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JY頁(yè)巖氣田水平井預(yù)防環(huán)空帶壓固井技術(shù)

2019-07-25 09:59陳雷陳會(huì)年張林海劉廣海陶謙劉仍光
石油鉆采工藝 2019年2期
關(guān)鍵詞:水泥石環(huán)空固井

陳雷 陳會(huì)年 張林海 劉廣海 陶謙 劉仍光

1.中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院;2.中石化重慶涪陵頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)有限公司

頁(yè)巖氣是一種蘊(yùn)藏廣泛且豐富的非常規(guī)清潔能源,涪陵百億方頁(yè)巖氣田的建成標(biāo)志著中國(guó)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)取得重大突破。頁(yè)巖氣一般需要借助大型水力壓裂和水平井技術(shù)才能進(jìn)行經(jīng)濟(jì)開(kāi)采,使得頁(yè)巖氣井環(huán)空帶壓現(xiàn)象較為普遍,四川盆地內(nèi)的幾個(gè)國(guó)家級(jí)頁(yè)巖氣示范區(qū)氣井環(huán)空帶壓?jiǎn)栴}比較突出[1-2]。環(huán)空帶壓及井下層間竄流會(huì)影響頁(yè)巖氣井的產(chǎn)量和開(kāi)發(fā)后續(xù)作業(yè),威脅安全生產(chǎn)甚至可能引發(fā)安全事故。

通常認(rèn)為水泥環(huán)密封完整性與固井質(zhì)量密切相關(guān)。針對(duì)提高頁(yè)巖氣井固井質(zhì)量的研究較多[3-7],JY頁(yè)巖氣井固井質(zhì)量也不斷提高,但壓裂投產(chǎn)之后環(huán)空帶壓現(xiàn)象卻一直沒(méi)有改善,說(shuō)明分段壓裂導(dǎo)致固井水泥環(huán)密封完整性失效是引起環(huán)空帶壓的關(guān)鍵因素,必須研究提高固井水泥環(huán)長(zhǎng)期密封完整性和耐破壞性,才能真正解決頁(yè)巖氣井的環(huán)空帶壓難題。

本文針對(duì)JY氣田頁(yè)巖氣井,建立了環(huán)空密封完整性評(píng)價(jià)裝置,模擬分析水泥膠結(jié)、收縮、力學(xué)性能等因素與水泥環(huán)長(zhǎng)期密封完整性的關(guān)系及頁(yè)巖氣井壓裂對(duì)水泥環(huán)力學(xué)性能的要求,提出了提高頁(yè)巖氣井長(zhǎng)期密封完整性預(yù)防環(huán)空帶壓的綜合固井技術(shù)措施,實(shí)現(xiàn)了JY頁(yè)巖氣田環(huán)空帶壓井的大幅度下降,為頁(yè)巖氣井的安全高效開(kāi)發(fā)提供安全保障。

1 水泥環(huán)密封完整性影響因素分析

為全面評(píng)價(jià)頁(yè)巖氣井水泥環(huán)的密封完整性,除常規(guī)油井水泥養(yǎng)護(hù)及評(píng)價(jià)儀器外,建立了全尺寸水泥環(huán)密封完整性評(píng)價(jià)裝置(圖1)開(kāi)展環(huán)空密封能力物理模擬實(shí)驗(yàn)。

圖1 水泥環(huán)密封完整性評(píng)價(jià)裝置Fig.1 A device for evaluating the seal integrity of cement sheath

水泥環(huán)密封完整性評(píng)價(jià)裝置由井筒物理模擬裝置、測(cè)試裝置、壓力裝置和控制系統(tǒng)等組成。該裝置利用壓力系統(tǒng)向套管內(nèi)加壓或泄壓,模擬地層壓裂過(guò)程或生產(chǎn)過(guò)程中套管、水泥環(huán)的受力變化,通過(guò)檢測(cè)界面氣體流量值判斷是否發(fā)生密封破壞,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)水泥環(huán)中的應(yīng)力變化值進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。

井筒物理模擬裝置包括套管、水泥環(huán)和外筒,為真實(shí)模擬JY頁(yè)巖氣井況,套管采用JY頁(yè)巖氣田常用套管,鋼級(jí)為P110,外徑 139.7 mm,壁厚7.72 mm;外筒采用壁厚 22.5 mm、外徑 244.5 mm 的金屬合金筒來(lái)模擬彈性模量為25.0 GPa、泊松比為0.18 的頁(yè)巖地層;水泥環(huán)的厚度為 26.7 mm,模型長(zhǎng)度即套管和外筒的長(zhǎng)度為1 200 mm,水泥環(huán)的長(zhǎng)度為 1 000 mm。

評(píng)價(jià)試樣采用JY氣田常用的G級(jí)水泥配置密度1.90 g/cm3的水泥漿,以該氣田平均溫度80 ℃作為養(yǎng)護(hù)溫度,進(jìn)行24 h水浴養(yǎng)護(hù)后制成。

1.1 水泥環(huán)膠結(jié)質(zhì)量

套管水泥環(huán)的2個(gè)界面處是薄弱環(huán)節(jié),影響其密封性的是水泥石的膠結(jié)質(zhì)量。頁(yè)巖氣井鉆井普遍采用油基鉆井液鉆進(jìn)[8],其在界面處的滯留比水基鉆井液更難以驅(qū)替干凈,直接影響到水泥石界面膠結(jié)質(zhì)量,嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)形成氣竄通道,使得少量頁(yè)巖氣井在壓裂投產(chǎn)前即帶壓。

為了研究鉆井液對(duì)頁(yè)巖氣井水泥環(huán)界面膠結(jié)的影響,取JY氣田標(biāo)準(zhǔn)巖心試樣和鉆井液,分別采用巖心不浸泡、浸泡鉆井液后用清水沖洗和浸泡后不沖洗等方式處理,分別模擬無(wú)污染、鉆井液污染后清洗和污染后不清洗等3種井壁情況,然后在3種巖心外澆筑油井水泥凈漿模擬界面膠結(jié)。試樣經(jīng) 80 ℃水浴養(yǎng)護(hù)24 h后外觀如圖2所示,可以看出,1#試樣巖心與水泥石之間黏結(jié)緊密,沒(méi)有微間隙存在;2#試樣巖心與水泥石界面黏結(jié)不夠緊密,而3#試樣界面處明顯有一層過(guò)渡區(qū),結(jié)果表明界面清潔程度會(huì)對(duì)界面膠結(jié)有明顯影響。

圖2 界面膠結(jié)養(yǎng)護(hù)巖心試樣Fig.2 Specimen of the core with interfacial cementation curing

利用膠結(jié)強(qiáng)度測(cè)試儀對(duì)3種巖心膠結(jié)強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試,從表1的測(cè)試結(jié)果可以看出,鉆井液對(duì)界面不同程度污染后會(huì)導(dǎo)致水泥環(huán)膠結(jié)強(qiáng)度降低,特別是界面未清洗時(shí)膠結(jié)強(qiáng)度下降達(dá)76.9%,嚴(yán)重影響界面的膠結(jié)密封質(zhì)量。同時(shí)對(duì)于污染后清洗的試樣,其界面膠結(jié)強(qiáng)度比污染后未清洗的強(qiáng)度增加100%,說(shuō)明對(duì)污染后的界面進(jìn)行清潔可以有效改善界面膠結(jié)質(zhì)量。

表1 水泥環(huán)膠結(jié)能力測(cè)試結(jié)果Table 1 Tested cementation capacity of cement sheath

采用水泥環(huán)密封完整性評(píng)價(jià)裝置,實(shí)際評(píng)價(jià)了鉆井液影響界面膠結(jié)密封情況。模擬JY氣田現(xiàn)場(chǎng)井筒,即通過(guò)在模擬井內(nèi)壁浸泡現(xiàn)場(chǎng)聚磺鉆井液,形成 0.1~0.5 mm 濾餅,注入水泥漿后常溫養(yǎng)護(hù) 7 d,與理想清潔井筒進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)方案:注氣壓力1 MPa,注氣穩(wěn)定后,增加套管內(nèi)壓力至 35 MPa,然后卸載到0 MPa,循環(huán)進(jìn)行壓力加卸載,通過(guò)檢測(cè)壓力變化與出氣量變化之間的關(guān)系測(cè)試水泥環(huán)氣體密封能力(圖3)。

圖3 出氣口氣體流量隨注氣壓力的變化Fig.3 Variation of the gas flow rate at the gas outlet with the gas injection pressure

由圖3模擬結(jié)果可以看出,在開(kāi)始進(jìn)行注氣時(shí),套管壓力為0時(shí)即發(fā)生氣竄現(xiàn)象,且出氣量較大,達(dá)2 200 mL/min。而隨著套管壓力增加,出氣量減少,但是即使達(dá)到最大壓力35 MPa時(shí),仍然有750 mL/min左右的出氣量。說(shuō)明在套管與水泥環(huán)中間由于有鉆井液污染的存在,影響到界面處膠結(jié)密封,虛濾餅形成的弱界面存在氣體流竄通道,此時(shí)在較小環(huán)空注氣壓力下就會(huì)發(fā)生氣竄,即便在套管內(nèi)加壓擠壓環(huán)空水泥環(huán),也無(wú)法完全封閉氣竄通道。而作為對(duì)比的清潔井筒實(shí)驗(yàn)中則沒(méi)有檢驗(yàn)到氣竄發(fā)生,驗(yàn)證了鉆井液是否有效驅(qū)替對(duì)密封性的影響非常大。

1.2 水泥石體積收縮

水泥在水化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生體積變化,一般情況下主要表現(xiàn)為各種收縮。水泥水化時(shí)產(chǎn)生的收縮可分為宏觀收縮和微觀收縮,其中宏觀收縮引起外觀體積變化,變化較大時(shí)可能產(chǎn)生微環(huán)隙;而微觀收縮則引起水泥石內(nèi)部孔隙率的增加,導(dǎo)致水泥環(huán)滲透率升高。水泥石收縮是影響水泥環(huán)環(huán)空密封能力的關(guān)鍵因素。

為了有效測(cè)量水泥漿從流動(dòng)狀態(tài)到固化后全過(guò)程的膨脹收縮特性,采用Chandler公司5265密封膨脹測(cè)試裝置,開(kāi)展了絕濕條件下水泥石膨脹收縮測(cè)試。水泥漿體系配方為G級(jí)水泥+44%水,實(shí)驗(yàn)溫度 80 ℃,實(shí)驗(yàn)壓力 20 MPa,測(cè)試時(shí)長(zhǎng) 168 h,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 絕濕環(huán)境下水泥石體積變化曲線Fig.4 Variation of set cement in the environment of absolute humidity

由圖4可看出,水泥石體積呈現(xiàn)先膨脹后快速收縮的狀態(tài)。這是由于早期水泥在高溫下快速水化,釋放大量的水化熱,使得漿體溫度升高產(chǎn)生較大幅度膨脹。隨后水泥水化進(jìn)入誘導(dǎo)期,水化速率變慢,釋放的水化熱減少,溫度降低,漿體體積也減小。誘導(dǎo)期結(jié)束后,水泥再次進(jìn)入快速水化期,即大約水化1 h左右后,漿體溫度基本保持為測(cè)試溫度,但體積稍有增加,顯示為膨脹狀態(tài),是因?yàn)榇藭r(shí)C3A與石膏反應(yīng)快速生成的鈣礬石具有膨脹特性。水化約5 h時(shí),水泥石進(jìn)入快速收縮階段,在水化12 h時(shí)收縮達(dá)到穩(wěn)定。

為測(cè)試水泥石收縮對(duì)水泥環(huán)密封性的影響,利用水泥環(huán)密封完整性評(píng)價(jià)裝置測(cè)試了水泥基漿分別養(yǎng)護(hù) 1 d、3 d、90 d 和 150 d 后的密封性,由于養(yǎng)護(hù) 1 d和3 d短齡期水泥環(huán)沒(méi)有發(fā)生氣竄,以養(yǎng)護(hù)3 d的曲線代表短齡期測(cè)試結(jié)果(見(jiàn)圖5)。實(shí)驗(yàn)中從密封環(huán)空段底部加壓,以頂部出氣口測(cè)量通過(guò)一二界面竄至密封段頂部的總竄氣量,在密封段中部外筒對(duì)稱取2個(gè)出氣口1和2,分別測(cè)量二界面氣竄量。

圖5 不同養(yǎng)護(hù)齡期下水泥環(huán)密封性測(cè)試Fig.5 Seal test of cement sheath at different curing ages

由圖5可看出,短齡期水泥環(huán)沒(méi)有發(fā)生氣竄;而養(yǎng)護(hù)90 d和150 d試樣開(kāi)始注氣時(shí)2個(gè)界面處出氣口即發(fā)生氣竄,說(shuō)明隨著齡期延長(zhǎng),水泥石收縮導(dǎo)致界面處出現(xiàn)的微環(huán)隙破壞了密封。對(duì)于養(yǎng)護(hù)90 d試樣,內(nèi)壓加載至3 MPa時(shí)二界面出氣口1出氣量開(kāi)始降低,10 MPa時(shí)頂部出氣口出氣量也開(kāi)始降低,說(shuō)明收縮引起的微環(huán)隙較?。欢鴮?duì)于養(yǎng)護(hù)150 d試樣,在內(nèi)壓增加到25 MPa時(shí)界面出氣量才開(kāi)始降低,進(jìn)一步驗(yàn)證了養(yǎng)護(hù)齡期長(zhǎng)水泥收縮會(huì)引起更大的微環(huán)隙。同時(shí)可以看出,雖然可以通過(guò)擠壓水泥環(huán)減小界面微環(huán)隙,但即使在較高壓力下,也不能完全恢復(fù)環(huán)空密封。

理論上,水泥隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)而不斷水化,水泥石抗壓強(qiáng)度不斷增加,水泥石膠結(jié)強(qiáng)度也應(yīng)不斷增強(qiáng)。但從表2所示的不同齡期水泥石膠結(jié)強(qiáng)度實(shí)際測(cè)試結(jié)果可以看出,隨著齡期的延長(zhǎng),水泥石界面膠結(jié)強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸減小的結(jié)果,其中養(yǎng)護(hù)15 d的膠結(jié)強(qiáng)度比養(yǎng)護(hù)3 d下降了45.5%,說(shuō)明水泥石的界面膠結(jié)強(qiáng)度不僅與抗壓強(qiáng)度有關(guān),還主要與其體積收縮有關(guān)?,F(xiàn)場(chǎng)固井結(jié)束后,甚至在電測(cè)固井聲幅質(zhì)量之后,水泥依然處在不斷水化進(jìn)程中,期間一旦水泥石產(chǎn)生收縮,將導(dǎo)致界面處膠結(jié)強(qiáng)度降低。可見(jiàn),水泥石收縮也是影響環(huán)空密封性失效的主要原因之一。

表2 不同齡期時(shí)水泥石膠結(jié)強(qiáng)度Table 2 Cementation strength of set cement at different curing ages

1.3 水泥石力學(xué)性能

JY頁(yè)巖氣田大部分井環(huán)空帶壓均是出現(xiàn)在規(guī)模壓裂投產(chǎn)后,說(shuō)明水力壓裂等施工作業(yè)中套管內(nèi)壓力變化會(huì)影響甚至破壞水泥環(huán)密封性。為此建立了圖6所示的地層圍巖-水泥環(huán)-套管組合體模型,模擬計(jì)算常規(guī)水泥環(huán)中不同位置的應(yīng)力情況,分析水泥環(huán)密封完整性失效的原因。組合體模型參數(shù)見(jiàn)表3。假設(shè)套管和圍巖均為彈性體,水泥環(huán)為理想彈塑性體,屈服條件滿足Mohr-Coulomb準(zhǔn)則。利用組合體模型,計(jì)算水泥環(huán)內(nèi)壁界面和外壁界面的應(yīng)力結(jié)果見(jiàn)表4。

圖6 圍巖-水泥環(huán)-套管組合體模型Fig.6 Model of surrounding rock-cement sheath-casing combination

表3 組合體模型參數(shù)Table 3 Model parameters of the combination

表4 水泥環(huán)應(yīng)力模擬計(jì)算結(jié)果Table 4 Simulation calculation results of the stress on the cement sheath

在套管內(nèi)壓和圍壓作用下,水泥環(huán)徑向產(chǎn)生壓應(yīng)力,周向產(chǎn)生拉應(yīng)力。由表4可以看出,在套管與水泥環(huán)的一界面處產(chǎn)生的壓應(yīng)力較大,水泥環(huán)與圍壓之間的二界面處產(chǎn)生的壓應(yīng)力較小,裸眼井段的應(yīng)力高于重疊段應(yīng)力。

水泥石屬于抗壓強(qiáng)度高而抗拉能力弱的材料,其抗壓強(qiáng)度約等于10~12倍抗拉強(qiáng)度[9]。在套管內(nèi)壓90 MPa作用下,水泥環(huán)周向應(yīng)力達(dá)到6 MPa以上,遠(yuǎn)超水泥石抗拉強(qiáng)度(通常不超過(guò)1~3 MPa),易產(chǎn)生徑向裂縫并導(dǎo)致水泥環(huán)密封性失效。在水泥環(huán)內(nèi)壁產(chǎn)生的壓應(yīng)力也超過(guò)水泥石屈服強(qiáng)度,使得水泥環(huán)進(jìn)入塑性受力階段并產(chǎn)生泄壓后不可完全恢復(fù)的塑性變形;而此時(shí)套管仍處于彈性受力狀態(tài),其彈性變形可完全恢復(fù),因此套管和水泥環(huán)界面處出現(xiàn)變形不協(xié)調(diào),產(chǎn)生拉應(yīng)力。一旦該應(yīng)力超過(guò)界面膠結(jié)強(qiáng)度,將產(chǎn)生微環(huán)隙。JY頁(yè)巖氣井通常要進(jìn)行多次或重復(fù)壓裂,應(yīng)力會(huì)多次加卸載,水泥環(huán)產(chǎn)生的塑性變形會(huì)逐漸累積,卸壓后的殘余應(yīng)變也隨之增大,當(dāng)拉應(yīng)力逐漸增大到足以超過(guò)膠結(jié)強(qiáng)度時(shí)出現(xiàn)微環(huán)隙,從而破壞環(huán)空密封。

利用水泥環(huán)密封完整性評(píng)價(jià)裝置模擬試壓和壓裂等施工過(guò)程對(duì)水泥環(huán)進(jìn)行加卸載,評(píng)價(jià)水泥環(huán)在不同循環(huán)應(yīng)力下疲勞破壞情況,結(jié)果見(jiàn)表5。常規(guī)G級(jí)水泥石,在35 MPa加卸載作用下,循環(huán)13次時(shí),水泥環(huán)即發(fā)生了氣竄現(xiàn)象,而當(dāng)壓力為70 MPa時(shí),只需2個(gè)周期水泥環(huán)密封即出現(xiàn)力學(xué)破壞。

表5 水泥環(huán)耐不同循環(huán)應(yīng)力疲勞破壞實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 5 Fatigue failure test result of cement sheath subjected to different cyclic stresses

影響循環(huán)應(yīng)力作用下水泥環(huán)密封性的因素很多,除了壓力外,還有水泥石的彈性模量和強(qiáng)度、水泥環(huán)外的約束程度或圍壓等。同等條件下,水泥石的彈性模量越低,抗循環(huán)壓力作用的能力越強(qiáng)。這是因?yàn)樵谔坠軆?nèi)壓力作用下,低彈性模量水泥環(huán)中產(chǎn)生的應(yīng)力水平也比較低,容易使得水泥環(huán)保持在彈性應(yīng)力狀態(tài),不產(chǎn)生塑性變形,不易發(fā)生因疲勞破壞所導(dǎo)致的密封性失效。同時(shí)水泥石強(qiáng)度越高,水泥環(huán)的應(yīng)力狀態(tài)也越不易超過(guò)其屈服強(qiáng)度進(jìn)入塑性狀態(tài)。但通常情況下,水泥石強(qiáng)度越高其彈性模量也越大,變形能力更差,所以不宜僅考慮選擇強(qiáng)度更高的水泥石來(lái)抵抗水泥環(huán)所受的各種應(yīng)力來(lái)滿足其密封性,需要在彈性模量和抗壓強(qiáng)度之間取得平衡。因此在選擇水泥漿體系時(shí),需選擇能形成抗壓能力強(qiáng)且彈性模量低的水泥環(huán)的體系,才能更好保證井下復(fù)雜壓力環(huán)境下水泥環(huán)的密封完整性。

2 預(yù)防環(huán)空帶壓固井技術(shù)

根據(jù)JY頁(yè)巖氣井環(huán)空帶壓影響因素分析結(jié)果,為改善和預(yù)防頁(yè)巖氣井環(huán)空帶壓,需要提高固井水泥環(huán)界面膠結(jié)質(zhì)量、防止水泥石收縮并改善水泥石力學(xué)特性。因此在提高頂替效率、水泥漿柱結(jié)構(gòu)、固井方案、水泥石性能等方面開(kāi)展了針對(duì)性研究,形成了頁(yè)巖氣水平井預(yù)防環(huán)空帶壓固井技術(shù)。

2.1 提高沖洗效率

前置液沖洗效果直接影響水泥漿的頂替效率,JY地區(qū)鉆井采用的油基鉆井液用常規(guī)沖洗液難以清洗干凈。為有效驅(qū)替油基鉆井液,提高頂替效率,采用了具有潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)作用的洗油沖洗液SCW-D。與前期JY地區(qū)采用的常規(guī)沖洗液相比,該沖洗液表面活性物質(zhì)會(huì)在油基鉆井液的濾餅表面吸附,使溶劑和水易在油基鉆井液表面滲入并產(chǎn)生溶脹,以削弱油濾餅的內(nèi)聚力和結(jié)構(gòu)力,同時(shí)也削弱油濾餅和套管之間的作用力[10]。為了提高洗油效果,確定現(xiàn)場(chǎng)沖洗液采用10%SCW-D,且單井設(shè)計(jì)沖洗時(shí)間達(dá)到10 min以上,以提高水泥環(huán)的膠結(jié)質(zhì)量。

提高套管居中度,并采用大排量頂替提高環(huán)空返速,也是實(shí)現(xiàn)提升沖洗效率、增強(qiáng)水泥環(huán)環(huán)空密封能力的有效技術(shù)措施??紤]到?jīng)_洗液在注水泥漿時(shí)已經(jīng)出環(huán)空,為了使環(huán)空達(dá)到紊流頂替,前置液設(shè)計(jì)注替排量應(yīng)高于1.5 m3/min。

2.2 優(yōu)化水泥漿柱結(jié)構(gòu)及體系

為提高膠結(jié)強(qiáng)度,優(yōu)選了泡沫低密度防竄水泥漿和微膨脹彈韌性防氣竄水泥漿[11-12],并進(jìn)行固井壓穩(wěn)設(shè)計(jì),防止固井及候凝過(guò)程中氣竄的發(fā)生。

在泡沫水泥漿基漿中增加微硅含量,增強(qiáng)體系穩(wěn)定性與強(qiáng)度?;九浞剑杭稳AG級(jí)水泥+3%~6%微硅+2.5%~3%G33s降濾失劑+0.1%~0.5%緩凝劑KH-1+46%水,密度1.90 g/cm3。在該水泥漿基漿中添加1%發(fā)泡劑、1%穩(wěn)泡劑,并進(jìn)行機(jī)械充氮,制備出密度1.31~1.60 g/cm3的泡沫水泥漿。JY氣田技術(shù)套管固井領(lǐng)漿采用泡沫水泥漿體系代替加漂珠的低密度水泥漿體系,具有更低的滲透率,更低的彈性模量以及較小的收縮性,使水泥環(huán)保持更好的密封完整性。

油層套管選用彈性模量為7 GPa的微膨脹彈韌性水泥漿,并設(shè)計(jì)返高至造斜點(diǎn)以上200 m,以降低試壓和壓裂對(duì)水泥石和膠結(jié)界面的應(yīng)力破壞,提高重疊段水泥石對(duì)氣體的密封能力。體系配方:嘉華G級(jí)水泥+6%SFP-1彈性材料+0.15%SFP-2彈性粒子+1.8%DZS分散劑+6%FSAM降濾失劑+2%DZP-2膨脹劑+0.1%DZH緩凝劑+44%水。在該水泥漿中適量添加膨脹劑,補(bǔ)償水泥石的收縮,增加水泥石膨脹特性,防止水化收縮產(chǎn)生的微間隙。

利用Chandler7200防氣竄儀對(duì)常規(guī)水泥漿體系、泡沫水泥漿體系和微膨脹彈韌性防氣竄水泥漿體系的防氣竄性能進(jìn)行了檢測(cè),同等養(yǎng)護(hù)條件下,泡沫水泥漿和微膨脹防氣竄水泥漿的防氣竄突破壓力分別為 2.48 MPa和 1.73 MPa,較常規(guī)水泥漿的1.13 MPa大幅提高。

為驗(yàn)證低彈性模量的微膨脹彈韌性水泥漿體系對(duì)壓裂等套管內(nèi)高應(yīng)力作用下密封性的改善,利用水泥環(huán)密封完整性評(píng)價(jià)裝置進(jìn)行了測(cè)試。套管內(nèi)最高加壓70 MPa時(shí)不同加載方式下測(cè)試的水泥環(huán)的密封性見(jiàn)圖7。

圖7 彈韌性水泥環(huán)70 MPa完整性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)曲線Fig.7 Integrity evaluation test curve of elastic and ductile cement sheath at 70 MPa

由圖7可以看出,加壓至50 MPa卸載至40 MPa,然后再加壓至 70 MPa 卸壓至 40 MPa,再加壓至70 MPa后完全卸壓至0,水泥環(huán)沒(méi)有發(fā)生氣竄。加卸壓循環(huán)了15次后水泥環(huán)始終保持密封性,沒(méi)有發(fā)生氣竄現(xiàn)象,表明微膨脹彈韌性水泥石能夠承受套管內(nèi)高壓力破壞作用,具有更好的密封保障能力。

2.3 優(yōu)化水泥石力學(xué)性能

為確定合理的水泥石彈性力學(xué)性能,采用彈性模量為7 GPa的彈韌性水泥漿體系進(jìn)行套管內(nèi)不同壓力作用下的數(shù)值模擬計(jì)算,結(jié)果見(jiàn)表6。

從表6可以看出,在90 MPa套管內(nèi)壓作用下,水泥環(huán)中產(chǎn)生的應(yīng)力遠(yuǎn)低于表4中常規(guī)水泥環(huán)在相同內(nèi)壓作用下產(chǎn)生的應(yīng)力,如果水泥石強(qiáng)度的降低比例小于彈性模量的降低比例,則水泥環(huán)不會(huì)發(fā)生拉伸破壞;在壓應(yīng)力下只產(chǎn)生彈性變形或者產(chǎn)生較小的塑性變形,從而抵抗疲勞破壞的周期會(huì)更長(zhǎng),即在多次分段壓裂施工作用下,不會(huì)產(chǎn)生微環(huán)隙而引起水泥環(huán)密封性破壞導(dǎo)致環(huán)空帶壓現(xiàn)象。因此,可通過(guò)控制水泥石彈性模量小于7 GPa,從而有效降低壓裂對(duì)水泥環(huán)力學(xué)完整性的影響,保持水泥環(huán)的密封性。

表6 水泥環(huán)應(yīng)力數(shù)值模擬結(jié)果 (彈韌性水泥漿)Table 6 Numerical simulation result of the stress on the cement sheath (elastic and ductile slurry)

2.4 預(yù)應(yīng)力固井措施

預(yù)應(yīng)力固井主要通過(guò)增加套管內(nèi)外壓差,使套管在水泥漿候凝過(guò)程中處于擠壓狀態(tài),水泥漿候凝結(jié)束后釋放掉環(huán)空壓力,使套管擠壓水泥石,增加水泥環(huán)界面膠結(jié)力,有利于防止環(huán)空后期帶壓和氣竄。預(yù)應(yīng)力固井技術(shù)在JY頁(yè)巖氣井生產(chǎn)套管固井的應(yīng)用主要通過(guò)盡可能降低套管內(nèi)替漿液柱壓力、增加套管內(nèi)外壓差實(shí)現(xiàn),該方法對(duì)浮箍和浮鞋的密封性能要求較高。目前普遍采用清水(或低密度鉆井液)頂替,已經(jīng)達(dá)到較好的效果;同時(shí)采取環(huán)空憋壓的方式候凝,一般要求憋壓5~8 MPa,條件具備的情況可以憋壓10~15 MPa。由于JY頁(yè)巖氣井生產(chǎn)套管封固段水平段地層承壓能力較低,憋壓可以采用逐級(jí)憋壓的方式。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

頁(yè)巖氣田大規(guī)模開(kāi)發(fā)在我國(guó)尚處于起步階段,固井技術(shù)與預(yù)防環(huán)空帶壓措施方面在國(guó)內(nèi)外可借鑒的經(jīng)驗(yàn)較少,2015年之前JY投產(chǎn)的頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)井生產(chǎn)套管環(huán)空帶壓比例較高。預(yù)防環(huán)空帶壓固井技術(shù)成果近年來(lái)在JY頁(yè)巖氣田試驗(yàn)應(yīng)用20多口井,在大規(guī)模壓裂后均未發(fā)生環(huán)空帶壓。

以JY91-2井為例,該井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見(jiàn)表7,三開(kāi)設(shè)計(jì)完鉆層位龍馬溪組,實(shí)際完鉆層位龍馬溪組,設(shè)計(jì)三開(kāi)完鉆井深 5 540 米,實(shí)際完鉆井深 5 526 m,固井方式為套管單級(jí)固井,要求水泥漿返至地面。

表7 JY91-2 井井身結(jié)構(gòu)Table 7 Casing program of Well JY91-2

該井地層承壓能力低,在二開(kāi)鉆進(jìn)過(guò)程中發(fā)生過(guò)漏失,降低或避免下套管和固井施工中發(fā)生漏失的風(fēng)險(xiǎn)是本次固井的主要難點(diǎn);二開(kāi)油氣較活躍,保證下套管和固井施工過(guò)程中的有效壓穩(wěn),防止環(huán)空帶壓是本次固井的重點(diǎn)。封固目的層為低孔低滲的頁(yè)巖氣儲(chǔ)層,固井施工結(jié)束后需要大型壓裂,對(duì)固井膠結(jié)質(zhì)量提出了較高的要求,在滿足生產(chǎn)井段水泥環(huán)膠結(jié)質(zhì)量良好的前提下,要求水泥石具有高強(qiáng)的彈韌性以及長(zhǎng)期密封性。

采用密度為1.55~1.60 g/cm3的SCW-D型前置液,用量大約 35 m3,保證 15 min 以上的沖洗時(shí)間。采用研制的微膨脹彈韌性水泥漿體系,領(lǐng)漿密度1.65 g/cm3,尾漿密度 1.88 g/cm3,彈性模量 6.1 GPa,其中尾漿返高至封固重疊段以上300 m。該井固井施工后憋壓9 MPa候凝,電測(cè)結(jié)果顯示固井質(zhì)量?jī)?yōu)質(zhì)。經(jīng)十多段大型壓裂后投產(chǎn)已經(jīng)兩年以上,未出現(xiàn)環(huán)空帶壓現(xiàn)象。

目前預(yù)防環(huán)空帶壓固井技術(shù)已在JY氣田進(jìn)行大規(guī)模推廣應(yīng)用,固井質(zhì)量?jī)?yōu)良率較應(yīng)用前提高了15%,壓裂投產(chǎn)后帶壓井下降了82%。

4 結(jié)論

(1)頁(yè)巖氣井環(huán)空帶壓的原因包括水泥石膠結(jié)差、水泥石體積收縮及水泥環(huán)密封破壞等,其中水泥環(huán)彈韌性不足,在規(guī)模壓裂時(shí)破壞造成密封失效是造成JY頁(yè)巖氣井環(huán)空帶壓的最主要原因。

(2)常規(guī)提高固井質(zhì)量的方法,只能避免短期內(nèi)的環(huán)空密封失效。必須從提高水泥環(huán)長(zhǎng)期密封性的角度研究提高界面膠結(jié)質(zhì)量、防止水泥石體積收縮,采用較好力學(xué)性能的水泥漿體系,才能真正解決JY頁(yè)巖氣田環(huán)空帶壓難題。

(3)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明,研究形成的提高沖洗液清潔效果,采用微膨脹彈韌性水泥漿并控制彈性模量小于7 GPa等預(yù)防環(huán)空帶壓綜合固井技術(shù),大幅度降低了JY頁(yè)巖氣井的環(huán)空帶壓比率,是預(yù)防JY頁(yè)巖氣田環(huán)空帶壓的有效手段。

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