表層套管固井低剪切速率對(duì)水泥漿性能的影響
——以厄瓜多爾安第斯區(qū)塊為例

唐 凱,陳小榮,李志宏

(1.中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院 ,陜西西安 710018;2.低滲透油氣田勘探開(kāi)發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室,陜西西安 710018)

厄瓜多爾安第斯區(qū)塊表層固井采用φ406.4 mm井眼下φ339.7 mm套管,井深為1 500～2 000 m。固井主要應(yīng)用A級(jí)油井水泥,固井頂替過(guò)程中有時(shí)出現(xiàn)壓力異常升高現(xiàn)象,通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)水泥樣品進(jìn)行復(fù)核實(shí)驗(yàn)及水泥漿相容性實(shí)驗(yàn),稠化時(shí)間均滿足施工需求。為提高水泥漿頂替效率,表層固井采用變排量頂替工藝塞流頂替,固井注替過(guò)程中水泥漿環(huán)空返速較小,實(shí)驗(yàn)室水泥漿稠化實(shí)驗(yàn)漿葉攪拌轉(zhuǎn)速為150 r/min,水泥漿剪切速率與現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)的剪切速率存在較大差異,通過(guò)模擬現(xiàn)場(chǎng)施工條件下剪切速率進(jìn)行稠化實(shí)驗(yàn),水泥漿稠化時(shí)間大幅縮短,為后期水泥配方調(diào)整提供依據(jù),解決了固井頂替壓力異常升高問(wèn)題[1-5]。

1 頂替壓力異常原因分析

厄瓜多爾安第斯區(qū)塊表層固井出現(xiàn)3次頂替過(guò)程中壓力異常升高現(xiàn)象,以JOHANNA ESTE XX井為例進(jìn)行分析。表層井深2 015 m,采用一次上返方式固井,水泥漿返至井口,設(shè)計(jì)領(lǐng)漿108 m3,密度1.60 g/cm3,稠化時(shí)間330 min;尾漿20 m3,密度 1.86 g/cm3,稠化時(shí)間210 min,設(shè)計(jì)替量155.6 m3,固井頂替至143.0 m3時(shí)壓力升高至16.4 MPa,較模擬壓力增加8.0 MPa,井口返出正常,頂替至154.0 m3時(shí)壓力上升到19.3 MPa,較模擬壓力增加9.3 MPa,頂替終了壓力為20.5 MPa,較模擬壓力增加10.0 MPa。從開(kāi)始注領(lǐng)漿到施工結(jié)束用時(shí)210 min,開(kāi)始注尾漿到施工結(jié)束用時(shí)120 min。取現(xiàn)場(chǎng)水樣及灰樣進(jìn)行復(fù)合稠化實(shí)驗(yàn),領(lǐng)漿稠化時(shí)間325 min,可泵時(shí)間284 min,尾漿稠化時(shí)間215 min,可泵時(shí)間183 min,稠化時(shí)間滿足現(xiàn)場(chǎng)施工需求。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)用鉆井液和隔離液進(jìn)行水泥漿污染稠化實(shí)驗(yàn),水泥漿/鉆井液為95/5和75/25時(shí)稠化時(shí)間分別為300 min和360 min,均大于現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)間。

黃柏宗等人研究表明,當(dāng)溫度低于52 ℃時(shí),包括氯化鈣、氯化鈉、偏硅酸鈉及火山灰低密度水泥漿在內(nèi)的體系,降低剪切速率后稠化時(shí)間縮短,這4類水泥漿體系的稠化時(shí)間對(duì)剪切速率的變化很敏感。當(dāng)用API方法測(cè)定這4類水泥漿體系的稠化時(shí)間時(shí),在施工中很可能出現(xiàn)提前稠化的固井事故[6]。厄瓜多爾表層固井采用A級(jí)油井水泥,水泥漿體系中添加了早強(qiáng)劑。分析認(rèn)為,由于現(xiàn)場(chǎng)頂替排量小,水泥漿上返時(shí)剪切速率低,水泥漿實(shí)際稠化時(shí)間小于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)稠化時(shí)間,需開(kāi)展低剪切速率下水泥漿稠化實(shí)驗(yàn),模擬實(shí)際工況條件下水泥漿稠化規(guī)律。

2 現(xiàn)場(chǎng)施工及稠化實(shí)驗(yàn)水泥漿剪切速率

2.1 現(xiàn)場(chǎng)施工水泥漿剪切速率

(1)

(2)

(3)

式中:n為水泥漿流性指數(shù);Dh為井眼直徑,m;Dp為套管外徑,m;Deff為環(huán)空的等效直徑(非牛頓流體),m;Q為注替排量,m3/min;v為平均流速,m/s;Vsr為剪切速率,s-1。

厄瓜多爾安第斯區(qū)塊表層固井采用φ406.4 mm井眼下φ339.7 mm套管,頂替排量為1.8 m3/min～1.2 m3/min～1.0 m3/min,領(lǐng)漿的流性指數(shù)n為0.62,尾漿流性指數(shù)n為0.81,根據(jù)式(1)計(jì)算出水泥漿不同頂替排量時(shí)的水泥漿的剪切速率,結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同頂替排量對(duì)應(yīng)稠化儀轉(zhuǎn)速

2.2 稠化實(shí)驗(yàn)中水泥漿的剪切速率

水泥漿的稠化時(shí)間通過(guò)增溫增壓稠化儀測(cè)定,《油井水泥》GB/T10238-2015規(guī)定稠化儀有一個(gè)旋轉(zhuǎn)圓筒式漿杯,漿杯內(nèi)徑為75.95 mm,深度為116.33 mm,其內(nèi)配有可固定式拌合漿葉總成。漿葉由2個(gè)垂直的葉片組成,漿葉外邊緣直徑 91.42 mm,漿葉與漿杯成30°。漿葉中心軸直徑9.4 mm,上面連接4個(gè)附加的水平葉片,與垂直葉片所在平面相互垂直,所有的水平葉片都傾斜20°,便有較好的攪拌效果[11-12]。這一構(gòu)型與API規(guī)范10A基本相同,由于稠化儀漿葉的物理特征,其剪切速率關(guān)系不可能在數(shù)學(xué)上以轉(zhuǎn)速的函數(shù)確定。

D.L.PURVIS等人研究表明,螺旋漿葉可以充分?jǐn)噭?dòng)水泥漿以保持其均質(zhì)性,并可兼容增溫增壓稠化儀,且在不同轉(zhuǎn)速下測(cè)得的多種水泥漿的稠度和稠化時(shí)間與API漿葉十分接近。因此用螺旋漿葉代替API稠化儀漿葉。將稠化儀中剪切速率與漿杯內(nèi)徑、漿葉外邊緣直徑、漿葉中心軸直徑、漿杯轉(zhuǎn)速及水泥漿流行指數(shù)建立數(shù)學(xué)關(guān)系(為計(jì)算方便引入Cr1=0.101 8/n+0.898 2,Cr2=1.223 1+∑/3-∑3/45+2∑5/945+2∑7/4 725,∑=0.334 7/n-0334 7作為中間計(jì)算量),計(jì)算公式如下:

(4)

Cr=Cr1Cr2

(5)

式中:Cr為校正因子;R為稠化儀轉(zhuǎn)速,r/min。

根據(jù)式(4)計(jì)算厄瓜多爾表層固井用領(lǐng)漿及尾漿在現(xiàn)場(chǎng)施工頂替排量條件下水泥漿剪切速率所對(duì)應(yīng)稠化實(shí)驗(yàn)漿葉轉(zhuǎn)速(表1),頂替排量1.0～1.8 m3/min時(shí)的水泥漿剪切速率對(duì)應(yīng)的增壓稠化儀轉(zhuǎn)速只有8～18 r/min,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于GB/T10238-2015標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的轉(zhuǎn)速150 r/min。

3 低剪切速率對(duì)水泥漿性能的影響實(shí)驗(yàn)

3.1 低剪切速率對(duì)水泥漿稠化影響實(shí)驗(yàn)

3.1.1 低剪切速率條件下水泥漿稠化時(shí)間變化

安第斯區(qū)塊表層固井主要應(yīng)用A級(jí)油井水泥,對(duì)JOHANNA ESTE XX井領(lǐng)漿和尾漿開(kāi)展不同剪切速率條件下水泥漿稠化實(shí)驗(yàn)。領(lǐng)漿配方:A級(jí)油井水泥+膨潤(rùn)土+增強(qiáng)劑G401A1+緩凝劑G407R1,水泥漿密度1.63 g/cm3,流性指數(shù)n為0.62;尾漿配方:A級(jí)油井水泥+分散劑G408FCJ+增強(qiáng)劑G406A2+緩凝劑G407R1,水泥漿密度1.86 g/cm3,流性指數(shù)n為0.81;根據(jù)GB/T19139-2012標(biāo)準(zhǔn)配置水泥漿,在50 ℃及21.0 MPa條件下,以不同稠化儀轉(zhuǎn)速條件下進(jìn)行稠化實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同水泥漿體系稠化實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表2可知,在低轉(zhuǎn)速條件下領(lǐng)漿和尾漿稠化時(shí)間均大幅縮短。對(duì)比低轉(zhuǎn)速條件下水泥漿稠化時(shí)間與標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速150 r/min時(shí)水泥漿稠化時(shí)間得到稠化時(shí)間變化率,其中領(lǐng)漿稠化時(shí)間變化率34.4%,高于尾漿稠化時(shí)間變化率21.2%。領(lǐng)漿在剪切速率為29 s-1時(shí)稠化時(shí)間較剪切速率為554 s-1時(shí)縮短了130 min,可泵時(shí)間只有182 min,少于現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)間210 min,沒(méi)有足夠安全可泵時(shí)間,無(wú)法滿足現(xiàn)場(chǎng)施工需求。尾漿在剪切速率為32 s-1時(shí)可泵時(shí)間為136 min,大于現(xiàn)場(chǎng)注尾漿后施工時(shí)間120 min,現(xiàn)場(chǎng)施工水泥漿注入和前期頂替施工排量較大,剪切速率大于32 s-1,尾漿實(shí)際稠化時(shí)間大于剪切速率為32 s-1時(shí)稠化時(shí)間,在低環(huán)空返速下有足夠的安全可泵時(shí)間。現(xiàn)場(chǎng)施工頂替時(shí)壓力提前升高是因?yàn)榈图羟兴俾氏骂I(lǐng)漿稠化時(shí)間大幅縮短,施工時(shí)水泥漿提前稠化所致。

3.1.2 低剪切速率條件下水泥類型對(duì)稠化時(shí)間的影響

為驗(yàn)證在低剪切速率條件下不同類型水泥對(duì)水泥漿稠化時(shí)間的影響,對(duì)A級(jí)和G級(jí)油井水泥漿開(kāi)展不同轉(zhuǎn)速條件下稠化實(shí)驗(yàn),配方分別為G級(jí)油井水泥+44%水(n為0.39);A級(jí)油井水泥+46%水(n為0.45),分別對(duì)兩種水泥漿在52 ℃和 35.6 MPa 及45 ℃和32.0 MPa條件下進(jìn)行不同轉(zhuǎn)速稠化實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同轉(zhuǎn)速水泥漿稠化實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表3可知,不同類型水泥漿在稠化儀轉(zhuǎn)速為10 r/min時(shí)水泥漿剪切速率相近,但是水泥漿稠化時(shí)間變化幅度不同。G級(jí)油井水泥轉(zhuǎn)速為10 r/min時(shí)稠化時(shí)間較150 r/min時(shí)減少8 min,稠化時(shí)間變化率為7.0%,變化幅度較小。而A級(jí)油井水泥在稠化儀轉(zhuǎn)速為10 r/min時(shí)稠化時(shí)間較150 r/min時(shí)減少27 min,稠化時(shí)間變化率為25.5%,水泥漿隨剪切速率降低,稠化時(shí)間大幅縮短。剪切速率對(duì)不同類型水泥的水泥漿稠化時(shí)間影響效果區(qū)別較大,A級(jí)油井水泥稠化時(shí)間變化率遠(yuǎn)高于G級(jí)油井水泥。

3.1.3 低剪切速率條件下增強(qiáng)劑對(duì)水泥漿稠化性能影響

在A級(jí)油井水泥中添加早強(qiáng)劑,開(kāi)展不同稠化儀轉(zhuǎn)速條件下水泥漿稠化實(shí)驗(yàn),早強(qiáng)劑G406A2加量分別為水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)的0.5%和1.0%。實(shí)驗(yàn)條件為50 ℃和25.0 MPa,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 水泥漿稠化實(shí)驗(yàn)結(jié)果

早強(qiáng)劑加量為0.5%時(shí),水泥漿稠化時(shí)間及低剪切速率下稠化時(shí)間和水泥漿凈漿稠化時(shí)間基本相同,此時(shí)早強(qiáng)劑對(duì)水泥漿低剪切速率下稠化時(shí)間影響不大。當(dāng)早強(qiáng)劑加量為1.0%時(shí),各剪切速率條件下水泥漿稠化時(shí)間較凈漿均有所縮短,低剪切速率下稠化時(shí)間變化率和水泥漿凈漿基本相同。現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)早強(qiáng)劑G406A2加量為0.5%,低剪切速率下對(duì)水泥漿稠化時(shí)間影響不大。

3.1.4 低剪切速率條件下緩凝劑對(duì)水泥漿稠化性能的影響

在緩凝劑加量不變的條件下,分別對(duì)添加改性淀粉類緩凝劑G407R1和有機(jī)膦酸性鹽類緩凝劑G421R3的水泥漿進(jìn)行不同剪切速率下水泥漿稠化實(shí)驗(yàn),基礎(chǔ)配方為A級(jí)油井水泥+緩凝劑+46%水,實(shí)驗(yàn)條件為50℃和25.0 MPa,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。

由圖1可知,在低轉(zhuǎn)速條件下添加緩凝劑的水泥漿稠化時(shí)間依然呈減小趨勢(shì),稠化時(shí)間變化率和純水泥比較有所降低,在稠化儀轉(zhuǎn)速10～40 r/min時(shí)添加緩凝劑G421R2的水泥漿稠化時(shí)間變化率小于添加G407R1的水泥漿,表明不同類型緩凝劑在低剪切速率下對(duì)水泥漿稠化時(shí)間影響效果不同。

3.1.5 低剪切速率條件下外摻料對(duì)水泥漿稠化性能的影響

厄瓜多爾安第斯區(qū)塊表層固井領(lǐng)漿主要應(yīng)用膨潤(rùn)土水泥漿體系,水泥漿密度1.55～1.65 g/cm3,分別以膨潤(rùn)土、粉煤灰作為減輕材料配置密度為1.60 g/cm3的水泥漿,開(kāi)展不同剪切速率稠化實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)條件為50 ℃和25.0 MPa,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 不同減輕劑水泥漿稠化實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖2可知,添加不同外摻料的A級(jí)油井水泥低密度水泥漿,隨稠化儀轉(zhuǎn)速降低稠化時(shí)間逐漸減少,其中稠化儀轉(zhuǎn)速為10 r/min時(shí)膨潤(rùn)土水泥漿體系稠化時(shí)間變化率33%,遠(yuǎn)高于粉煤灰水泥漿體系的16.6%,表明膨潤(rùn)土在低剪切速率條件下對(duì)水泥漿稠化時(shí)間影響大于粉煤灰。

3.2 剪切速率對(duì)水泥漿穩(wěn)定性的影響實(shí)驗(yàn)

按照GB/19139方法配制水泥漿,將配制好的水泥漿置于增壓稠化儀漿杯中,按50 ℃和25.0 MPa的實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行升溫,在不同轉(zhuǎn)速下進(jìn)行水泥漿養(yǎng)護(hù),溫度壓力穩(wěn)定后繼續(xù)攪拌30 min。泄壓取出漿杯,打開(kāi)杯蓋,吸去水泥漿表面的浮油,將水泥漿分別倒入250 mL量筒和沉降管內(nèi),在50 ℃常壓條件下按GB/19139方法測(cè)量水泥漿游離液和水泥石上下密度差。以轉(zhuǎn)速10、50、100、150 r/min養(yǎng)護(hù)后,水泥漿體游離液分別為0.2%、0.2%、0.2%、0.2%。上下密度差分別為0.01、0.02、0.01、0.01 g/cm3。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,不同轉(zhuǎn)速條件下養(yǎng)護(hù)的水泥漿穩(wěn)定性基本一致,低剪切速率對(duì)水泥漿穩(wěn)定性無(wú)不利影響,現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)低排量頂替對(duì)水泥漿穩(wěn)定性影響不大。

3.3 剪切速率對(duì)水泥抗壓強(qiáng)度的影響實(shí)驗(yàn)

按照GB/19139方法配制水泥漿,將配制好的水泥漿置于增壓稠化儀漿杯中,按50 ℃/25.0 MPa實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行升溫,在不同轉(zhuǎn)速下進(jìn)行水泥漿養(yǎng)護(hù),溫度壓力穩(wěn)定后繼續(xù)攪拌30 min。泄壓取出漿杯,打開(kāi)杯蓋,吸去水泥漿表面的浮油。將養(yǎng)護(hù)后的水泥漿裝入仟德樂(lè)靜膠凝強(qiáng)度測(cè)試儀,在60 ℃/21.0 MPa條件下測(cè)定水泥漿抗壓強(qiáng)度,抗壓強(qiáng)度測(cè)試統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖3可知,攪拌速率對(duì)水泥石抗壓強(qiáng)度影響不大,經(jīng)稠化儀養(yǎng)護(hù)的水泥漿強(qiáng)度比未養(yǎng)護(hù)的水泥漿稍高。圖4中左圖為50 r/min轉(zhuǎn)速條件下攪拌30 min水泥石掃描電鏡照片,右圖為未進(jìn)行攪拌養(yǎng)護(hù)水泥石掃描電鏡照片。左圖中水泥石結(jié)構(gòu)更加致密,氣泡較少,表明水泥漿經(jīng)過(guò)稠化儀攪拌養(yǎng)護(hù)水泥顆粒能更充分地與自由水接觸,水泥漿勻質(zhì)性更好,增加了內(nèi)部離子的運(yùn)移速度,從而在早期可生成更多的水化產(chǎn)物[13-16]。

圖3 不同剪切速率水泥石抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)

圖4 不同養(yǎng)護(hù)條件水泥石掃描電鏡照片

3.4 改進(jìn)措施

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,低剪切速率條件下A級(jí)油井水泥、緩凝劑G407R1、膨潤(rùn)土對(duì)水泥漿稠化時(shí)間性能影響較大,但安第斯區(qū)塊G級(jí)油井水泥和粉煤灰成本較高。為節(jié)約成本,表層套管固井不得不采用A級(jí)油井水泥和膨潤(rùn)土。為改善低環(huán)空返速下領(lǐng)漿稠化時(shí)間縮短對(duì)固井施工的影響,對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行調(diào)整。方案1:領(lǐng)漿稠化時(shí)間設(shè)計(jì)值增加1.0～1.5 h,保障領(lǐng)漿有足夠安全可泵時(shí)間;方案2:G421R2在低剪切速率條件下對(duì)水泥漿稠化時(shí)間影響相對(duì)較小,使用G421R2作為緩凝劑減小低剪切速率水泥漿稠化時(shí)間變化。對(duì)兩種方案進(jìn)行水泥漿綜合性能評(píng)價(jià),水泥漿稠化時(shí)間實(shí)驗(yàn)條件為50 ℃/25.0 MPa,抗壓強(qiáng)度和游離液養(yǎng)護(hù)條件為45 ℃/常壓,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 水泥漿綜合性能

兩種設(shè)計(jì)方案雖然在低轉(zhuǎn)速下稠化時(shí)間均能保障固井施工安全,但緩凝劑G421R2在低溫條件下對(duì)水泥石抗壓強(qiáng)度影響較大,方案2的水泥石抗壓強(qiáng)度較低。后續(xù)施工采用原水泥漿體系配方,把領(lǐng)漿稠化時(shí)間設(shè)計(jì)值增加1.0～1.5 h,并提高頂替排量,增加水泥漿上返時(shí)剪切速率。完成5口井固井施工,未發(fā)生頂替壓力異常升高現(xiàn)象。

4 結(jié)論

1)A級(jí)油井水泥漿體系在低返速條件下固井時(shí)水泥漿稠化時(shí)間大幅縮短,易發(fā)生頂替過(guò)程中壓力升高和留水泥塞問(wèn)題,水泥漿設(shè)計(jì)需適當(dāng)增加安全時(shí)間或在低剪切速率條件下進(jìn)行稠化時(shí)間測(cè)定。

2)低返速條件下A級(jí)油井水泥漿體系穩(wěn)定性基本不受影響,抗壓強(qiáng)度稍有提高。

3)G級(jí)油井水泥漿和A級(jí)油井水泥漿在低剪切速率條件下稠化時(shí)間變化幅度不同,加有不同添加劑的水泥漿體系在低剪切速率條件下的稠化時(shí)間變化幅度不同,大尺寸套管或小間隙固井應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇合適轉(zhuǎn)速進(jìn)行稠化實(shí)驗(yàn)。