【文章內(nèi)容簡介】 在體系濾失量難以控制的情況下，如體系中含有大量自由水的低密度水泥漿，和用粗顆粒材料配制的水泥漿，即可 通過在體系中摻人適當(dāng)比例的微硅而提高體系的濾失控制能力 。 15 三、 研究的目的意義與方法步驟 （一）、研究的目的意義 老 168 區(qū)塊地層壓力比較活躍，井下動態(tài)干擾較明顯，地層孔隙大、滲透性強(qiáng)，固井作業(yè)時既可能發(fā)生井漏，又可能因水泥漿的失重而引起油、氣竄，影響水泥環(huán)的膠結(jié)質(zhì)量；該地區(qū)井下地層水發(fā)育，往往是油層上下均存在不同的水層，在固井過程中，由于水層的干擾，造成水竄影響水泥石的強(qiáng)度，嚴(yán)重時影響固井質(zhì)量；且該地區(qū)地層水礦化度較高，對油層套管及水泥石有較強(qiáng)的腐蝕作用。因此要想成功完成此類復(fù)雜地層的固井施工，就必須建 立完善的低滲透抗竄塑性水泥漿體系和強(qiáng)膠凝水泥漿體系以及適用于該類型井的配套固井技術(shù)措施。為此，急需針對該地區(qū)地質(zhì)特征和固井難點(diǎn)，開展對老 168 區(qū)塊的固井技術(shù)研究，通過課題研究，研制開發(fā)適合老 168 區(qū)塊的低滲透塑性水泥漿體系，制定出一套較完善現(xiàn)場施工工藝技術(shù)措施，有效地解決老 168 區(qū)塊復(fù)雜的固井工藝問題，為在老油區(qū)復(fù)雜區(qū)塊的完井提供有效的技術(shù)支持。本項目的研究內(nèi)容所涉及的內(nèi)容推廣前景非常廣闊，因此開展本項目的研究有著非常深遠(yuǎn)的意義。 （二）、 水泥漿 方案設(shè)計、選擇： 老 168 區(qū)塊固井難點(diǎn)： 以 老 168 區(qū)塊 的基本 情況 為依據(jù) ，我們分析老 168 區(qū)塊固井施工面臨的主要難點(diǎn)有以下幾點(diǎn)： ⑴．井斜角較大，位移較大，對水泥漿性能要求較高 ⑵．由于地層疏軟和井徑不規(guī)則，在保證套管安全下入的前提下，使扶正器下入數(shù)量受到限制，難以保證居中度大于 67%。 ⑶． 巖屑和鉆井液固相沉積，形成固井沉積帶，而沉積帶很難被完全清楚干凈，從而影響界面膠結(jié)質(zhì)量。 ⑷．地層水礦化度高，對油井套管及水泥環(huán)的腐蝕性強(qiáng) ⑸．地層流體較活躍，動態(tài)干擾嚴(yán)重，影響水泥環(huán)的膠結(jié)質(zhì)量。 針對上述老 168 區(qū)塊面臨的固井難點(diǎn)，我們反復(fù)分析研究后決定采用低滲透微膨脹塑 性水泥漿進(jìn)行施工，因此我們首先在理論層面上對水泥漿滲透性及油氣 16 竄流原因進(jìn)行了分析。 滲透性原因分析： 絕大多數(shù)有害的地下水、流動水、溶液、氣體等介質(zhì)，都是從水泥漿體或水泥石的空縫滲入的。當(dāng)液相介質(zhì)進(jìn)入固結(jié)體一類的多孔材料時，開始的滲透速率取決于水壓以及毛細(xì)管力的大小。待固結(jié)體達(dá)到水飽和，使毛細(xì)管力不再存在以后，就達(dá)到了一個穩(wěn)定流動的狀態(tài)，其滲水速率可用已知公式表示為： dq/dt=K*A*(Δ h/L) 式中： dq/dt－滲水速率， mm3/s； A－試件的橫截面積， mm； Δ h－作用于試件兩側(cè)的壓力差， mm； L－試件的厚度， mm； K－滲率系數(shù)， mm/s； K=C*(ε *γ 2/η )。 ε 總孔隙率；γ－孔的水力半徑；η－流體的粘度； C－常數(shù)。 可見當(dāng)試件的尺寸和兩側(cè)壓力差一定時，滲水速率和滲透系數(shù)成正比，而滲透系數(shù) K 正比于孔隙半徑的平方，與總孔隙率卻只有一次方的正比關(guān)系，因此孔徑的尺寸是影響滲透性的一個主要原因。 高壓流體竄原因分析： ⑴． 高壓流體竄過程中的壓力變化 高壓流體竄是指，固井過程中井下油、水、氣竄入水泥漿體。為了詳 細(xì)了解固井過程中高壓流體竄過程中的壓力變化，我們進(jìn)行了固井模擬實驗。實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水泥漿剛處于靜止?fàn)顟B(tài)下，由于水泥漿仍處于液體狀態(tài)，環(huán)空壓力不變；而當(dāng)水泥漿初凝前后，由于水泥漿膠凝強(qiáng)度的發(fā)展，在水化的水泥顆粒之間及它們與井壁與套管之間，相互搭接起來形成一種空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，隨著環(huán)空水泥漿柱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)力的不斷增長即膠凝強(qiáng)度的增強(qiáng)，使水泥柱的部分重量懸掛在套管和井壁上，水泥漿具有了支撐自身重量，承拖托上覆壓力的能力，因而也逐步消失傳遞壓力的能力，形成“失重”，環(huán)空壓力下降。下圖為普通水泥漿在候凝過程中的壓力變化曲線。 17 普通水泥漿在候凝過程中的壓力變化曲線 因此由于環(huán)空壓力的缺失，當(dāng)液柱壓力小于地層水壓力的時候，高壓流體竄開始發(fā)生，環(huán)空壓力也開始回升。取一定的上覆壓力作出的水竄壓力變化圖如下： 0123456780 0 .5 1 1 .5 2 2 .5 3P1P2P3 水泥漿水竄試驗壓力變化圖 P1：水泥漿壓力 P2：地層水壓力 P3：初試上覆壓力 ⑵． 水竄流量的變化 在實驗中進(jìn)行水竄流量測試，實驗發(fā)現(xiàn)當(dāng)水泥漿壓力降到與地層水壓力相等時，并未發(fā)生水竄，而是低于地層水壓力一定值時才發(fā)生水竄，并且到達(dá)一定時間后，水竄流量開始逐 漸減少。這說明水泥漿自身有一定的抗竄能力，雖然水侵開始，但是水泥漿內(nèi)部的水化仍在進(jìn)行，仍不斷的封閉著水運(yùn)移的通道，而水侵嚴(yán)重的時間正發(fā)生在水泥漿膠凝水化的過程中。下表是水泥漿在不同時間的水侵速率的數(shù)據(jù)表。 18 水侵時間（ min） 10 40 70 100 130 160 水侵速率 (ml/min) 水泥漿在不同時間的水侵速率數(shù)據(jù)表 ⑶． 水泥漿析水量和井筒傾斜角對水泥漿氣竄的影響 傾斜井筒上側(cè)水泥漿自由水槽的形成 ,是氣體侵入的主要通道。在實驗中我們觀察到 ,當(dāng) 水泥漿 API 析水量為 ,井筒內(nèi)徑為 30mm,傾斜角為 75176。時 ,模擬井筒上井壁一側(cè) ,水泥漿會形成 2~4 cm 寬的、連通性能好的水槽。為了比較析水量不同的水泥漿在某一時刻抗氣竄的差異 ,列出 僅淅水量不同其余指標(biāo)類似的三種 水泥漿在膠凝強(qiáng)度為 2700 dyn / cm2時發(fā)生氣竄的壓差 (即氣源壓力 井底壓力 )數(shù)據(jù) 。 不同漿體在不同傾斜角井內(nèi)的氣竄壓差 (MPa) 不同漿體在不同靜置時刻的氣竄壓差 (Mpa) 比較上述兩表內(nèi)數(shù)據(jù)可知： ①在同一傾斜角度的井筒里 ,水泥漿不同時刻發(fā)生氣竄的壓差值隨水泥漿 API 析水量的增加而降低 ,即水泥漿中的自由水含量越高 ,抗氣竄能力越低。零析水水泥 19 漿抗氣竄能力最好。零析水水泥漿在井壁上側(cè)雖無自由水槽形成 ,但在井筒內(nèi)壁上側(cè)膠結(jié)質(zhì)量并不理想 ,甚至有不連續(xù)的微間隙存在 ,為氣體竄流提供了方便。如析水為 的原漿 ,在傾斜角大于 10176。的井筒里 ,凝固時間為 65min,氣竄壓差為 。而零 析水水泥漿 ,在傾斜角大于 10176。的井筒里 ,氣竄壓差卻小于,不超 。由此可知 ,僅采用零析水水泥漿 , 仍不能完全防止氣竄 ,還需采用其它防氣竄措施 ,比如使用膨脹水泥 ,就有助于彌補(bǔ)環(huán)形空間封固質(zhì)量不理想的問題 。 ②同一種水泥漿 ,抗氣竄能力隨井斜角的增加而減小 ,井筒傾角為 45176。時 ,由于水泥漿失重速度比其它傾斜角時快 ,漿體抗氣竄能力最差 。 ③對零析水水泥漿來說 ,氣竄壓差隨凝固時間的增加而增大 ,即隨著水泥水化和膠凝的發(fā)展 ,抗氣竄能力提高 。 ④對原漿來說 ,氣竄壓差卻不隨凝固時間的增加而增大 ,當(dāng)井筒傾斜角為 10176。時 , 100min和 118min時 ,水泥漿膠凝強(qiáng)度增加了 950dyn/cm2,而氣竄壓差值幾乎一樣 。當(dāng)井筒傾斜角為 45176。時 ,2min、 65min、 110min 和 118min 的氣竄壓差幾乎一樣 。當(dāng)井筒傾斜角為 75176。面三個時刻的氣竄壓差同樣變化不大。 上述分析可以形成以下三個觀點(diǎn) : ①在非常規(guī)井中 ,水泥漿膠凝強(qiáng)度的發(fā)展 ,對非零析水水泥漿的抗氣竄能力的影響 ,已不如直井那么重要了 ,特別在井筒傾斜角較大的時侯 。而水泥漿的析水量的多少則成為與氣竄有直接關(guān)系的因素 。 ②井筒傾斜角對氣竄有明顯的影響 ,傾 斜角為 45176。時氣竄容易發(fā)生 ,是氣體竄流的危險位置。 水泥漿在深入水化過程，過多的配漿水的析出，分布于環(huán)狀水泥柱體（在兩個交界面上），聚集成無數(shù)細(xì)小水流，因重力差，水流會沿軸向方向向上流動，不斷聚集成更大的水流即水帶，這水流的槽縫和水帶為水竄創(chuàng)造了先期條件，使它們降低了對地層的壓力，從而引發(fā)地層水流竄。 ⑷． 水泥漿固結(jié)后的體積變化 實驗完成后，打開實驗?zāi)＞撸l(fā)現(xiàn)內(nèi)側(cè)有極少量的水存在，測量對比水泥漿與水泥石的體積，有 %的差值，這是因為水泥漿在凝結(jié)硬化過程中，雖然固相體積在不斷增多，但由于失水和自由水的析出 ，失去的液相體積比增加的固相還要多，因而，總體積的絕對體積是減少的。水泥漿這種固結(jié)后體積收縮的特性 20 也為地層高壓流體竄提供了一定的通道。 ⑸． 水泥漿頂替效率因素 固井施工過程中如果水泥漿頂替效率低將會形成水泥漿夾帶的竄槽，因而造成環(huán)空水泥與套管或地層膠結(jié)面質(zhì)量差，產(chǎn)生環(huán)隙空間，這些環(huán)縫隙會導(dǎo)致環(huán)空地層高壓流體竄的發(fā)生。 老 168 區(qū)塊水泥漿性能要求： 針對上述施工難點(diǎn) 及水泥漿滲透性及高壓流體竄原因分析 ，我們要求用于168 區(qū)塊施工的水泥漿體系具備以下性能： 1）水泥漿的 游離液較少 。可以有效的防止大位移水平井高 邊出現(xiàn)自由水帶竄槽。 2） 水泥漿漿體 具有良好的穩(wěn)定性。否則在大斜井段或水平井段的垂直剖面上易形成上稀下稠，井眼高邊強(qiáng)度偏低，滲透性偏高的水泥封隔截面，易產(chǎn)生高滲透性封隔帶竄槽。 3） API 失水≤ 50ml/30min；在大位移水平井中，油氣層裸眼段長，水泥漿與油層接觸面積大，由于水泥漿失水，不僅會加大油氣層污染，而且會導(dǎo)致水泥漿變稠，流動阻力增大，影響頂替效率。因此，應(yīng)嚴(yán)格控制水泥漿失水，要求水泥漿 API 失水量＜ 50ml。 4）具有一定的微膨脹特性。用微膨脹水泥漿體系封固大位移水平井，可有效控制由于水泥體積 收縮帶來的負(fù)面效應(yīng)。有利于有效封隔地層，防止層間竄流。 5）水泥漿應(yīng)具備低滲透特性，從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過渡期內(nèi)，能夠減少水泥漿的透氣性和降低水泥石的滲透率。防止地層動態(tài)干擾對水泥石膠結(jié)的影響 并有效減少地層流體對水泥石的腐蝕。 6）水泥漿具有防竄性能。大位移水平井固井，由于井斜角大，在水泥漿凝結(jié)過程中，容易形成較大的自由水和產(chǎn)生體系沉降，井眼高邊易形成油氣竄流的通道。因此，對水泥漿體系的防竄特性要求更高。 7）形成的水泥石可抗 Cl、 SO4 HCO3等離子 含量較高 地層水 的 腐蝕。 8） 水泥石具有一定的韌 性。大位移水平井，套管難于居中，往往存在偏向于井眼低邊，則此時的低邊水泥環(huán)較薄，在后續(xù)各種工況作業(yè)時易于導(dǎo)致其碎裂。因此，提高用于封固大位移水平井固井水泥漿體系水泥石的抗沖擊韌性，有利于 21 提高油氣井在大斜度及水平井段的封隔完整性和正常生產(chǎn)壽命。 方案選擇 ： 根據(jù)