小井眼固井水泥漿流變性研究

王永松 （中海油田服務(wù)股份有限公司油化研究院，河北 三河065201）

許明標(biāo)，王曉亮，金勇 （長江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北武漢430100）

在國內(nèi)，大部分陸地油田都已進(jìn)入了開發(fā)的中后期，油藏的開采難度越來越大，成本越來越高。同時(shí)，由于中國的高速發(fā)展，為了解決能源需求問題，要對一些邊際油田和一些已將近枯竭的油井進(jìn)行再開發(fā)。小井眼井由于成本低、效益高，特別適合開發(fā)這些邊際油田及對油井的開窗側(cè)鉆使其重新恢復(fù)生產(chǎn)。

1 小井眼井固井技術(shù)難點(diǎn)分析

小井眼井指的是在井深范圍內(nèi)70%以上的井徑小于177.8mm的井。小井眼井的特點(diǎn)就是井徑小，環(huán)空間隙窄，從而導(dǎo)致了其在固井時(shí)面臨許多技術(shù)難題，尤其是在固井水泥漿方面。

1）小井眼井固井需要水泥漿具有很好的流變性能，從而才能減小環(huán)空摩阻壓耗，減小泵壓，進(jìn)而防止壓漏地層。

2）小井眼井對水泥漿穩(wěn)定性 （包括游離液、濾失量）要求更高，因?yàn)樯倭康淖杂伤蜑V失水會在環(huán)空形成較大面積的水槽、水環(huán)及水帶，這將會加劇油、氣、水竄的發(fā)生[1]。

3）小井眼井固井水泥環(huán)薄，需要水泥漿具有更高的抗壓強(qiáng)度及抗沖擊強(qiáng)度。

4）小套管居中困難，導(dǎo)致水泥漿頂替效率低。

2 小井眼固井對水泥漿性能要求

根據(jù)難點(diǎn)分析可以看出，小井眼井對固井水泥漿的要求很高，其中最主要的幾個方面有：①流變性能優(yōu)異；②水泥漿降濾失性能好，失水低，穩(wěn)定性好；③水泥石抗壓強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度高。其中水泥漿的流變性能的好壞是決定小井眼井固井成功與否的關(guān)鍵，因此有必要對水泥漿的流變性能進(jìn)行專門的研究及合理的流變學(xué)設(shè)計(jì)，從而為固井的順利進(jìn)行提供重要保障。

3 小井眼固井水泥漿流變性分析

3.1 小井眼固井水泥漿配方的確定及基本性能

為了改善水泥漿體系的流變性能，室內(nèi)將D級水泥作為添加劑少量加入到水泥漿中，試驗(yàn)初級配方：100%水泥 （G級水泥＋D級水泥）＋40%淡水＋0.75%消泡劑＋0.625%膠乳穩(wěn)定劑＋2.5%膠乳＋1.5%液硅＋3.0%降失水劑＋2.0%分散劑＋0.25%緩凝劑＋0.5%膨脹劑 （密度為1.9g/cm3）（配方中百分?jǐn)?shù)為質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）；測其流變性能，24h抗壓強(qiáng)度和高溫高壓失水量，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 D級水泥添加劑試驗(yàn)結(jié)果

圖1、2分別是D級水泥與G級水泥的粒徑分析結(jié)果，可以看出，D級水泥的粒度中值為43.12μm，G級水泥的粒度中值為30.39μm，D級水泥顆粒明顯比G級水泥顆粒粗。

流變性試驗(yàn)和顆粒粒徑分析表明，隨著D級水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，水泥漿體系先變稀后變稠；并且D級水泥的加入使得體系的高溫高壓濾失量有所增大。這主要是因?yàn)镈級水泥相較于G級水泥而言顆粒更粗，總的比表面積小，在相同水加量下，D級水泥顆粒吸水量少，體系中游離水多，因此其流變性能要好，但D級水泥的濾失量增大。當(dāng)D級水泥做添加劑且質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小時(shí)，主要起到流型調(diào)節(jié)劑的作用，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到一定量時(shí)，增黏效應(yīng)起主要作用。另外隨著D級水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，水泥石的抗壓強(qiáng)度有減小的趨勢。

圖1 D級油井水泥粒度分析圖

圖2 G級油井水泥粒度分析圖

根據(jù)D級水泥作為添加劑的試驗(yàn)結(jié)果，調(diào)配出適合小井眼固井的水泥漿配方：

100%油井水泥 （93%嘉華G級水泥＋7%嘉華D級水泥）＋37.5%淡水＋0.75%消泡劑＋1.25%膠乳穩(wěn)定劑＋3.75%膠乳＋1.5%液硅＋3.75%降失水劑＋2.0%分散劑＋0.25%緩凝劑＋0.5%膨脹劑。

其基本性能見表2，該水泥漿體系濾失量小，零自由液，水泥漿體系穩(wěn)定性能好，水泥石抗壓強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度都較高，稠化時(shí)間能確保固井施工安全。

表2 水泥漿體系基本性能

3.2 流變學(xué)計(jì)算分析

3.2.1 流變模式

流變數(shù)據(jù)見表3。

表3 水泥漿體系流變性能

剪切速率、剪切應(yīng)力換算公式[2]：

式中：r為剪切速率，s－1；N為轉(zhuǎn)速，r/min；τ為剪切應(yīng)力，Pa；Nφ為黏度計(jì)刻度盤上的讀數(shù)。

計(jì)算出剪切速率與剪切應(yīng)力，分別在直角坐標(biāo)系和雙對數(shù)坐標(biāo)系上繪制剪切應(yīng)力與剪切速率關(guān)系曲線，如圖3所示，從回歸系數(shù) （R2）可以看出水泥漿流變模式更接近冪律模式。因此，采用冪律模式進(jìn)行計(jì)算分析。

圖3 剪切應(yīng)力與剪切速率在直角坐標(biāo)系 （a）和雙對數(shù)坐標(biāo)系 （b）下關(guān)系曲線

3.2.2 流變性計(jì)算

流變參數(shù)[2]：

紊流頂替臨界值[2]：

式中：Retc為臨界雷諾數(shù)，1；vc為環(huán)空臨界返速，m/s；D為井眼直徑 （鉆頭尺寸），m；d為套管直徑，m。

計(jì)算環(huán)空摩阻壓降[2]：

其中：

式中：λ為摩阻因數(shù)；a、b為流性指數(shù)n的函數(shù)；Δp為摩阻壓降，MPa；μp為鉆井液塑性黏度，Pa·s；L為流動長度，m。

井底最大壓力[2]：

式中：ph為環(huán)空靜液柱壓力，MPa；pm為井底最大壓力，MPa；g為重力加速度，9.81m/s2。

水泥漿在小井眼井窄的環(huán)空間隙中摩阻壓降較大，水泥漿流變性若不好將有可能造成很大的井底壓力，以至于壓漏地層，嚴(yán)重?fù)p害油氣儲層。研究中計(jì)算了環(huán)空間隙對摩阻壓降及井底最大壓力的影響。

以井深3000m，水泥漿返高1500m的油井為例，其中鉆井液密度1.20g/cm3，鉆井液動切力0.82Pa，塑性黏度36mPa·s。分析了環(huán)空間隙對摩阻壓降和井底最大壓力的影響 （圖4）?？梢钥闯?，摩阻壓降及井底最大壓力均隨環(huán)空間隙的增大而減小。當(dāng)環(huán)空間隙小于20mm時(shí)，隨著環(huán)空間隙的增大，摩阻壓降及井底最大壓力急劇下降；當(dāng)環(huán)空間隙為12.7mm時(shí)，水泥漿達(dá)到紊流頂替時(shí)的井底最大壓力為137MPa，極易壓漏地層，故在環(huán)空間隙過小時(shí)不宜采用紊流頂替；當(dāng)環(huán)空間隙超過20mm時(shí)，壓降曲線變得平緩，可以采用紊流頂替。

圖4 壓降與環(huán)空間隙關(guān)系曲線

4 實(shí)例分析

4.1 井身結(jié)構(gòu)

以某氣田A2井為例進(jìn)行了計(jì)算分析。套管程序及井身結(jié)構(gòu)見表4、圖5。

4.2 計(jì)算結(jié)果

分別計(jì)算一開、二開和三開達(dá)到紊流頂替時(shí)的環(huán)空臨界流速、環(huán)空摩阻壓降及井底最大壓力，然后與地層破裂壓力比較 （地層破裂壓力梯度以2.8MPa/100m 計(jì)算）。結(jié)果如表5所示，一開和三開達(dá)到紊流頂替時(shí)的井底最大壓力明顯低于地層破裂壓力，因此固井過程中不會發(fā)生井漏。而二開達(dá)到紊流頂替時(shí)的井底最大壓力大大超過地層破裂壓力，地層有被壓漏的風(fēng)險(xiǎn)，這主要是由于環(huán)空太小，頂替時(shí)環(huán)空摩阻過大，因此在二開不宜采用紊流頂替，最好采用流速更低的塞流頂替。

表4 A2井套管程序表

5 結(jié)論

1）小井眼井固井難點(diǎn)主要在于固井水泥漿方面，要求水泥漿具有優(yōu)異的流變性，降濾失性，穩(wěn)定性，水泥石抗壓強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度。

2）D級水泥比G級水泥顆粒粗，加入少量的D級水泥作為添加劑可以提高水泥漿體系的流變性能，但濾失量會有所增大，抗壓強(qiáng)度也會有所降低。

圖5 A2井身結(jié)構(gòu)示意圖

表5 A2井流變性計(jì)算結(jié)果

3）室內(nèi)經(jīng)過反復(fù)研究調(diào)配出了一種低黏水泥漿體系，經(jīng)過計(jì)算分析，該水泥漿體系能夠滿足大多數(shù)小井眼井固井時(shí)的紊流頂替，而對于環(huán)空間隙過小的井，則建議采用流速更低的塞流頂替，防止壓漏地層。

[1]劉碩瓊，譚平，張漢林，等 .小井眼鉆井技術(shù) [M].北京：石油工業(yè)出版社，2005.

[2]劉崇建，黃柏宗，徐同臺，等 .油氣井注水泥理論與應(yīng)用 [M].北京：石油工業(yè)出版社，2001.