水泥漿防氣竄關鍵性能及防氣竄能力評價方法

任秋璇，胡倩，蔣中晟(川慶鉆探工程有限公司井下作業公司，四川 成都 610025)

0 引言

在油田鉆井技術的開發工作中，為了有效提升油氣井固井的質量，需要結合水泥特性、水泥漿流動規律、壓力平衡、井身質量等方面因素，進行優化設計，提高固井質量[1]。通過加強對水泥漿防氣竄關鍵性能以及防氣竄能力方法的研究，可以有效提升防氣竄工作的效果，提高固井質量，保證油井開采效率。

1 環空氣竄的危害和途徑

1.1 環空氣竄的危害

固井后環空氣竄是指在注水泥結束之后，水泥漿會由液態逐步轉化為固態，由于水泥漿不能保持對空氣的壓力，或是水泥漿竄槽等原因，導致膠結質量較差，從而使氣層氣體竄入到水泥石基體、水泥與套管水泥與井壁之間的間隙等空間，造成空氣層間互竄，或竄入井口[2]。在當前的固井工藝中，固井后的環空氣竄是一個重大的難題，若固井后發生環空氣竄，會造成以下幾方面的危害：(1)導致水泥石的膠結強度降低，造成層間竄流的問題，對油氣層的測試評價造成不利影響，對油氣層造成污染，進而導致油氣的采收率下降。(2)對油井開發的后續造成不利影響，不利于注水、酸化壓裂和分層開采等工藝進行，嚴重時可能會造成井口冒油、冒氣等問題，甚至導致固井后井噴事故的出現，威脅生產的安全。(3)如果出現嚴重的環空氣竄，可能會造成油氣井報廢，造成巨大的經濟損失和資源浪費。(4)會導致流體侵蝕和腐蝕套管，影響套管的強度，導致其使用壽命下降。

1.2 環空氣竄的途徑

研究認為，導致環空氣竄的原因主要有以下三個：(1)頂替效率不高會導致水泥漿出現竄槽的問題，在水泥膠凝、脫水和收縮的過程中，會形成氣竄的通道，從而導致氣竄的發生。(2)水泥石與套管和水泥石和地層之間存在微環隙，導致出現氣竄。導致出現微環隙的原因主要有三個，分別是水泥凝固時發生的化學收縮、水泥漿自由水析和溫度壓力變化[3]。(3)水泥漿始終也會導致環空氣竄的發生。

2 影響水泥漿防氣竄關鍵性能的主要指標

2.1 密度

在水泥漿注替以及凝固處理的過程中，就會出現相應的竄流現象。其中水泥的密度是一個關鍵性的影響因素，因此在水泥漿注漿以及所產生的井液柱壓力與流動阻力的過程中，就會出現有流動性的地層流體壓力，這樣在小于地層壓力的情況下，就會出現有相應的破裂壓力等現象，從而產生竄流的現象。其中，在水泥漿的組成過程中，主要包括在水泥、配漿水、外加劑等方面的材料，這些材質的密度會對整個防氣竄的性能形成相應的影響，并且對水泥漿的整個密度都有很大的反作用。其中，可以通過改變水灰比等方式，形成對整個密度的整體調節，因此在整個漿體的控制中，要嚴格注意相應的密度[4]。

2.2 失水

在水泥漿主體注替過程中，受到水泥漿壓差的作用，會形成約束自由水的能力。相關的研究結果表明，如果在水泥漿施工過程中，沒有對濾失速率進行嚴格控制，在水泥漿頂替到位以后，在比較短的時間內就會形成快速反應，出現縮水反應以后，環空液柱壓力和地層壓力之間的平衡就會受到一定的影響，進而對固井質量產生不利的影響。當失水現象出現以后，受到失水的影響，氣層上會出現橋堵的問題，導致壓力的正常傳遞不能夠實現。在橋堵點以下的位置，水泥漿會保持液體的形態，環空壓力會小于地層壓力，在這種情況下會出現地層流體環空性入侵的情況出現，這對整個固井施工工藝造成不利的影響，影響施工的質量。

2.3 失重

在水泥漿防氣竄工作中，若水泥漿出現失重的問題，可能會導致固井施工過程中出現地層立體入侵的情況，對水泥漿柱的完整性造成不利的影響，還可能會導致水泥漿環空竄流的問題出現，極大影響固井的質量，因此做好失重問題的控制是水泥漿防氣竄工作中非常重要的步驟。失重問題的出現可能是由于膠凝而引起的，膠凝引起失重以后，在物理作用和化學作用的雙重作用下，水泥漿會從液體逐步轉化成液體。在這個轉化過程中，水泥漿會以兩種形式共同存在。此時在網架等結構的作用下，一些水泥漿的重量會懸掛在井壁以及套管等之上，水泥漿的重量被這些結構分擔，其在地層中的壓力作用就會降低，這可能會造成竄流問題的出現。此外，橋堵也會引起失重問題的出現，在水泥漿的施工過程中，失水之后會形成水泥餅，在鉆井過程中會產生巖石和碎屑等。在施工過程中受到這些因素的影響，滲透層井徑間隙較小時，會出現橋堵的問題。在出現橋堵之后，橋堵部分注漿的壓力就不能被有效地傳遞到下部的地層之中，特別是當水泥漿體積減少時，會生成靜液柱壓力，受到這兩方面因素的雙重作用，會造成竄流現象的出現，對固井質量造成比較大的影響。

2.4 靜膠凝強度過渡時間

水泥漿凝固需要一定的時間，在這個時間段內，水泥漿存在一個由液體向著固態轉變的使時期，在這個使其水泥漿不是完全的固態，也不是完全的液態，這個時期被稱為靜膠凝強度過渡時間。在這個時期，由于水泥漿的狀態，會對液柱壓力的傳遞效果造成明顯的限制，導致水泥漿出現壓力明顯下降的問題，同時也會造成水泥漿內部出現滲透性不好的問題。在這樣的情況下，氣體不能形成有效的運移，進而導致竄流問題的出現。相關研究結果顯示，通過對多組不同水泥漿體系失重或者竄流的試驗過程中，在水泥漿靜止之后，10 min內靜膠凝強度就會呈現出相應的變化，特別是當壓力處于10～50 Pa 的過程中，會有明顯的失重情況出現，進而可能導致氣竄等問題；當壓力不斷上升，達到130～220 Pa之后，隨著壓力的上升，水泥漿能夠良好地阻止竄流問題的出現。基于上述研究可知，水泥漿靜膠凝強度過渡時間越短，越能夠形成結構全面發展的水泥漿。在這樣的情況下，可以有效避免竄流情況的出現，保證固井的質量。

3 防氣竄能力評價的有效方法

3.1 沉降穩定性的評價

在對水泥漿進行沉降穩定性的評價工作中，首先要對水泥漿進行綜合管理，做好養護工作；然后在養護好的水泥漿中隨機選擇樣品，選擇500 mL水泥漿，用量筒乘取，并且放置2 h。在2 h以后，將量筒上部和下部的水泥漿分別倒入到強度試模中，對其進行養護。此時，利用凝固時間，以及其他一些相關角度測量出來的數據，計算出水泥漿密度。在上下部水泥漿石磨塊的換算密度中，能夠形成對防氣竄相關因素的整體運行。在整個計算過程中，能夠實現對塑性膨脹防氣竄水泥漿體系形成沉降穩定性的控制。當自由液的數值達到0時，根據相關數據，可以對水泥漿整體防氣竄的綜合性能進行計算，獲得水泥漿防氣竄的能力，對其能力進行綜合性的評價。

3.2 韌性與膨脹評價的運用

在水泥漿防氣竄方法中韌性與膨脹評價具有重要應用。韌性與膨脹評價是一種綜合性的評價方式，應用了材料的彈性形成模量控制方式，相關的地質狀況和整體性能技術，在具體的應用中，按照材料彈性模量越小或泊松比越大其韌性越好原則，使用三軸應力實驗儀和水泥石膨脹收縮儀對水泥石彈性模量和膨脹性進行測試，基于測試結果，對水泥漿的防氣竄能力進行評價。塑性膨脹防氣竄水泥漿體系的彈性模量較常規體系降低了18.3%，具有更好的塑性。同時該體系不發生體積收縮，膨脹率3.41%。

3.3 現場綜合評價的全面運用

塑性膨脹防氣竄水泥漿體系已經進行了很多的應用實踐，舉例來說。在XX8-11、XX8004 等多口井油層套管固井中，都應用了塑性膨脹防氣竄水泥漿體系，獲得了很好的效果，總體來說，具有較好的合格率，可以很好地滿足水平井分段壓裂投產施工要求。如XX8-11井，具體參數如下：完鉆井深7420m，5-1/2″尾管下深7418m。通過應用塑性膨脹防氣竄水泥漿體系，結合其他一些工藝技術，包括水平井前置液性能優化、細化固井施工工藝等技術措施，有效地提高了固井的質量。結果顯示，該固井質量合格率達90.24%，優良率72.98%。該井分段壓裂施工，在井口油壓最高 93.057 MPa、套壓 35.095 MPa下投產至今未發生環空氣竄現象。有效地保證了油井開采的效率，提高了企業的經濟效益。

4 結語

在通過應用先進的技術手段、合理的試驗方式，結合水泥漿的性能，以及和其他材料之間的配合關系。對水泥漿防氣竄關鍵性能和評價方式進行研究，可以更深入地了解水泥漿防氣竄關鍵性能，并且更好地進行水泥漿防氣竄能力評價，從而優化水泥漿防氣竄能力，提高固井質量，為油氣田的高效開采提供質量保證。