水泥漿失重壓力評(píng)價(jià)技術(shù)研究與應(yīng)用

劉洋，陳敏，史芳芳，李吟雪，鮮明

（1.中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司，成都 610052；2.中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司工程技術(shù)處，成都 610056；3.四川航佳生物科技有限公司，四川德陽(yáng) 618300）

環(huán)空氣竄幾乎是所有天然氣井都將面臨的棘手難題。研究表明，固井后水泥漿“失重”將導(dǎo)致作用于氣層的液柱壓力下降，可能引發(fā)欠平衡，發(fā)生早期氣竄。準(zhǔn)確的失重壓力評(píng)價(jià)是制定固井憋壓候凝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)壓穩(wěn)防竄的重要理論依據(jù)。20世紀(jì)80年代，國(guó)外以Sabins、Sutton為代表的學(xué)者[1-2]，發(fā)現(xiàn)水泥漿膠凝和收縮特性導(dǎo)致作用于井底的液柱壓力下降，提出了“膠凝失重理論”及膠凝懸掛失重壓力公式，以48 Pa的靜膠凝強(qiáng)度計(jì)算水泥漿最大失重值。中國(guó)以劉崇建[3]、張興國(guó)[4]、孫展利[5]為代表的學(xué)者，通過(guò)對(duì)大斜度井水泥漿失重規(guī)律研究，提出了“沉降失重理論”，按照初凝時(shí)水泥漿液柱壓力降至等高水柱壓力計(jì)算失重值。這些理論計(jì)算方法屬于半經(jīng)驗(yàn)公式，并未考慮不同井段井溫、壓力、套管偏心對(duì)水泥漿失重的影響。目前國(guó)內(nèi)也開展了水泥漿失重裝置研發(fā)，但無(wú)法很好解決高溫高壓及套管偏心條件下水泥漿失重壓力測(cè)試問(wèn)題[6-9]。基于此，研發(fā)了一套高溫高壓水泥漿失重壓力評(píng)價(jià)裝置，評(píng)價(jià)了典型水泥漿體系失重規(guī)律，并提出了一種分段計(jì)算水泥漿失重壓力的方法，在四川盆地磨溪—高石梯區(qū)塊高壓氣井得到檢驗(yàn)，指導(dǎo)了環(huán)空憋壓候凝，固井后未發(fā)生環(huán)空氣竄。

1 高溫高壓水泥漿失重壓力評(píng)價(jià)裝置

1.1 裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

水泥漿失重壓力評(píng)價(jià)裝置如圖1所示，裝置核心部件是失重測(cè)試筒。失重測(cè)試筒采用了等比例尺寸縮小原理，有效長(zhǎng)度1 m，由內(nèi)筒、保護(hù)筒、外筒組成。內(nèi)筒模擬套管，外徑有30～60 mm多種規(guī)格，外筒模擬井壁，內(nèi)徑100 mm，內(nèi)外筒環(huán)空間隙10～30 mm。為防止實(shí)驗(yàn)過(guò)程水泥漿固結(jié)外筒，在外筒內(nèi)壁緊貼一層薄壁保護(hù)筒。失重筒上下兩端均通過(guò)法蘭盤連接。法蘭盤上的螺栓孔銑長(zhǎng)槽，調(diào)節(jié)螺栓位置，可實(shí)現(xiàn)0～70%套管偏心調(diào)節(jié)，解決了常規(guī)偏心桿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)密封能力較差，僅能開展常壓實(shí)驗(yàn)的問(wèn)題。失重筒采用了電機(jī)帶動(dòng)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)0～90°井斜調(diào)節(jié)。失重筒底部和頂部連接了3個(gè)壓差傳感器，可同時(shí)監(jiān)測(cè)寬、中等、窄間隙處水泥漿失重壓力。裝置最高實(shí)驗(yàn)壓力為12 MPa，最高實(shí)驗(yàn)溫度為150 ℃。

圖1 水泥漿失重壓力測(cè)試裝置

1.2 水泥漿失重壓力評(píng)價(jià)方法

首先應(yīng)利用超聲波強(qiáng)度儀測(cè)試水泥漿靜膠凝強(qiáng)度及凝結(jié)時(shí)間；然后在水泥漿失重壓力測(cè)試前，對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置試壓10 MPa，檢查試驗(yàn)筒及管線密封性；試壓合格后，設(shè)置實(shí)驗(yàn)溫度對(duì)裝置預(yù)熱（預(yù)熱溫度不應(yīng)超過(guò)90 ℃）；然后將經(jīng)過(guò)常壓稠化儀預(yù)熱的水泥漿倒入失重筒內(nèi)，開始監(jiān)測(cè)水泥漿失重壓力；設(shè)置目標(biāo)溫度，并將圍壓補(bǔ)壓至目標(biāo)壓力；水泥漿初凝后結(jié)束實(shí)驗(yàn)，保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2 典型水泥漿體系失重壓力評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

2.1 典型水泥漿體系常規(guī)性能

選擇了1#常規(guī)水泥漿和2#低失水觸變性水泥漿開展失重壓力評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)。水泥漿配方如下。

1#G級(jí)水泥+0.03%HNJ+2.5%JLS-A +水

2#G級(jí)水泥+3%超細(xì)材料+0.1%分散劑+0.03%HNJ+1%JLS-B +水

2套典型水泥漿常規(guī)性能如表1所示，1#常規(guī)水泥漿體系穩(wěn)定性和失水控制較差，靜膠凝強(qiáng)度48 Pa時(shí)間125 min，初凝時(shí)間為231 min；2#低失水觸變性水泥漿體系穩(wěn)定性和失水控制較好，靜膠凝強(qiáng)度48 Pa時(shí)間148 min，初凝時(shí)間為247 min。

表1 水泥漿體系常規(guī)性能（70 ℃）

2.2 水泥漿失重壓力評(píng)價(jià)

在直井和套管居中度為30%條件下，對(duì)1#、2#典型水泥漿體系開展失重壓力評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)溫度為70 ℃，壓力為5 MPa，結(jié)果見(jiàn)表2、圖2和圖3。

（1）穩(wěn)定性較差的1#常規(guī)水泥漿3個(gè)間隙處失重壓力曲線如圖2（a）所示，均表現(xiàn)為“三段式”曲線：0～65 min時(shí)間內(nèi)膠凝強(qiáng)度未明顯發(fā)展，但液柱壓力顯著下降，推測(cè)水泥漿穩(wěn)定性較差發(fā)生沉降失重；65～136 min時(shí)間內(nèi)參考靜膠凝強(qiáng)度48 Pa時(shí)間（125 min），此時(shí)膠凝強(qiáng)度開始發(fā)展，液柱壓力平穩(wěn)下降，發(fā)生膠凝失重；136 min后水泥漿處于膠凝后期到初凝階段，毛細(xì)孔收縮，孔隙度明顯降低，導(dǎo)致傳壓能力受限，初凝時(shí)刻水泥漿液柱壓力當(dāng)量密度為0.80 g/cm3，低于清水密度。

表2 水泥漿體系失重實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

圖2 不同水泥漿體系失重壓力實(shí)驗(yàn)曲線

（2）穩(wěn)定性好的2#低失水觸變性水泥漿3個(gè)間隙處失重壓力曲線如圖2（b）所示，表現(xiàn)為“二段式”曲線，沒(méi)有沉降失重階段：100～170 min時(shí)間內(nèi)參考靜膠凝強(qiáng)度48 Pa時(shí)間（148 min），隨著靜膠凝強(qiáng)度的發(fā)展，液柱壓力基本呈線性下降，呈現(xiàn)膠凝失重；170 min后水泥漿進(jìn)入膠凝后期，毛細(xì)孔收縮明顯，限制了傳壓能力，至初凝時(shí)刻水泥漿液柱壓力當(dāng)量密度為1.19 g/cm3，高于清水密度。

圖3 不同水泥漿體系失重實(shí)驗(yàn)實(shí)物圖

為進(jìn)一步驗(yàn)證斜井條件下水泥漿是否具有相似的失重規(guī)律，同樣選取1#、2#水泥漿體系，改變井斜和套管居中度，開展水泥漿失重壓力評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)井斜為30°，套管完全居中，實(shí)驗(yàn)溫度70 ℃，實(shí)驗(yàn)壓力5 MPa。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3、圖4和圖5所示。

表3 水泥漿體系失重實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

圖4 斜井條件下水泥漿體系失重壓力實(shí)驗(yàn)曲線

圖5 斜井條件下水泥漿體系失重實(shí)驗(yàn)實(shí)物圖

由圖4可以看出，1#穩(wěn)定性較差的常規(guī)水泥漿失重壓力曲線仍為“三段式”，初凝時(shí)刻水泥漿當(dāng)量密度降為0.76 g/cm3；2#穩(wěn)定性較好的低失水觸變性水泥漿失重曲線仍為“二段式”，初凝時(shí)刻水泥漿當(dāng)量密度降為1.18 g/cm3。直井和斜井中2套典型水泥漿失重壓力實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，若以初凝時(shí)刻作為氣竄的終止時(shí)刻，此時(shí)穩(wěn)定性差的水泥漿液柱壓力可能低于等高清水柱，而穩(wěn)定性好的水泥漿液柱壓力可能高于等高清水柱。按照經(jīng)驗(yàn)法設(shè)計(jì)環(huán)空憋壓值，可能憋壓不足引發(fā)氣竄，也可能憋壓值偏高壓漏地層。

3 應(yīng)用實(shí)例

為精確計(jì)算初凝時(shí)刻失重壓力，依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，充分考慮井溫對(duì)不同井段水泥漿失重影響，分段計(jì)算失重壓力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，20 ℃以上的溫差會(huì)對(duì)水泥漿失重產(chǎn)生明顯影響，因此按此溫差對(duì)環(huán)空水泥漿分段開展失重評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，并以1 m長(zhǎng)水泥漿柱初凝時(shí)刻液柱壓力值，推算井下條件500～1000 m左右水泥漿失重壓力，再逐段疊加。下面以四川盆地磨溪—高石梯地區(qū)高壓氣井為例，探討固井候凝時(shí)環(huán)空憋壓值。

3.1 水泥漿失重壓力評(píng)價(jià)技術(shù)在X1井φ 244.5 mm技術(shù)套管固井應(yīng)用

X1井二開中途完鉆井深3127 m，鉆至井深3000 m處雷口坡氣層氣侵顯示活躍，2200～2500 m處須家河組氣測(cè)異常顯示。該井下入φ244.5 mm套管，采用兩凝水泥漿固井，領(lǐng)漿與尾漿界面為2000 m，水泥漿密度為1.90 g/cm3，常規(guī)性能如表4所示。按照經(jīng)驗(yàn)公式，初凝時(shí)刻尾漿當(dāng)量密度降至1.07 g/cm3，要壓穩(wěn)雷口坡氣層（當(dāng)量密度1.80 g/cm3）需要環(huán)空憋壓5.2 MPa。若依據(jù)水泥漿失重實(shí)驗(yàn)結(jié)果，考慮分段失重，計(jì)算出候凝期間雷口坡當(dāng)量密度及憋壓值如圖6所示，僅需環(huán)空憋壓3.8 MPa就能滿足壓穩(wěn)防竄要求。該井固井后環(huán)空憋壓4 MPa候凝，固井質(zhì)量合格，固井后未氣竄。

表4 X1井水泥漿常規(guī)性能

圖6 X1井二開候凝期間井深3000 m水泥漿當(dāng)量密度和環(huán)空憋壓值

3.2 水泥漿失重壓力評(píng)價(jià)技術(shù)在X2井φ 177.8 mm尾管固井應(yīng)用

X2井三開中途完鉆井深5117 m，鉆進(jìn)過(guò)程3300～5000 m有十余個(gè)氣顯示層，其中底部5000 m處龍王廟氣層當(dāng)量密度2.18 g/cm3，下入φ177.8 mm尾管封固2800～5117 m井段。該井采用兩凝水泥漿固井，尾漿與領(lǐng)漿界面3200 m，水泥漿密度為2.30 g/cm3，常規(guī)性能如表5所示。

表5 X2井水泥漿常規(guī)性能

按照經(jīng)驗(yàn)公式，初凝時(shí)刻尾漿當(dāng)量密度降至1.07 g/cm3，要壓穩(wěn)龍王廟氣層需要環(huán)空憋壓19.4 MPa，則中上部地層井漏風(fēng)險(xiǎn)較高。然而依據(jù)水泥漿失重評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，尾漿底部與頂部初凝時(shí)間差異較大，考慮分段計(jì)算失重，計(jì)算出候凝期間龍王廟當(dāng)量密度及憋壓值如圖7所示，龍王廟處尾漿初凝時(shí)僅需憋壓7.3 MPa就能滿足壓穩(wěn)防竄。按照該方案憋壓候凝，固井質(zhì)量合格，固井后未氣竄。

圖7 X2井三開候凝期間井深5000 m水泥漿當(dāng)量密度和環(huán)空憋壓值

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

1.采用等比例縮小尺寸方法，研發(fā)了一套高溫高壓水泥漿失重壓力評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)裝置，解決了套管偏心與高壓下水泥漿失重壓力測(cè)試難題，并提出了一種分段計(jì)算水泥漿失重壓力的方法。

2.直井和斜井中的典型水泥漿失重壓力實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，初凝時(shí)刻，穩(wěn)定性差的水泥漿液柱壓力可能低于等高清水柱，而穩(wěn)定性好的水泥漿液柱壓力可能高于等高清水柱。按照經(jīng)驗(yàn)法設(shè)計(jì)環(huán)空憋壓值，可能憋壓不足引發(fā)氣竄，也可能憋壓值偏高壓漏地層。

3.依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分段計(jì)算水泥漿失重壓力的方法，在四川盆地磨溪—高石梯區(qū)塊高壓氣井得到檢驗(yàn)，指導(dǎo)了環(huán)空憋壓候凝，固井后未發(fā)生環(huán)空氣竄。