大慶深層氣井防竄水泥漿固井技術研究
大慶深層氣井防竄水泥漿固井技術研究 楊勇
摘要：針對大慶深井固井現狀，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。性能評價試驗結果表明，該水泥漿體系防氣竄性能良好，抗沖擊功有顯著提高�，F場應用表明，采用該水泥漿體系并結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，固井質量優質。
關鍵詞：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、地溫梯度高，還需要對氣層進行試氣、壓裂等作業，這就對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量良好。目前大慶深層氣井固井質量并不十分理想，2005年以來，相繼發生了升深8井、升深2-17井、徐深10井在試氣前發生環空竄氣問題，徐深901井在壓裂后出現環空竄氣現象，影響了油氣測試和產能建設。
針對大慶深層氣井存在的氣竄問題，優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，實現了提高大慶深層氣井固井工程質量的目標。
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滿足的條件
（1）水泥漿可泵性好，密度控制在1.90 g/cm3，流動度大于220 mm；
（2）水泥漿的稠化時間可調，過渡時間小于15 min；
（3）水泥漿具有較小的濾失量，失水量小于100ml/30min·6.9MPa；
（4）抗壓強度（48h×20.7MPa×180℃）大于25 MPa；
（5）水泥漿處于失重狀態時，水泥基質滲透性低，內部阻力大，能抵御氣體的竄入；
（6）抗沖擊韌性好，沖擊功比常規水泥石提高20%以上。
1.2 高溫防氣竄外加劑的選擇
根據國內外現有外加劑的性能、使用狀況及大慶深層氣井鉆井完井的特點、環空氣竄的特性，經過大量室內試驗及分析對比，考慮采用丁苯膠乳作為防氣竄水泥漿的外加劑比較合適。
丁苯膠乳由無數橡膠粒子組成，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，構成了網架結構，聚結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，增大了氣體進入水泥石的`阻力。丁苯膠乳在水泥水化期間產生的絮凝物在水泥基質中聚結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度狀態，充分傳遞水泥漿的液柱壓力，隨著時間的推移和溫度的升高，膠凝強度迅速發展到240 Pa，形成直角膠凝，彌補了因水泥漿失重而產生的壓力降低，達到防氣竄的目的。
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上，根據超混復合材料原理，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、壓裂等作業產生的沖擊載荷作用下，水泥石中初始微裂紋的迅速擴展與應力集中，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，具有較高的抗拉強度，能對水泥石中缺陷的裂紋尖端應力場形成屏蔽，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價
根據大慶深層氣井固井對水泥漿性能的要求，在室內進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，通過實驗證明篩選的高溫防氣竄增韌水泥漿能有效防止環空的氣竄，保證氣層的封隔質量。
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 流動度
mm 濾失量
ml/30min·6.9MPa 稠化時間
min/150℃·90MPa 穩定性
g/cm3 游離液
ml 48h抗壓強度
MPa 稠度系數
Pa·Sn 流性
指數
1.90 245 36 358 0.01 0 38.7 0.316 0.818
1.4.2 水泥漿防氣竄性評價
采用水泥漿性能系數SPN來評價氣竄，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對防氣竄的影響，其計算式為：
（1）
式中：Q為API失水量，ml；t100、t30分別為稠度達到30和100 Bc的時間，min。SPN值評價水泥漿防氣竄性能的標準為：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。由水泥漿性能系數公式可以看出，稠化過渡時間越短，失水量越小，SPN值越小，防氣竄的能力越強。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，能滿足固井時防竄的要求。
表2 防氣竄增韌水泥漿的SPN值
項目 失水量/ml t30/min t100/min SPN
防氣竄增韌水泥漿 36 347 358 1.926
1.4.3 水泥石韌性評價
沖擊功是檢驗水泥石試樣韌性的重要指標，水泥石試樣的抗沖擊功越大，其增韌效果也越好。水泥石在不同養護時間下的沖擊功見表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，使得裂紋的擴展受到抑制，同時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 水泥石韌性對比（180℃､21MPa）
試樣 防氣竄增韌水泥 膠乳水泥 G級水泥+砂
養護時間/h 24 48 24 48 24 48
沖擊功/KJ·m-2 8.07 8.82 7.31 7.96 6.65 7.17
2 大慶深層氣井固井工藝技術
針對大慶深層氣井固井中存在的問題，對固井方案進行了改進：
（1）尾管固井技術
尾管固井注水泥工藝，既可節省套管，又能改善管柱設計的軸向載荷，改善水力條件以及降低注水泥漿環空流動阻力，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隙面積的60%。但是尾管固井施工尾管掛處循環過水斷面積小，對提高頂替效率不利，影響固井質量，同時套管內通井一鉆通劃眼都影響水泥石封固質量。
尾管座掛前要充分洗井，固井施工前根據頂替效率計算多余水泥漿及附加水泥漿使用緩凝前導水泥漿，確保鉆桿能夠順利啟出。尾管固井施工頂替鉆井液時在鉆桿膠塞與大膠塞復合處降低排量，保證大小膠塞順利復合，以便順利完成固井施工作業。
（2）雙級注固井工藝技術
雙級注水泥可以將一次長封固井劃分為兩次較短封固段固井作業，適用于深井長封固井作業，能減少一次注水泥固井施工難度，降低環空液柱壓力，減少固井中發生漏失的可能性。雙級注水泥可以分為淹沒式連續雙級注和間隔式雙級注水泥。
淹沒式連續雙級注一級和二級之間沒有間隔，為避免造成二級井眼鉆井液鈣侵，淹沒式雙級注固井一級水泥漿量盡量少附加，并且注入一定量緩凝前導水泥漿，以便打開雙級箍后水泥漿順利返出地面；在一級沖洗液中加入適量的稀釋劑，抑制水泥漿污染程度；同時配套應用內置隔離液和壓膠塞液。
3 現場應用
防氣竄增韌水泥漿及配套的固井方案工藝技術于2007年在大慶深層氣井固井中應用用，結果表明，該水泥漿的各項性能滿足了深層氣井固井施工的要求，固井質量全部合格，達到了提高固井質量、防止氣竄的目的。固井數據見表4。
表4 大慶深層氣井固井基本數據
序號 井號 井深m 固井工藝 封固高度m 水泥漿配方 頂替效率% 固井質量
1 徐深27 4180 油層雙級 1630/1150 一級：高強低密度+8%石英砂+3%防腐劑+20%DHL+0.5纖維
二級：G級+3%膨脹劑+1%DSJ 95.4 合格
2 徐深141 4242 油層雙級 1662/1180 一級：G級+25%石英砂+18%DHL+0.3%DQH-5
二級：G級+3%膨脹劑+6.5%DSHJ 98.05 合格
3 徐深43 3963 油層雙級 1393/1070 一級：高強低密度+8%石英砂+20%DHL+0.1%DQH-5
二級：G級+3%膨脹劑+6.5%DSHJ 94.5 合格
4 汪深102 3422 油層雙級 1200/622 一級：高強低密度+20%DHL+0.07%DQH-4
二級：G級+25%石英砂+18%DHL+0.09%DQH-4 96.1 合格
5 徐深213 4370 油層雙級 1650/1220 一級：高強低密度+8%石英砂+3%DCR+20%DHL+1.5%膨脹劑二級：G級+3%膨脹劑+6.5%DSHJ+0.04%
DQH-4 94.9 合格
6 徐深13-1 4415 常規 1815 高強低密度+8%石英砂+20%DHL 98.5 合格
4 認識及結論
（1）防氣竄增韌水泥漿失水量低，稠化過渡時間短，失重時基質滲透性低，內部阻力大，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（射孔、壓裂等）對水泥環的損傷。
（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，保證了在水泥漿失重時對氣層的壓穩，防止了環空氣竄的發生，解決了慶深氣田氣井氣竄問題，具有較好的應用前景。
參考文獻
[1] 鉆井手冊（甲方）上冊．北京：石油工業出版社，1990
[2] 路俊剛，郭小陽，楊香艷等．膠乳水泥體系的室內研究[J]．西部探礦工程，2002(2)：78—80
[3] 徐至鈞．纖維混凝土技術及應用[M]．北京：中國建筑工業出版社，2003
[4] 曾慶敦．復合材料的細觀破壞機制與強度[M]．北京：科學出版社，2002
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