任秋璇，胡倩，蔣中晟(川慶鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司，四川 成都 610025)

0 引言

在油田鉆井技術(shù)的開發(fā)工作中，為了有效提升油氣井固井的質(zhì)量，需要結(jié)合水泥特性、水泥漿流動規(guī)律、壓力平衡、井身質(zhì)量等方面因素，進行優(yōu)化設(shè)計，提高固井質(zhì)量[1]。通過加強對水泥漿防氣竄關(guān)鍵性能以及防氣竄能力方法的研究，可以有效提升防氣竄工作的效果，提高固井質(zhì)量，保證油井開采效率。

1 環(huán)空氣竄的危害和途徑

1.1 環(huán)空氣竄的危害

固井后環(huán)空氣竄是指在注水泥結(jié)束之后，水泥漿會由液態(tài)逐步轉(zhuǎn)化為固態(tài)，由于水泥漿不能保持對空氣的壓力，或是水泥漿竄槽等原因，導致膠結(jié)質(zhì)量較差，從而使氣層氣體竄入到水泥石基體、水泥與套管水泥與井壁之間的間隙等空間，造成空氣層間互竄，或竄入井口[2]。在當前的固井工藝中，固井后的環(huán)空氣竄是一個重大的難題，若固井后發(fā)生環(huán)空氣竄，會造成以下幾方面的危害：(1)導致水泥石的膠結(jié)強度降低，造成層間竄流的問題，對油氣層的測試評價造成不利影響，對油氣層造成污染，進而導致油氣的采收率下降。(2)對油井開發(fā)的后續(xù)造成不利影響，不利于注水、酸化壓裂和分層開采等工藝進行，嚴重時可能會造成井口冒油、冒氣等問題，甚至導致固井后井噴事故的出現(xiàn)，威脅生產(chǎn)的安全。(3)如果出現(xiàn)嚴重的環(huán)空氣竄，可能會造成油氣井報廢，造成巨大的經(jīng)濟損失和資源浪費。(4)會導致流體侵蝕和腐蝕套管，影響套管的強度，導致其使用壽命下降。

1.2 環(huán)空氣竄的途徑

研究認為，導致環(huán)空氣竄的原因主要有以下三個：(1)頂替效率不高會導致水泥漿出現(xiàn)竄槽的問題，在水泥膠凝、脫水和收縮的過程中，會形成氣竄的通道，從而導致氣竄的發(fā)生。(2)水泥石與套管和水泥石和地層之間存在微環(huán)隙，導致出現(xiàn)氣竄。導致出現(xiàn)微環(huán)隙的原因主要有三個，分別是水泥凝固時發(fā)生的化學收縮、水泥漿自由水析和溫度壓力變化[3]。(3)水泥漿始終也會導致環(huán)空氣竄的發(fā)生。

2 影響水泥漿防氣竄關(guān)鍵性能的主要指標

2.1 密度

在水泥漿注替以及凝固處理的過程中，就會出現(xiàn)相應(yīng)的竄流現(xiàn)象。其中水泥的密度是一個關(guān)鍵性的影響因素，因此在水泥漿注漿以及所產(chǎn)生的井液柱壓力與流動阻力的過程中，就會出現(xiàn)有流動性的地層流體壓力，這樣在小于地層壓力的情況下，就會出現(xiàn)有相應(yīng)的破裂壓力等現(xiàn)象，從而產(chǎn)生竄流的現(xiàn)象。其中，在水泥漿的組成過程中，主要包括在水泥、配漿水、外加劑等方面的材料，這些材質(zhì)的密度會對整個防氣竄的性能形成相應(yīng)的影響，并且對水泥漿的整個密度都有很大的反作用。其中，可以通過改變水灰比等方式，形成對整個密度的整體調(diào)節(jié)，因此在整個漿體的控制中，要嚴格注意相應(yīng)的密度[4]。

2.2 失水

在水泥漿主體注替過程中，受到水泥漿壓差的作用，會形成約束自由水的能力。相關(guān)的研究結(jié)果表明，如果在水泥漿施工過程中，沒有對濾失速率進行嚴格控制，在水泥漿頂替到位以后，在比較短的時間內(nèi)就會形成快速反應(yīng)，出現(xiàn)縮水反應(yīng)以后，環(huán)空液柱壓力和地層壓力之間的平衡就會受到一定的影響，進而對固井質(zhì)量產(chǎn)生不利的影響。當失水現(xiàn)象出現(xiàn)以后，受到失水的影響，氣層上會出現(xiàn)橋堵的問題，導致壓力的正常傳遞不能夠?qū)崿F(xiàn)。在橋堵點以下的位置，水泥漿會保持液體的形態(tài)，環(huán)空壓力會小于地層壓力，在這種情況下會出現(xiàn)地層流體環(huán)空性入侵的情況出現(xiàn)，這對整個固井施工工藝造成不利的影響，影響施工的質(zhì)量。

2.3 失重

在水泥漿防氣竄工作中，若水泥漿出現(xiàn)失重的問題，可能會導致固井施工過程中出現(xiàn)地層立體入侵的情況，對水泥漿柱的完整性造成不利的影響，還可能會導致水泥漿環(huán)空竄流的問題出現(xiàn)，極大影響固井的質(zhì)量，因此做好失重問題的控制是水泥漿防氣竄工作中非常重要的步驟。失重問題的出現(xiàn)可能是由于膠凝而引起的，膠凝引起失重以后，在物理作用和化學作用的雙重作用下，水泥漿會從液體逐步轉(zhuǎn)化成液體。在這個轉(zhuǎn)化過程中，水泥漿會以兩種形式共同存在。此時在網(wǎng)架等結(jié)構(gòu)的作用下，一些水泥漿的重量會懸掛在井壁以及套管等之上，水泥漿的重量被這些結(jié)構(gòu)分擔，其在地層中的壓力作用就會降低，這可能會造成竄流問題的出現(xiàn)。此外，橋堵也會引起失重問題的出現(xiàn)，在水泥漿的施工過程中，失水之后會形成水泥餅，在鉆井過程中會產(chǎn)生巖石和碎屑等。在施工過程中受到這些因素的影響，滲透層井徑間隙較小時，會出現(xiàn)橋堵的問題。在出現(xiàn)橋堵之后，橋堵部分注漿的壓力就不能被有效地傳遞到下部的地層之中，特別是當水泥漿體積減少時，會生成靜液柱壓力，受到這兩方面因素的雙重作用，會造成竄流現(xiàn)象的出現(xiàn)，對固井質(zhì)量造成比較大的影響。

2.4 靜膠凝強度過渡時間

水泥漿凝固需要一定的時間，在這個時間段內(nèi)，水泥漿存在一個由液體向著固態(tài)轉(zhuǎn)變的使時期，在這個使其水泥漿不是完全的固態(tài)，也不是完全的液態(tài)，這個時期被稱為靜膠凝強度過渡時間。在這個時期，由于水泥漿的狀態(tài)，會對液柱壓力的傳遞效果造成明顯的限制，導致水泥漿出現(xiàn)壓力明顯下降的問題，同時也會造成水泥漿內(nèi)部出現(xiàn)滲透性不好的問題。在這樣的情況下，氣體不能形成有效的運移，進而導致竄流問題的出現(xiàn)。相關(guān)研究結(jié)果顯示，通過對多組不同水泥漿體系失重或者竄流的試驗過程中，在水泥漿靜止之后，10 min內(nèi)靜膠凝強度就會呈現(xiàn)出相應(yīng)的變化，特別是當壓力處于10～50 Pa 的過程中，會有明顯的失重情況出現(xiàn)，進而可能導致氣竄等問題；當壓力不斷上升，達到130～220 Pa之后，隨著壓力的上升，水泥漿能夠良好地阻止竄流問題的出現(xiàn)?；谏鲜鲅芯靠芍?，水泥漿靜膠凝強度過渡時間越短，越能夠形成結(jié)構(gòu)全面發(fā)展的水泥漿。在這樣的情況下，可以有效避免竄流情況的出現(xiàn)，保證固井的質(zhì)量。

3 防氣竄能力評價的有效方法

3.1 沉降穩(wěn)定性的評價

在對水泥漿進行沉降穩(wěn)定性的評價工作中，首先要對水泥漿進行綜合管理，做好養(yǎng)護工作；然后在養(yǎng)護好的水泥漿中隨機選擇樣品，選擇500 mL水泥漿，用量筒乘取，并且放置2 h。在2 h以后，將量筒上部和下部的水泥漿分別倒入到強度試模中，對其進行養(yǎng)護。此時，利用凝固時間，以及其他一些相關(guān)角度測量出來的數(shù)據(jù)，計算出水泥漿密度。在上下部水泥漿石磨塊的換算密度中，能夠形成對防氣竄相關(guān)因素的整體運行。在整個計算過程中，能夠?qū)崿F(xiàn)對塑性膨脹防氣竄水泥漿體系形成沉降穩(wěn)定性的控制。當自由液的數(shù)值達到0時，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，可以對水泥漿整體防氣竄的綜合性能進行計算，獲得水泥漿防氣竄的能力，對其能力進行綜合性的評價。

3.2 韌性與膨脹評價的運用

在水泥漿防氣竄方法中韌性與膨脹評價具有重要應(yīng)用。韌性與膨脹評價是一種綜合性的評價方式，應(yīng)用了材料的彈性形成模量控制方式，相關(guān)的地質(zhì)狀況和整體性能技術(shù)，在具體的應(yīng)用中，按照材料彈性模量越小或泊松比越大其韌性越好原則，使用三軸應(yīng)力實驗儀和水泥石膨脹收縮儀對水泥石彈性模量和膨脹性進行測試，基于測試結(jié)果，對水泥漿的防氣竄能力進行評價。塑性膨脹防氣竄水泥漿體系的彈性模量較常規(guī)體系降低了18.3%，具有更好的塑性。同時該體系不發(fā)生體積收縮，膨脹率3.41%。

3.3 現(xiàn)場綜合評價的全面運用

塑性膨脹防氣竄水泥漿體系已經(jīng)進行了很多的應(yīng)用實踐，舉例來說。在XX8-11、XX8004 等多口井油層套管固井中，都應(yīng)用了塑性膨脹防氣竄水泥漿體系，獲得了很好的效果，總體來說，具有較好的合格率，可以很好地滿足水平井分段壓裂投產(chǎn)施工要求。如XX8-11井，具體參數(shù)如下：完鉆井深7420m，5-1/2″尾管下深7418m。通過應(yīng)用塑性膨脹防氣竄水泥漿體系，結(jié)合其他一些工藝技術(shù)，包括水平井前置液性能優(yōu)化、細化固井施工工藝等技術(shù)措施，有效地提高了固井的質(zhì)量。結(jié)果顯示，該固井質(zhì)量合格率達90.24%，優(yōu)良率72.98%。該井分段壓裂施工，在井口油壓最高 93.057 MPa、套壓 35.095 MPa下投產(chǎn)至今未發(fā)生環(huán)空氣竄現(xiàn)象。有效地保證了油井開采的效率，提高了企業(yè)的經(jīng)濟效益。

4 結(jié)語

在通過應(yīng)用先進的技術(shù)手段、合理的試驗方式，結(jié)合水泥漿的性能，以及和其他材料之間的配合關(guān)系。對水泥漿防氣竄關(guān)鍵性能和評價方式進行研究，可以更深入地了解水泥漿防氣竄關(guān)鍵性能，并且更好地進行水泥漿防氣竄能力評價，從而優(yōu)化水泥漿防氣竄能力，提高固井質(zhì)量，為油氣田的高效開采提供質(zhì)量保證。