大牛地气田防窜水泥浆体系研究与应用(钻采工艺发表).doc

大牛地气田固井防窜水泥浆体系研究与应用巢贵业 陈宇 （中石化华北分公司勘探开发研究院 河南郑州）摘要：大牛地气田具有低压、低渗、个别井段易漏和固井后易气窜的明显特点。在2004年之前大牛地气田固井质量极不稳定，通过分析研究，发现水泥浆的性能严重影响固井质量。针对水泥浆性能影响固井质量的原因分析，通过水泥浆体系和水泥石的室内试验与评价，优选出适合本工区的水泥浆体系，固井质量取得了比较理想的效果。关键词： 大牛地气田 低压低渗 水泥浆 水泥石 室内评价 防气窜性能评价 固井质量 Study and application of cement slurry system in low pressure and low permeability reservoir of Daniudi gas fieldChaoguiye Chao Gui ye， Exploration & Development Institute of Huabei Branch, SINOPEC. Zhengzhou 68629037, henna，China.Abstract: Because of the characteristics of low pressure, low permeability, easy leaking in some intervals and easy gas channeling in Daniudi gas field, Cementing quality is unstable in Daniudi gas field before 2004 due to poor cement slurry performance. Cement slurry system suitable for Daniudi gas field is optimized through large experiments and evaluations of cement slurry and cement stone. Key words: Daniudi gas field low pressure low permeability cement slurry cement stone experiment and evaluation performance evaluation cementing quality大牛地气田是一个多套气层纵向上互相叠加，平面上叠合连片的复式大型气田，主要目的层为下石盒子、山西组和太原组，空隙度为7.41-9.5%，孔隙压力梯度当量密度0.89-0.99g/cm3，渗透率为0.484-1.357mD，破压梯度当量密度1.54-1.95g/cm3。储层属于低压低渗气藏。一开井身结构：311mm钻头301m+244.5mm套管300m；二开井身结构：215.9mm钻头2950.0m+139.7mm套管2948m1.目地层段防窜水泥浆体系的研究水泥浆体系是现场固井质量优劣的最主要保障，优选水泥浆体系时除了考虑的本身的性性能外，还要考虑现场施工条件及目的层的物性状况，只有进行综合考虑，室内研制出的水泥浆体系才能真正符合现场施工要求，室内主要是通过低失水、高流变性（n0.7,k0.1），短过渡时间（20min），微膨胀，早期抗压强度发展快等特点入手，进行水泥浆体系的室内性能研制。通过室内实验，研究出以GSJ、DZJ为主剂防气侵水泥浆配方及性能见表1表1 防气侵水泥浆配方及性能配方流体密度g/cm3稠化时间 min过渡时间min失水ml析水%抗压强度24h六速G级水泥+GSJ+GH-3+USZ 领浆1.7515015183.015.548/27/15/9尾浆1.89124126.00.023.4119/65/48/25G级水泥+DZJ+DZC+USZ领浆1.7511412122.01650/26/17/10尾浆1.897810100.022.5110/63/47/292.非目的层段防漏低密度水泥浆的研究目前在国内低密度水泥浆中所应用的减轻剂主要有：钻井液用膨润土、膨胀珍珠岩、水玻璃、微硅、粉煤灰、漂珠等，其中前四种均是以增大水灰比的形式来降低水泥浆体系的密度，这样所形成的水泥浆体系有一定的缺点，如在大牛地气田使用，由于地温偏低等特点，低密度水泥石强度发展缓慢、且强度偏低，达不到封隔地层、支撑套管的要求。因此，选用漂珠作为减轻剂，在室内通过一系列的测定试验，筛选出的漂珠为德州漂珠。从大牛地气田的实际情况来分析，井深一般在27003000m，地层压力梯度为1.15g/cm3，破压梯度应为1.6 g/cm3，考虑到地层破裂压力最薄弱的点仍然在刘家沟底部，破裂压力梯度当量在1.301.40g/cm3，低密度水泥的最佳配比70：30，最佳水灰比为0.6。依据已掌握的目地层段防窜水泥浆体系，优选的非目的层段防漏低密度水泥浆的配方及性能见表2。表2 低密度水泥浆配方及性能配方密度g/cm3稠化时间 min过渡时间min失水ml析水%抗压强度24h六速读数漂珠+GSJ体系1.2518617260.064.289/63/21/18/5/2漂珠+DZJ体系1.2517719160.24.897/49/35/21/6/53.水泥浆性能评价3.1水泥浆常规性能见表3表3 水泥浆流变性能体系类型nK（Pasn）环空紊流临界排量(m3/min)摩阻系数（Pa/m）100%居中度85%居中度管内环空226.8237.6226.8237.6121.36226.8237.6DZJ低密度0.8670.9852.272.502.692.922074983.6574.7领浆0.9060.0471.261.421.461.642166985.3659.5尾浆0.7430.3182.572.822.863.382496937.9660.4GSJ低密度0.9810.0532.322.462.632.871944.5960.7612.7领浆0.9590.0321.231.391.431.612523.7998.5796.5尾浆0.8650.152.352.532.662.922550.61056785.5从表1、表2、表3看出，优选出的水泥浆的稠化过渡时间基本上都在十五分钟左右，属于直角稠化，失水、析水控制得相当好，有利于防气窜，同时这两种水泥浆体系具有低磨阻、低的紊流临界排量，现场很容易实现紊流顶替。3.2水泥浆稳定性评价对于现场施工来说，水泥浆密度的控制，是固井施工质量的一项重要指标，但是现场施工密度控制不可能达到完全统一。所以水泥浆密度波动是影响固井质量的重要因素，通过调整水泥浆体系中的添加剂的加量，对各种性能进行分析对比，在室内测试各种密度下水泥浆性能的变化情况。水泥浆体系的密度波动对性能的影响测定见表4表4 水泥浆体系密度波动对性能的影响体系流体密度(g/cm3)失水(ml)析水(ml)稠化时间(min)抗压强度（MPa）24h/7048h/70GSJ水泥浆低密度1.25440.11353.85.81.28260.41264.26.8常规密度1.80362.014117.521.51.85251.012521.626.41.90180.510523.427.8DZJ水泥浆低密度1.25502.01364.15.91.28160.21274.87.2常规密度1.80382.08715.620.51.8590.58223.025.01.90160.57823.625.2从表中测试可以看出，低密度水泥浆体系相对稳定，无分层及沉淀现象出现，抗压强度完全达到现场施工要求。由于低密度水泥浆体系与常规密度水泥浆体系使用同一种外加剂，所以两种水泥浆体系配伍性好，同时, API滤失量可控制到50ml以内；浆体的自由水含量微小，可减少由于游离水造成的浆体回落，有利于保证水泥返高达到设计要求。常规密度水泥浆体系在密度波动0.05g/cm3时，仍能保持较好的性能，这有利于现场施工操作。并保证施工安全和固井质量。3.3水泥浆防气窜性能评价利用水泥浆性能系数（SPN）评价水泥浆防窜性能：SPN=0SPN 3 防气窜效果好；3SPN6防气窜效果中等；6SPN防气窜效果差。从计算结果来看，水泥浆性能系数SPN 3，因此防气窜效果好。式中：B：水泥浆30min失水量mlt100BC：水泥浆稠度100BC时间min t30BC：水泥浆稠度30BC时间min4.水泥石性能评价4.1水泥石的弹性模量的测定弹性模量是材料刚性的量度，弹性模量越大，说明在相同外力作用下，其变形越差，越易脆裂。弹性模量的测定结果见表5表5 水泥石的弹性模量(rs=1.90 g/cm3)序号配 方温度()48h弹性模量103MPaD，%1纯G级水泥净浆706.44302G级水泥+DZJ+USZ5.42617.23G级水泥+GSJ+USZ4.23636.1由表可以看出，随着DZJ、GSJ的加入，显著改善了水泥石的可变形能力，其弹性模量较原水泥浆下降了17.2%、36.1%。4.2水泥石冲击破坏能力评价按正常方法制得射钉试验用的水泥石试块。将不同龄期的水泥石，用常规射钉枪将钉子从水泥石一端射入，观察水泥石破裂情况。试验见图1、图2、图3、图4，从抗冲击破坏能力实验比较发现，防窜水泥浆体系凝固后的水泥石试块具有较强的抗冲击破坏能力，可以有效提高水泥石抵抗射孔作业带来的破坏；纯水泥石抗冲击破坏能力随着养护龄期的增长而变差。 图1 纯水泥浆养护1天 图2 防窜水泥浆养护1天 图3 纯水泥浆养护15天 图4防窜水泥浆养护15天5.水泥浆体系的现场应用情况5.1大32井一次上返固井施工（2004.6.10 完钻井深：2935m）水泥浆体系（GSJ）大样室内复核试验：低密度水泥浆：密度1.27g/cm3；失水37ml； 析水0.2ml；稠化时间177min； 过渡时间25min。常规密度水泥浆：密度1.89g/cm3；失水12ml； 析水0.0ml；稠化时间116min； 过渡时间16min。现场施工及固井质量评价：注MS前置液10 m3；注低密度水泥浆99 m3，平均密度为1.24g/cm3；注领浆5 m3，平均密度1.72 g/cm3；注尾浆17 m3，平均密度1.88 g/cm3；注压塞液1m3;泥浆泵顶替（排量2.4m3/min）26.6m3，顶替泵压6.5MPa，加上井内液柱压力达到破裂压力的95%，改用水泥车顶替（排量0.3 m3/min），总替量34.3m3；碰压16MPa。侯凝48小时后测固井质量优质。5.2 DK13井现场施工（2004.12 完钻井深：2781m）水泥浆体系（DZJ）大样室内复核试验：低密度水泥浆：密度1.29g/cm3；失水42ml； 析水0.4ml；稠化时间165min； 过渡时间22min。常规密度水泥浆：密度1.90g/cm3；失水10ml； 析水0.0ml；稠化时间96min； 过渡时间13min。现场施工及固井质量评价：注MS前置液10 m3；注低密度水泥36 m3，平均密度1.28g/cm3；注领浆5 m3，平均密度1.75 g/cm3；注尾浆17 m3，平均密度1.89 g/cm3；注压塞液1m3;泥浆泵顶替（排量2.4m3/min）29.0m3，顶替泵压6.0MPa，加上井内液柱压力达到破裂压力的95%，改用水泥车顶替（排量0.3 m3/min），总替量31.9m3；碰压16MPa。侯凝48小时后测固井质量优质。水泥浆体系现场应用效果截至2005年12月共完成固井227井次，优质井为209井次，优质率为92.07%，合格井227井次，合格率为100%；其中用DZJ水泥浆固井129口，优质井为118口，优质率为91.47%；合格井129口，合格率为100%；GSJ水泥浆固井98口，优质井为91口，优质率为92.86%；合格井98口，合格率为100%。固井质量取得了比较理想的效果。结论1 优选的水泥浆体系比较理想，在达到低速紊流的同时其防气窜效果比较好。2 通过水泥石的室内评价，对优选水泥浆体系具有指导作用。3 水泥浆体系凝固后的水泥石能满足开发和后续工程的需要，对