楊亞馨

【摘 要】在固井過程中，為了防止環(huán)空二界面微間隙的產(chǎn)生，尤其是為了開發(fā)不收縮水泥漿體系以保證層間封隔質(zhì)量，在室內(nèi)進(jìn)行了環(huán)空水泥封隔實(shí)驗(yàn)，并且對(duì)所開發(fā)的膨脹水泥漿體系的性能進(jìn)行了室內(nèi)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，根據(jù)地層實(shí)際情況而設(shè)計(jì)的膨脹水泥漿體系能夠有效地封隔地層，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，該膨脹水泥漿體系能夠有效地封隔儲(chǔ)氣層。本文介紹了該膨脹水泥漿體系在2個(gè)地區(qū)現(xiàn)場(chǎng)固井中的應(yīng)用情況。

【關(guān)鍵詞】層間封隔；膨脹水泥；水泥漿性能；微間隙

固井作業(yè)中水泥被頂替至地層和套管之間，其主要作用是封隔地層防止地層流體串流。油氣井在壽命期內(nèi)以及其被廢棄之后，其層間封隔必須保證完好無損。即使在固井作業(yè)中水泥漿被正確預(yù)置至正確位置并且實(shí)現(xiàn)了良好的水力密封，但是，在經(jīng)過一段時(shí)間后，這種完好無損的層間封隔也會(huì)消失，而這種情況多數(shù)是由于地層的微間隙引起的。

1.收縮膨脹機(jī)理

水泥的收縮和膨脹主要取決于水泥的水化產(chǎn)物，因?yàn)樗嗟乃a(chǎn)物因水化成分的不同所形成的體積不同。所以宏觀上表現(xiàn)為水泥體積的變化，即體積的收縮或膨脹。

2.膨脹水泥

本次研究所采用的膨脹水泥是在普通波特蘭水泥中加入10%膨脹劑，水泥漿的膨脹性能：攪拌后的塑性粘度69cp，攪拌后的屈服值7lb/100ft2，養(yǎng)護(hù)后的塑性粘度79cp，養(yǎng)護(hù)后的屈服值7lb/100ft2。

3.機(jī)械性能

抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)壓力為41Mpa，楊氏模量取決于應(yīng)力應(yīng)變曲線中最適合的線性部分，最佳值為6688Mpa。

4.線性膨脹模具

水泥的線性膨脹性能是利用膨脹試驗(yàn)裝置測(cè)量的。膨脹試驗(yàn)裝置是由一個(gè)下底盤、一個(gè)開口的可膨脹圓環(huán)和一個(gè)上底盤組成，其中可膨脹環(huán)帶有2個(gè)固定別針，安放在2個(gè)底盤之間，上下底盤之間通過一個(gè)螺絲固定。

4.1試驗(yàn)過程

首先在倒入水泥漿以前要對(duì)試驗(yàn)?zāi)＞咴谝欢囟认逻M(jìn)行水浴養(yǎng)護(hù)加溫。然后倒入水泥漿，此時(shí)測(cè)量可膨脹環(huán)2個(gè)別針之間的距離D1，接著把模具放在事先預(yù)熱好的水浴中養(yǎng)護(hù)，整個(gè)試驗(yàn)過程中，水泥漿浸入水浴中。當(dāng)水泥漿開始凝固膨脹時(shí)，膨脹環(huán)的外徑開始變大，此時(shí)測(cè)量膨脹環(huán)2個(gè)別針之間的距離D2。

4.2水泥漿配置

試驗(yàn)采用G膨脹水泥，密度為16.4ppg，水泥漿制備規(guī)范為API標(biāo)準(zhǔn)配置規(guī)范。膨脹劑采用干混模式。

5.環(huán)空模擬試驗(yàn)

環(huán)空模擬試驗(yàn)裝置由2個(gè)同軸鋼桶組成，這兩個(gè)鋼桶的直徑大小不同，內(nèi)部鋼桶內(nèi)外徑為111mm和113mm，外部鋼桶的內(nèi)外直徑分別為196mm和198mm，內(nèi)外鋼桶的高度為80mm，內(nèi)部鋼桶用來模擬井下條件中的套管，外部鋼桶用來模擬地層。應(yīng)變測(cè)量?jī)x安裝在鋼桶上用來測(cè)量他們的切向變形，徑向變形和位移變形。在內(nèi)部鋼桶的內(nèi)表明安裝三個(gè)應(yīng)變測(cè)量?jī)x，在外部鋼桶的外表面安裝三個(gè)應(yīng)變測(cè)量?jī)x，這三個(gè)測(cè)量?jī)x大于成120 度角。鋼桶固定在加熱箱的底盤上，然后在2個(gè)鋼桶的環(huán)空中倒入水泥漿，置于溫度傳感器用來測(cè)量水泥漿的溫度，并且檢測(cè)水泥漿的水化過程，應(yīng)變測(cè)量?jī)x通過惠斯電橋通將信號(hào)傳遞到數(shù)字接收裝置。

為了準(zhǔn)確模擬不同地層的情況，外部鋼桶的厚度變化范圍為1mm～10mm，最小厚度1mm的外部鋼桶用來模擬松散的砂巖，而10mm厚度的鋼桶模擬較硬的砂巖。

加熱箱預(yù)先加熱至實(shí)驗(yàn)溫度直至測(cè)量?jī)x顯示的數(shù)字信號(hào)穩(wěn)定不變。此時(shí)設(shè)置測(cè)量?jī)x的起始測(cè)量數(shù)據(jù)以避免鋼桶的變化而影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，把水泥漿倒入鋼桶的環(huán)空中，并使水泥漿上面覆蓋大約10mm厚的水層，水層之上覆蓋適當(dāng)?shù)挠蛯?，以避免水的蒸發(fā)。

水泥漿的制備。

采用G級(jí)油井水泥，配置水泥漿密度為16.4ppg，膨脹劑采用干混的形式。膨脹實(shí)驗(yàn)主要關(guān)注地層強(qiáng)度對(duì)水泥漿膨脹性能的影響，即外部鋼桶厚度分別為1mm A裝置和厚度為10mm的B裝置。

6.線性膨脹實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)溫度為170℃，膨脹劑加量為10%，2個(gè)星期后測(cè)量水泥石的線性膨脹率為3%，在水泥漿凝固后水泥石的膨脹就開始了。

7.環(huán)空模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)裝置A外部套管代表松軟地層，如松散的砂巖，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，測(cè)量?jī)?nèi)部鋼桶的徑向應(yīng)變保持恒定基本為0，這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明水泥環(huán)在內(nèi)部鋼桶上的施加應(yīng)力不大，即表明套管與水泥環(huán)之間的膠結(jié)質(zhì)量較差。

相反的，外部鋼桶的測(cè)量值隨時(shí)間的增加而增加，并在7000min時(shí)到達(dá)最大值500μstrain，這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明水泥環(huán)發(fā)生了膨脹并在外部鋼桶上施加了一定的壓力，即在外部鋼桶上產(chǎn)生一定的應(yīng)力，在水泥漿凝固以后水泥的膨脹就開始了。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了參考文獻(xiàn)中作者的理論觀點(diǎn)，水泥漿的膨脹方向趨于地層方向，同時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明膨脹水泥不適合封固松散地層，因?yàn)樗缮⒌貙硬荒茉诮缑嫔咸峁┓醋饔昧?，并且在界面上有產(chǎn)生微間隙的可能性。

實(shí)驗(yàn)裝置B的外部鋼桶代表硬地層。雖然裝置A和B實(shí)驗(yàn)用材料、試驗(yàn)條件相同，但是實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻大相徑庭。外部鋼桶測(cè)量的最大應(yīng)力為80μstrain，而內(nèi)部鋼桶的最大值為270μstrain。

由于水泥膨脹因而在外部鋼桶上產(chǎn)生一定的壓力，同時(shí)由于外部鋼桶比較堅(jiān)硬可以取代或者抗拒水泥的膨脹力，此時(shí)水泥的膨脹趨向內(nèi)部鋼桶的方向，在這種情況下，膨脹水泥在套管和地層2個(gè)界面都產(chǎn)生一定壓力，所以在堅(jiān)硬的地層使用膨脹水泥能夠產(chǎn)生良好的水利密封。

8.現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例研究

膨脹水泥漿體系的主要應(yīng)用之一是用來封隔氣井，氣井主要指天然氣井和煤層氣井。一旦氣井存在微間隙，氣體很容易向地面方向產(chǎn)生竄流，因此，在封固氣井時(shí)必須保證良好的層間膠結(jié)質(zhì)量。由于擠水泥作業(yè)費(fèi)用很高，所以固井作業(yè)最主要的目標(biāo)就是必須保證生產(chǎn)套管的固井質(zhì)量。此外，儲(chǔ)氣層上通常伴有鹽層，而鹽層進(jìn)行鉆井作業(yè)時(shí)通常采用密度較高的鉆井液。因而，封固鹽層就會(huì)產(chǎn)生新的挑戰(zhàn)。在開發(fā)衰竭油氣藏中需要采用低密度鉆井液。如果套管已經(jīng)安放完畢而且封隔鹽層采用高密度水泥，而在后續(xù)的作業(yè)中需要采用低密度鉆井液，此時(shí)由于地層壓力減小，就容易在套管和水泥界面產(chǎn)生微間隙。另外，在封隔鹽層時(shí)形成的微間隙通常是因?yàn)樗酀{在鹽層的稀釋造成的。實(shí)驗(yàn)表明在封固鹽層時(shí)水泥漿通過鹽層并返至地面時(shí)，水泥漿中鹽的含量已經(jīng)大約為4%。下面實(shí)例中所使用的膨脹水泥與試驗(yàn)中所使用的膨脹水泥相同。

實(shí)例1：

由溫特斯豪天然氣公司開發(fā)的天然氣藏位于白云石地層，在氣層的頂部是一個(gè)巨大的鎂灰?guī)r，實(shí)例井是大位移井，121/4裸眼段處的最大井斜為850，下入7〞尾管固井，所以對(duì)這口實(shí)例井來說，在生產(chǎn)套管處得到良好的膠結(jié)質(zhì)量非常重要。 由于砂巖地層有漏失發(fā)生，所以下入133/8〞套管作為尾管，并采用低密度水泥進(jìn)行固井。95/8〞生產(chǎn)套管下至3000-3400mm（井底靜止溫度85-95℃），采用2中水泥漿體系進(jìn)行固井，低密度水泥漿密度為1.45kg/l作為領(lǐng)漿，膨脹水泥作為尾漿，其密度為1.94kg/l，膨脹水泥采用飽和鹽水進(jìn)行配置。水泥漿返至133/8〞尾管100米處。采用鹽水隔離液，現(xiàn)場(chǎng)施工按照計(jì)劃進(jìn)行。頂替排量3000l/min，測(cè)井曲線表面水泥漿膠結(jié)情況良好。

9.結(jié)論

環(huán)空試驗(yàn)表明在松散地層使用膨脹水泥漿固井存在一定的風(fēng)險(xiǎn)：即容易在套管水泥界面產(chǎn)生微間隙，主要原因在于膨脹水泥徑向膨脹的反作用力太小。膨脹水泥適合封隔硬度較大的地層，因?yàn)橛驳貙幽軌蛱峁┡蛎浰嗯蛎浰璧姆醋饔昧ΑＲ虼丝梢缘玫搅己玫乃芊?。膨脹水泥在凝固后就開始膨脹，并且這種膨脹過程可以持續(xù)幾天的時(shí)間。水泥石在兩個(gè)界面的膠結(jié)強(qiáng)度隨時(shí)間的延長(zhǎng)而增加?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)例表明膨脹水泥可以有效地封隔鹽層地層。 [科]