大庆深层气井防窜水泥浆固井技术研究 杨勇 摘要：针对大庆深井固井现状，研制出防气窜增韧水泥浆体系，提出与之配套的固井工艺技术。性能评价试验结果表明，该水泥浆体系防气窜性能良好，抗冲击功有显著提高。现场应用表明，采用该水泥浆体系并结合配套固井方案成功地解决了水泥浆因凝固失重及压裂带来的气窜问题，固井质量优质。 关键词：防气窜，增韧，固井，水泥浆 大庆深层气井井深一般在3150～5500 m之间，固井封固段长、地温梯度高，还需要对气层进行试气、压裂等作业，这就对水泥浆性能及固井施工有了更高的要求，必须保证全井段封固质量良好。目前大庆深层气井固井质量并不十分理想，2005年以来，相继发生了升深8井、升深2-17井、徐深10井在试气前发生环空窜气问题，徐深901井在压裂后出现环空窜气现象，影响了油气测试和产能建设。 针对大庆深层气井存在的气窜问题，优选出高温防气窜水泥外加剂及抗高温韧性填充材料，提高了水泥浆的防气窜能力、水泥石的韧性及抗冲击能力，并提出与之相配套的气井固井方案技术，实现了提高大庆深层气井固井工程质量的目标。 1 大庆深层气井固井水泥浆体系研究 1.1 高温防气窜增韧水泥浆体系应满足的条件 （1）水泥浆可泵性好，密度控制在1.90 g/cm3，流动度大于220 mm； （2）水泥浆的稠化时间可调，过渡时间小于15 min； （3）水泥浆具有较小的滤失量，失水量小于100ml/30min·6.9MPa； （4）抗压强度（48h×20.7MPa×180℃）大于25 MPa； （5）水泥浆处于失重状态时，水泥基质渗透性低，内部阻力大，能抵御气体的窜入； （6）抗冲击韧性好，冲击功比常规水泥石提高20%以上。 1.2 高温防气窜外加剂的选择 根据国内外现有外加剂的性能、使用状况及大庆深层气井钻井完井的特点、环空气窜的特性，经过大量室内试验及分析对比，考虑采用丁苯胶乳作为防气窜水泥浆的外加剂比较合适。 丁苯胶乳由无数橡胶粒子组成，随着水泥水化温度的升高，橡胶粒子与水分子、水泥中的SiO2、SO2形成了氢键、氧桥、和硫桥，构成了网架结构，聚结了比其它水泥外加剂高的能量，抗高温性得到提高。橡胶粒子堵塞和充填于水泥颗粒之间，在一定压差作用下聚结形成比较致密的硬胶饼，阻止水泥浆的失水，降低水泥石的渗透率，增大了气体进入水泥石的阻力。丁苯胶乳在水泥水化期间产生的絮凝物在水泥基质中聚结起来形成抑制渗透的胶乳膜，能防止气体侵入水泥浆柱。丁苯胶乳水泥在配制后一直保持低胶凝强度状态，充分传递水泥浆的液柱压力，随着时间的推移和温度的升高，胶凝强度迅速发展到240 Pa，形成直角胶凝，弥补了因水泥浆失重而产生的压力降低，达到防气窜的目的。 1.3 增韧材料的选择 为了更好地满足庆深气田气井固井的要求，在筛选了丁苯胶乳作为防气窜外加剂的基础上，根据超混复合材料原理，还选用了DZF-1作为防气窜水泥浆的增韧材料，来减小在射孔、压裂等作业产生的冲击载荷作用下，水泥石中初始微裂纹的迅速扩展与应力集中，防止形成大裂纹、裂缝而造成气体窜槽。 DZF-1是一种以低弹矿物纤维为主体的多种不同成分纤维的混合物，具有较高的抗拉强度，能对水泥石中缺陷的裂纹尖端应力场形成屏蔽，从而提高水泥石的断裂韧性和抗冲击性能。DZF-1与其他外加剂配伍性好，掺入DZF-1的水泥浆具有较好的相容性和较高的粘附性，能够形成高强度的水泥石。 1.4 大庆深层气井固井防气窜增韧水泥浆性能评价 根据大庆深层气井固井对水泥浆性能的要求，在室内进行了大量的配方筛选工作，确定了适用于大庆深层气井固井的水泥浆配方，通过实验证明筛选的高温防气窜增韧水泥浆能有效防止环空的气窜，保证气层的封隔质量。 1.4.1 大庆深层气井固井水泥浆的主要性能 表1 大庆深层气井固井水泥浆主要性能 密度 g/cm3 流动度 mm 滤失量 ml/30min·6.9MPa 稠化时间 min/150℃·90MPa 稳定性 g/cm3 游离液 ml 48h抗压强度 MPa 稠度系数 Pa·Sn 流性 指数 1.90 245 36 358 0.01 0 38.7 0.316 0.818 1.4.2 水泥浆防气窜性评价 采用水泥浆性能系数SPN来评价气窜，SPN值反映了水泥浆滤失量及水泥浆凝固过程阻力变化系数对防气窜的影响，其计算式为： （1） 式中：Q为API失水量，ml；t100、t30分别为稠度达到30和100 Bc的时间，min。SPN值评价水泥浆防气窜性能的标准为：0≤SPN≤3，防气窜性能好；3＜SPN≤6，防气窜性能中等；SPN＞6，防气窜性能差。由水泥浆性能系数公式可以看出，稠化过渡时间越短，失水量越小，SPN值越小，防气窜的能力越强。防气窜增韧水泥浆的SPN值如表2所示。由表2可知，该水泥浆体系具有良好的防气窜性能，配合其他的防窜措施，能满足固井时防窜的要求。 表2 防气窜增韧水泥浆的SPN值 项目 失水量/ml t30/min t100/min SPN 防气窜增韧水泥浆 36 347 358 1.926
1.4.3 水泥石韧性评价 冲击功是检验水泥石试样韧性的重要指标，水泥石试样的抗冲击功越大，其增韧效果也越好。水泥石在不同养护时间下的冲击功见表3。从表3可以看出：防窜增韧水泥石的冲击功较胶乳水泥石和原浆水泥石有明显增加，说明加入纤维后，由于纤维在裂缝处的桥接，使得裂纹的扩展受到抑制，同时纤维在拔出的过程中吸收了大量的能量，从而起到增韧的效果。 表3 水泥石韧性对比（180℃､21MPa） 试样 防气窜增韧水泥 胶乳水泥 G级水泥+砂 养护时间/h 24 48 24 48 24 48 冲击功/KJ·m-2 8.07 8.82 7.31 7.96 6.65 7.17 2 大庆深层气井固井工艺技术 针对大庆深层气井固井中存在的问题，对固井方案进行了改进： （1）尾管固井技术 尾管固井注水泥工艺，既可节省套管，又能改善管柱设计的轴向载荷，改善水力条件以及降低注水泥浆环空流动阻力，尾管悬挂器坐挂后，卡瓦悬挂处的最小流道面积不小于重迭段最小环隙面积的60%。但是尾管固井施工尾管挂处循环过水断面积小，对提高顶替效率不利，影响固井质量，同时套管内通井一钻通划眼都影响水泥石封固质量。 尾管座挂前要充分洗井，固井施工前根据顶替效率计算多余水泥浆及附加水泥浆使用缓凝前导水泥浆，确保钻杆能够顺利启出。尾管固井施工顶替钻井液时在钻杆胶塞与大胶塞复合处降低排量，保证大小胶塞顺利复合，以便顺利完成固井施工作业。 （2）双级注固井工艺技术 双级注水泥可以将一次长封固井划分为两次较短封固段固井作业，适用于深井长封固井作业，能减少一次注水泥固井施工难度，降低环空液柱压力，减少固井中发生漏失的可能性。双级注水泥可以分为淹没式连续双级注和间隔式双级注水泥。 淹没式连续双级注一级和二级之间没有间隔，为避免造成二级井眼钻井液钙侵，淹没式双级注固井一级水泥浆量尽量少附加，并且注入一定量缓凝前导水泥浆，以便打开双级箍后水泥浆顺利返出地面；在一级冲洗液中加入适量的稀释剂，抑制水泥浆污染程度；同时配套应用内置隔离液和压胶塞液。 3 现场应用 防气窜增韧水泥浆及配套的固井方案工艺技术于2007年在大庆深层气井固井中应用用，结果表明，该水泥浆的各项性能满足了深层气井固井施工的要求，固井质量全部合格，达到了提高固井质量、防止气窜的目的。固井数据见表4。 表4 大庆深层气井固井基本数据 序号 井号 井深m 固井工艺 封固高度m 水泥浆配方 顶替效率% 固井质量 1 徐深27 4180 油层双级 1630/1150 一级：高强低密度+8%石英砂+3%防腐剂+20%DHL+0.5纤维 二级：G级+3%膨胀剂+1%DSJ 95.4 合格 2 徐深141 4242 油层双级 1662/1180 一级：G级+25%石英砂+18%DHL+0.3%DQH-5 二级：G级+3%膨胀剂+6.5%DSHJ 98.05 合格 3 徐深43 3963 油层双级 1393/1070 一级：高强低密度+8%石英砂+20%DHL+0.1%DQH-5 二级：G级+3%膨胀剂+6.5%DSHJ 94.5 合格 4 汪深102 3422 油层双级 1200/622 一级：高强低密度+20%DHL+0.07%DQH-4 二级：G级+25%石英砂+18%DHL+0.09%DQH-4 96.1 合格 5 徐深213 4370 油层双级 1650/1220 一级：高强低密度+8%石英砂+3%DCR+20%DHL+1.5%膨胀剂二级：G级+3%膨胀剂+6.5%DSHJ+0.04% DQH-4 94.9 合格 6 徐深13-1 4415 常规 1815 高强低密度+8%石英砂+20%DHL 98.5 合格 4 认识及结论 （1）防气窜增韧水泥浆失水量低，稠化过渡时间短，失重时基质渗透性低，内部阻力大，防窜性能良好。 （2）水泥石塑性高、脆性小，具有一定的抗冲击韧性，减小了井下作业（射孔、压裂等）对水泥环的损伤。 （3）在庆深气田采用防气窜增韧水泥浆和配套的固井方案技术，保证了在水泥浆失重时对气层的压稳，防止了环空气窜的发生，解决了庆深气田气井气窜问题，具有较好的应用前景。 参考文献 [1] 钻井手册（甲方）上册．北京：石油工业出版社，1990 [2] 路俊刚，郭小阳，杨香艳等．胶乳水泥体系的室内研究[J]．西部探矿工程，2002(2)：78—80 [3] 徐至钧．纤维混凝土技术及应用[M]．北京：中国建筑工业出版社，2003 [4] 曾庆敦．复合材料的细观破坏机制与强度[M]．北京：科学出版社，2002
