產(chǎn)生的沖擊載荷作用下，水泥石中初始微裂紋的迅速擴(kuò)展與應(yīng)力集中，防止形成大裂紋、裂縫而造成氣體竄槽。
DZF-1是一種以低彈礦物纖維為主體的多種不同成分纖維的混合物，具有較高的抗拉強(qiáng)度，能對(duì)水泥石中缺陷的裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)形成屏蔽，從而提高水泥石的斷裂韌性和抗沖擊性能。DZF-1與其他外加劑配伍性好，摻入DZF-1的水泥漿具有較好的相容性和較高的粘附性，能夠形成高強(qiáng)度的水泥石。
1.4 大慶深層氣井固井防氣竄增韌水泥漿性能評(píng)價(jià)
根據(jù)大慶深層氣井固井對(duì)水泥漿性能的要求，在室內(nèi)進(jìn)行了大量的配方篩選工作，確定了適用于大慶深層氣井固井的水泥漿配方，通過實(shí)驗(yàn)證明篩選的高溫防氣竄增韌水泥漿能有效防止環(huán)空的氣竄，保證氣層的封隔質(zhì)量。
1.4.1 大慶深層氣井固井水泥漿的主要性能
表1 大慶深層氣井固井水泥漿主要性能
密度
g/cm3流動(dòng)度
mm濾失量
ml/30min·6.9MPa稠化時(shí)間
min/150℃·90MPa穩(wěn)定性
g/cm3游離液
ml48h抗壓強(qiáng)度
MPa稠度系數(shù)
Pa·Sn流性
指數(shù)
1.90245363580.01038.70.3160.818

1.4.2 水泥漿防氣竄性評(píng)價(jià)
采用水泥漿性能系數(shù)SPN來評(píng)價(jià)氣竄，SPN值反映了水泥漿濾失量及水泥漿凝固過程阻力變化系數(shù)對(duì)防氣竄的影響，其計(jì)算式為：
（1）
式中：Q為API失水量，ml；t100、t30分別為稠度達(dá)到30和100 Bc的時(shí)間，min。SPN值評(píng)價(jià)水泥漿防氣竄性能的標(biāo)準(zhǔn)為：0≤SPN≤3，防氣竄性能好；3＜SPN≤6，防氣竄性能中等；SPN＞6，防氣竄性能差。由水泥漿性能系數(shù)公式可以看出，稠化過渡時(shí)間越短，失水量越小，SPN值越小，防氣竄的能力越強(qiáng)。防氣竄增韌水泥漿的SPN值如表2所示。由表2可知，該水泥漿體系具有良好的防氣竄性能，配合其他的防竄措施，能滿足固井時(shí)防竄的要求。
表2 防氣竄增韌水泥漿的SPN值
項(xiàng)目失水量/mlt30/mint100/minSPN
防氣竄增韌水泥漿363473581.926

1.4.3 水泥石韌性評(píng)價(jià)
沖擊功是檢驗(yàn)水泥石試樣韌性的重要指標(biāo)，水泥石試樣的抗沖擊功越大，其增韌效果也越好。水泥石在不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下的沖擊功見表3。從表3可以看出：防竄增韌水泥石的沖擊功較膠乳水泥石和原漿水泥石有明顯增加，說明加入纖維后，由于纖維在裂縫處的橋接，使得裂紋的擴(kuò)展受到抑制，同時(shí)纖維在拔出的過程中吸收了大量的能量，從而起到增韌的效果。
表3 水泥石韌性對(duì)比（180℃､21MPa）
試樣防氣竄增韌水泥膠乳水泥G級(jí)水泥+砂
養(yǎng)護(hù)時(shí)間/h244824482448
沖擊功/KJ·m-28.078.827.317.966.657.17

2 大慶深層氣井固井工藝技術(shù)
針對(duì)大慶深層氣井固井中存在的問題，對(duì)固井方案進(jìn)行了改進(jìn)：
（1）尾管固井技術(shù)
尾管固井注水泥工藝，既可節(jié)省套管，又能改善管柱設(shè)計(jì)的軸向載荷，改善水力條件以及降低注水泥漿環(huán)空流動(dòng)阻力，尾管懸掛器坐掛后，卡瓦懸掛處的最小流道面積不小于重迭段最小環(huán)隙面積的60%。但是尾管固井施工尾管掛處循環(huán)過水?dāng)嗝娣e小，對(duì)提高頂替效率不利，影響固井質(zhì)量，同時(shí)套管內(nèi)通井一鉆通劃眼都影響水泥石封固質(zhì)量。
尾管座掛前要充分洗井，固井施工前根據(jù)頂替效率計(jì)算多余水泥漿及附加水泥漿使用緩凝前導(dǎo)水泥漿，確保鉆桿能夠順利啟出。尾管固井施工頂替鉆井液時(shí)在鉆桿膠塞與大膠塞復(fù)合處降低排量，保證大小膠塞順利復(fù)合，以便順利完成固井施工作業(yè)。
（2）雙級(jí)注固井工藝技術(shù)
雙級(jí)注水泥可以將一次長(zhǎng)封固井劃分為兩次較短封固段固井作業(yè)，適用于深井長(zhǎng)封固井作業(yè)，能減少一次注水泥固井施工難度，降低環(huán)空液柱壓力，減少固井中發(fā)生漏失的可能性。雙級(jí)注水泥可以分為淹沒式連續(xù)雙級(jí)注和間隔式雙級(jí)注水泥。
淹沒式連續(xù)雙級(jí)注一級(jí)和二級(jí)之間沒有間隔，為避免造成二級(jí)井眼鉆井液鈣侵，淹沒式雙級(jí)注固井一級(jí)水泥漿量盡量少附加，并且注入一定量緩凝前導(dǎo)水泥漿，以便打開雙級(jí)箍后水泥漿順利返出地面；在一級(jí)沖洗液中加入適量的稀釋劑，抑制水泥漿污染程度；同時(shí)配套應(yīng)用內(nèi)置隔離液和壓膠塞液。
3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用
防氣竄增韌水泥漿及配套的固井方案工藝技術(shù)于2007年在大慶深層氣井固井中應(yīng)用用，結(jié)果表明，該水泥漿的各項(xiàng)性能滿足了深層氣井固井施工的要求，固井質(zhì)量全部合格，達(dá)到了提高固井質(zhì)量、防止氣竄的目的。固井?dāng)?shù)據(jù)見表4。
表4 大慶深層氣井固井基本數(shù)據(jù)
序號(hào)井號(hào)井深m固井工藝封固高度m水泥漿配方頂替效率%固井質(zhì)量
1徐深274180油層雙級(jí)1630/1150一級(jí)：高強(qiáng)低密度+8%石英砂+3%防腐劑+20%DHL+0.5纖維
二級(jí)：G級(jí)+3%膨脹劑+1%DSJ95.4合格
2徐深1414242油層雙級(jí)1662/1180一級(jí)：G級(jí)+25%石英砂+18%DHL+0.3%DQH-5
二級(jí)：G級(jí)+3%膨脹劑+6.5%DSHJ98.05合格
3徐深433963油層雙級(jí)1393/1070一級(jí)：高強(qiáng)低密度+8%石英砂+20%DHL+0.1%DQH-5
二級(jí)：G級(jí)+3%膨脹劑+6.5%DSHJ94.5合格
4汪深1023422油層雙級(jí)1200/622一級(jí)：高強(qiáng)低密度+20%DHL+0.07%DQH-4
二級(jí)：G級(jí)+25%石英砂+18%DHL+0.09%DQH-496.1合格
5徐深2134370油層雙級(jí)1650/1220一級(jí)：高強(qiáng)低密度+8%石英砂+3%DCR+20%DHL+1.5%膨脹劑二級(jí)：G級(jí)+3%膨脹劑+6.5%DSHJ+0.04%
DQH-494.9合格
6徐深13-14415常規(guī)1815高強(qiáng)低密度+8%石英砂+20%DHL98.5合格

4 認(rèn)識(shí)及結(jié)論
（1）防氣竄增韌水泥漿失水量低，稠化過渡時(shí)間短，失重時(shí)基質(zhì)滲透性低，內(nèi)部阻力大，防竄性能良好。
（2）水泥石塑性高、脆性小，具有一定的抗沖擊韌性，減小了井下作業(yè)（射孔、壓裂等）對(duì)水泥環(huán)的損傷。
（3）在慶深氣田采用防氣竄增韌水泥漿和配套的固井方案技術(shù)，保證了在水泥漿失重時(shí)對(duì)氣層的壓穩(wěn)，防止了環(huán)空氣竄的發(fā)生，解決了慶深氣田氣井氣竄問題，具有較好的應(yīng)用前景。
參考文獻(xiàn)
[1] 鉆井手冊(cè)（甲方）上冊(cè)．北京：石油工業(yè)出版社，1990
[2] 路俊剛，郭小陽(yáng)，楊香艷等．膠乳水泥體系的室內(nèi)研究[J]．西部探礦工程，2002(2)：78—80
[3] 徐至鈞．纖維混凝土技術(shù)及應(yīng)用[M]．北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2003
[4] 曾慶敦．復(fù)合材料的細(xì)觀破壞機(jī)制與強(qiáng)度[M]．北京：科學(xué)出版社，2002