固井環(huán)空逐級憋壓候凝方法研究與應用

周焱，蔣宇，羅健僑，王先兵

1.中國石油西南油氣田分公司 工程技術監(jiān)督中心（四川 成都 610051）2.中國石油西南油氣田分公司 工程技術處（四川 成都 610051）

工藝角度和固井水泥漿本身的防氣竄性能出發(fā)，而對水泥漿早期候凝方法的研究相對較少。固井后環(huán)空一次性憋壓是目前常用手段，但一次性環(huán)空憋壓至較高值候凝可能導致井漏發(fā)生，而采用偏低的環(huán)空憋壓值則無法有效補償壓力損耗，候凝期間存在地層失穩(wěn)。因此，需要改進固井后憋壓候凝方法，實現(xiàn)固井候凝期間全過程壓穩(wěn)。而目前公開發(fā)表的與環(huán)空憋壓相關的文獻、專利等較少，對于固井環(huán)空憋壓的研究解決候凝期間氣竄問題具有重要意義。

1 固井氣竄因素分析

固井氣竄是綜合作用的結果，氣竄發(fā)生的原因和機理也多種多樣：水泥漿失水、水泥漿膠凝強度的發(fā)展、水泥漿化學收縮、水泥漿滲透性以及水泥漿自由流體等。根據(jù)水泥漿在井筒內(nèi)的不同狀態(tài)，固井氣竄主要發(fā)生在3個時期，一是水泥漿注替期間，固井循環(huán)期間水泥處于一種可流動漿體的狀態(tài)，在此期間的氣竄動力主要是由于井筒內(nèi)液柱壓力與地層壓力之間存在的壓差。此時的氣竄類似于鉆井期間的井控問題；二是水泥漿候凝早期，固井早期氣竄主要發(fā)生在水泥漿注替完成后，水泥漿由液態(tài)形成固態(tài)之間，完成該過程的時間可能是幾十分鐘亦可能是幾十小時，是最難控制的時期；三是水泥漿候凝后期，一般發(fā)生在固井后的幾天甚至幾年以后，由于后期補救措施相對有限；所以眾多學者研究主要集中在水泥漿的防氣竄預防研究，針對固井氣竄的不同階段以及不同的誘發(fā)原因展開了研究。

1.1 水泥漿失水

水泥漿失水引發(fā)的液柱壓力下降以及水泥內(nèi)部孔隙形成的原因進行了探討。由于水泥漿內(nèi)部的水是可流動的，當水泥漿與地層之間存在壓差，水便會逐步滲透進地層中去，一直到水泥漿液柱壓力與地層壓力達到相對平衡，水泥漿失水才逐漸停止。此時水泥漿體積已經(jīng)發(fā)生了明顯變化，而水泥漿的壓縮性很低，因此水泥漿柱內(nèi)部便會形成空隙空間，這些空隙空間會成為氣竄的潛在通道。

劉崇建和郭小陽[1]對失水與氣竄的關系進行了進一步探究得出：水泥漿抗氣竄能力隨著失水量的增加而逐漸削弱，主要是因為高失水量的水泥漿體系不穩(wěn)定并且壓力下降速率比較快，容易形成自由水竄槽。

1.2 水泥漿膠凝強度發(fā)展

早在1973年，Carter[2]等人通過實驗定量地描述了水泥漿膠凝強度與壓力下降之間的聯(lián)系。1979年，Tinsley[3]等人給出了“過渡狀態(tài)”的概念，過渡狀態(tài)指的是水泥漿從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)過程中的一種非液非固的狀態(tài)，此時的水泥漿失去了傳遞靜液柱壓力的能力。過渡狀態(tài)可以由過渡時間來定量描述，它開始于水泥漿膠凝強度能夠被測量到的時刻（大約10 Pa），終止于氣體不能再通過水泥漿內(nèi)滲透的時刻。他們發(fā)現(xiàn)當膠凝強度達120～240 Pa的時候，氣體就不能在水泥漿內(nèi)滲透。

2009年馬勇針對固井氣竄問題，提出了“三短一優(yōu)”的預防方法，即穩(wěn)定性良好，靜膠凝強度過渡時間、初凝時間和初終凝過渡時間短。并給出了水泥漿膠凝強度發(fā)展與失重之間的定量關系，并由此對氣竄原因進行了分析。

1.3 水泥漿收縮

水泥漿收縮導致氣竄的發(fā)生主要通過兩方面：引起環(huán)空壓力下降以及為氣竄提供通道[4]。誘發(fā)水泥漿體積収縮的主要原因是水泥漿的水化反應。1979年，Levine等人發(fā)現(xiàn)水泥漿的靜液柱壓力逐漸降低至水的壓力。隨后，當水泥漿開始固結的時候，靜液柱壓力迅速降低至零。同時化學收縮還會導致二次孔隙的發(fā)育，同時孔隙水會在毛細力作用下被封鎖在這些孔隙中。在化學收縮與二次孔隙發(fā)育的作用下，水泥漿靜液柱壓力迅速從液體壓力梯度降低到地層壓力梯度，甚至降低到大氣壓力。吳宗國指出水泥漿徑向的體積收縮會形成微環(huán)隙并為固井氣竄提供通道，并提出了膨脹水泥漿的設計思想，同時水泥漿體積收縮還會導致環(huán)空壓力的下降，為氣竄提供了動力。

1.4 水泥漿滲透性

針對固井氣竄的研究，提出了縮短靜膠凝強度過渡時間、降低水泥漿的滲透率可以增加氣竄的阻力，減少氣竄的發(fā)生。西南石油大學郭小陽團隊[5]針對水泥漿自身孔隙結構的氣竄通道進行了大量的研究工作，他們自主研發(fā)了一套膠凝態(tài)水泥漿滲透率實驗測試，并測定了水泥漿滲透率隨時間的變化。同時郭小陽團隊[5]還基于土壤學相關測試方法對水泥漿的孔隙度進行了測定，為水泥漿孔隙結構內(nèi)的氣竄研究做出了巨大貢獻。

1.5 水泥漿自由流體（自由水）

韓金良等[6]通過對大斜度井以及水平井氣竄規(guī)律的研究中發(fā)現(xiàn)，水泥漿內(nèi)的自由水會逐漸上竄并行程縱向或橫向的水槽，當行程比較大的水槽時將會嚴重影響環(huán)空固井的質(zhì)量，并為氣竄提供動力和通道。

綜上所述：固井氣竄機理是一個系統(tǒng)性的復雜問題，氣竄風險貫穿于整個固井過程，眾多學者都提出了很多關鍵因數(shù)，雖然沒有對氣竄的3個時期給出定量的解釋，但都能反應出當水泥漿候凝過程中漿柱壓力小于地層壓力時，導致氣竄的共識，進而形成微間隙或者為裂縫，產(chǎn)生固井氣竄。

2 固井氣竄與環(huán)空逐級憋壓候凝關系

水泥漿候凝過程中，隨著水化反應的進行，水泥漿狀態(tài)也發(fā)生著改變，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，由于水泥石的密度大于水泥漿的密度，所以水泥漿從液態(tài)發(fā)展成固態(tài)的過程中，會產(chǎn)生“掛壁”效應，使水泥漿靜液柱壓力不能有效作用于井底，業(yè)內(nèi)稱之為“失重”，同時發(fā)生體積收縮，從而形成水泥石體積“空腔”。所以通過上述對水泥漿狀態(tài)發(fā)生變化和環(huán)空孔隙壓力的變化時間節(jié)點來確定憋壓的時間節(jié)點和合理的憋壓值。

選取現(xiàn)場水泥漿密度2.3 g/cm3，水灰比0.35，在30℃及常壓下水化，其他性能滿足固井施工工藝技術要求。

2.1 不同溫度下水泥漿液-固態(tài)變化時間

由于縱波能夠在不同物理狀態(tài)的水泥漿中傳播且傳播時間不同，因此在實驗中通過測試超聲波縱波在水泥漿中的傳播時間來評價水泥漿所處的物理狀態(tài)[8]。

通過超聲波縱波在水泥漿中的傳播時間測試結果（圖1）可以看到，水泥漿在第5～13h時，縱波的傳輸時間明顯下降?？芍?，該水泥漿在這個階段中，水泥漿從液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變，同時可知隨著溫度的升高，水泥漿轉(zhuǎn)變的時間越短，但整體上時間都在5～13h以內(nèi)。

圖1 不同溫度下水泥漿中縱波傳播時間

2.2 水泥漿候凝過程孔隙壓力變化

圖2為不同溫度下的水泥漿體系在凝固過程孔隙壓力的變化曲線。該水泥漿體系的其他綜合性能均滿足固井施工工藝技術的要求[9]。

圖2 不同溫度下水泥漿凝固過程孔隙壓力變化曲線

觀察圖2可以看出，在水泥漿頂替到位但未凝結時，其孔隙壓力是大致不變的，水泥漿柱壓力可以進行傳導；隨著水泥漿水化的持續(xù)進行，膠結密實骨架結構逐漸形成，總孔隙是逐漸下降，傳遞壓力能力降低，同時隨著溫度的升高，水泥漿轉(zhuǎn)變過渡時間越短，與超聲波縱波在水泥漿中的傳播時間測試結果相符。

由于孔隙壓力的測定在現(xiàn)場固井施工作業(yè)中難以測試，而靜膠凝強度和水泥石強度可以通過常用實驗儀器測得，所以通過研究同一種水泥漿體系前提下，水泥石強度變化衍變?yōu)榭紫秹毫ψ兓?，進而近似取得環(huán)空憋壓值。

3 環(huán)空逐級憋壓候凝方法

考慮到目前研究的局限性，未能形成一個統(tǒng)一的漿柱壓力變化規(guī)律，而在現(xiàn)場實際固井作業(yè)中，不可能實現(xiàn)如此詳細的室內(nèi)實驗，同時在憋壓環(huán)節(jié)上，也無法實現(xiàn)如室內(nèi)研究結果一般的線性憋壓方式。理論與實踐相結合，需確定一種在現(xiàn)場切實可行的環(huán)空憋壓方法，即確定2個方面的條件：一是憋壓時間節(jié)點的確定，通過上述對3個時期產(chǎn)生氣竄的機理研究，需確保3個時期的全過程壓穩(wěn)，即在井內(nèi)水泥漿柱壓力小于地層壓力過程，采取井口憋壓的方式補償井內(nèi)液柱壓力；二是憋壓值的確定，需根據(jù)每口井地層承壓能力及水泥漿孔隙壓力減少值來確定。

3.1 環(huán)空憋壓時間節(jié)點的確定

一般分為3個階段：①在注水泥作業(yè)完成后，憋壓注水泥過程中的摩阻產(chǎn)生壓耗；②在尾漿中部的水泥漿初凝后，憋壓尾漿失重壓力；③在領漿中部初凝后，憋壓領漿的失重壓力。對于可能發(fā)生漏失的情況，在每個階段還需控制憋入量。

3.2 憋壓值的確定

考慮到水泥漿在凝結過程中，凝結的水泥漿具有塑性的特征，塑性體傳遞壓力的能力遠小于液體，因此，在計算的失重值上需要附加5～8個壓力，確保壓力能傳遞到未形成水泥石井深位置。

3.3 實例分析應用

已知川渝區(qū)塊同一區(qū)塊，儲層能量相當?shù)膬煽谔烊粴饩甔1和X2。

X1井下282.58 mm技術尾管懸掛下深5 871 m，鉆頭直徑333.4 mm，鉆井液密度為2.32 g/cm3，采用高密度2.32 g/cm3水泥漿固井，水固比0.293，封固井段2 600～5 871 m，井底靜止溫度130℃，封固段頂部71℃，水泥漿實驗設計溫度為104℃。

X2井下184.15 mm技術尾管懸掛下深6 630 m，鉆頭直徑241.3 mm，鉆井液密度為2.27 g/cm3，采用高密度2.32 g/cm3水泥漿固井，水固比0.297，封固井段4 030～6 630 m，井底靜止溫度155℃，封固段頂部102℃，水泥漿實驗設計溫度為124℃。

1）兩井水泥漿基本工程性能見表1。

表1 兩井水泥漿基本工程性能

2）兩井水泥漿稠化實驗圖如圖3、圖4。

圖3 X1井水泥漿稠化圖

圖4 X2井水泥漿稠化圖

3）兩井水泥頂部靜膠凝強度及水泥石強度數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表2。

表2 水泥漿靜膠凝強度及水泥石強度統(tǒng)計表

4）兩井施工結束后憋壓方法及憋壓值。X1井于5月19日固井施工完，水泥漿候凝期間憋壓方式及憋壓值見表3。

表3 X1井候凝期間憋壓流程表

X2井于4月9日固井施工完，水泥漿候凝期間憋壓方式及憋壓值見表4。

表4 X2井候凝期間憋壓流程表

通過上述X1井和X2井對比分析如下：

X1井與X2井兩井水泥漿基本情況幾乎一致，僅憋壓候凝方式不同。X1井候凝第一階段，在注水泥作業(yè)完成后7.3 h憋壓6 MPa（相當于循環(huán)壓耗）；第二階段，在注水泥后11.3 h（尾漿水泥石起強度時間12.7 h）后補壓至12 MPa（尾漿中部靜膠凝強度）后降為8.9 MPa；第三階段，在注水泥后37.7 h（尾漿水泥石起強度時間30.5 h）后補壓至12 MPa（領漿中部靜膠凝強度），X1井固井質(zhì)量合格率81%，未發(fā)生氣竄。

X2井候凝僅進行了一次憋壓操作，在注水泥作業(yè)完成后6.2 h憋壓11 MPa，未進行補壓操作，X2井固井質(zhì)量合格率52.3%，候凝結束數(shù)天后，發(fā)生氣竄。

截至目前，該環(huán)空逐級憋壓候凝方法在川渝地區(qū)已共計應用17井次（表5），均未發(fā)生氣竄情況，且固井CBL檢測合格率大于90%有8井次，大于80%有3井次，大于70%有4井次，取得較好的效果。

表5 川渝地區(qū)應用情況統(tǒng)計表

4 結論

1）本文基于固井氣竄主要發(fā)生的因素分析，采取理論與實踐相結合，確定了一種在現(xiàn)場切實可行的環(huán)空憋壓方法。

2）基于水泥漿超聲縱波的傳輸時間及孔隙壓力變化確定水泥漿液-固態(tài)變化時間作為環(huán)空逐級憋壓候凝時間節(jié)點；分為3個階段，一階段（5 h內(nèi)），在注水泥作業(yè)完成后，憋壓注水泥過程中的摩阻；二階段（5～14 h范圍內(nèi)），在尾漿中部的水泥漿初凝后，憋壓尾漿失重的壓力；三階段（一般20～30 h之間，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)確定），在領漿中部初凝后，憋壓領漿的失重壓力；不漏失井或者承壓能力高的井可以考慮一次性憋壓到位。

3）基于水泥漿靜膠凝強度及水泥石強度發(fā)展時間確定憋壓值，同時考慮水泥漿在凝結過程中，塑性體壓力傳遞能力遠小于液體，需在計算的失重值上附加5～8 MPa，確保壓力傳遞到達未形成水泥石井深位置。