高温高压防气窜水泥浆设计

l=Jl=J罗宇维等中海技服固井公司2000年10月l=Jl=Jl=J罗宇维张光超刘云华黄卫东张行云

(中海石油技术服务湛江分公司固井)摘要性能优良的水泥浆是保证固井质量的关键因素。众所周知，水泥环空气体窜槽对油气田开发将造成非常严重的后果：产能降低、套管腐蚀、地下水污染、注水开采工艺受限等等。而一旦发生气窜，即使花费大量的人力、物力和时间来挤水泥，也很难修复到不发生气窜时应有的封固状态。因此，优选有效的防气窜水泥浆设计就显得十分重要，对于HTHP高温高压固井尤其如此。水泥环气窜是一个极其复杂的物理、化学现象。尽管无数的国内外专家对气窜的形成原因和预防措施进行了大量的研究，但是气窜问题仍远未解决，层间窜流现象仍时常发生。本文将力图用“通道”的观点来解析气窜现象，提出一套综合的适用于高温高压固井的防气窜水泥浆设计的方法。关键词失水失重通道通道流动阻力环空有效液柱压力晶格膨胀一、 高温高压的定义海洋石油钻井准则，高温高压油气井具有以下特点：预计或实测井底温度BHST大于150°C；井底压力大于69Mpa(10000Psi)；或地层孔隙压力梯度大于1.80g/mL。二、 气窜形成的原因1〕气窜的方式气窜通常有如下三种方式：气体通过残留在环空中的泥浆通道运移；气体通过微环空通道窜移；气体通过胶凝水泥浆的孔隙通道移动。2〕气窜形成的原因气窜形成必须具备两个基本条件：一是要有通道，二是地层压力大于环空有效液柱压力与通道流动阻力之和。地层气体总是首先在水泥环通道阻力最小的地方进入，然后不断扩大通道，不断挺进。A、通道水泥环在凝结硬化过程中，通道是如何产生的呢？据有关研究成果表明，通道的形成原因主要有：图2水泥孔隙通道（1）泥浆顶替效率低，固井时部分泥浆残留在环空中。当水泥浆处在液相状态时，环空没有气窜通道。但是，当水泥浆水化自出现网架结构的时刻起，泥浆开始脱水收缩，产生裂缝，形成通道。随着水泥的水化过程的继续、泥浆收缩的加剧，通道不断扩大，如图1所示。图2水泥孔隙通道图1泥浆通道（2） 水泥浆早期强度低，环空水泥尚未胶结牢固就开始试压或者钻进，造成微环空间隙。此外，水泥浆添加剂体系不好，水泥浆凝固后的体积小于凝固前反应物（水泥、添加剂、外参料、水）的总体积，即发生水泥的化学收缩，也会产生微环空间隙。（3） 水泥水化过程中产生的网架孔隙通道：水泥水化的初始阶段，水泥浆处于液态状态，环空有一个稳定的过平衡压力。此时，气窜通道还未出现。随着水泥水化过程的继续，水泥浆的静胶凝强度逐渐增大，水化生成物颗粒不断长大，互相搭接，逐步形成“网架结构”水泥发展进入胶凝状态。此时，一方面，“网架”逐渐支承水泥的自重，造成水泥浆柱失重，环空有效液柱压力降低。此时，作为“攻”、“防”双方的“有效静液柱压力”与“气层压力”的力量对比发生逆转，使得气窜发生变得可能。另一方面，“网架”产生两种“孔隙”，即封闭孔和连通孔的结构形态。孔隙中充满了反应水。此时，如果连通孔即通道没有受到气体入侵，那么，它将随着水化继续而自行关闭；反之，如果通道在强大的气层压力下发生气侵，则通道再也不能关闭，水泥硬化后留下窜槽通道，如图2所示。因此，水泥水化过程中产生的通道是一种非常特殊的通道。通道出现的时刻取决于水泥浆的静胶凝强度的发展速度，稠化时间越长，通道出现越迟，反之亦然。通道的大小取决于水泥浆的配浆水含量及所使用的添加剂性能：配浆水的体积与水泥浆的体积比越大，通道就越大;高温高压防气窜水泥浆设计3使用的添加剂能使水泥晶格膨胀，通道就越小。通道的维持时间长短取决于水泥浆静胶凝强度的过渡时间和地层气体挤入与否：过渡时间越短，通道关闭越快；而一旦遭到地层气体侵入，气体通过的通道将不会弥合，气体尚未到达的通道却随着水泥浆静胶凝强度的增长而自行关闭。B、环空有效液柱压力由于水泥浆失水以及静胶凝强度的建立，环空有效静液柱压力由原来大小等于地层压力与过平衡压力之和快速降至等高水柱的静压值；然后，随着静胶凝强度的不断发展，“网架”支承水泥浆柱自重的能力越来越强，环空有效静液柱压力越来越小，直至最终完全消失，即水泥浆静胶凝失重。试验表明，一般的水泥浆凝固后均会发生不同程度的化学收缩，引起“负”静压。如图3所示。液态 过渡态 固态时 间一►图3 水泥浆失重曲线C、通道流动阻力通道流动阻力的大小主要取决于通道的大小以及通道内原有流体的粘度。通道的截面积大，流动阻力小；通道内原有孔隙水的粘度大，推动孔隙水运移所需的能量就大，因此，该通道的流动阻力就大。反之亦然。三、气窜的预防措施1〕气窜的预测•气窜潜力系数GFP（GasFlowPotentialFactor）GFP定义为最大允许压力MPR（MaximumPressureReduction）与井眼内过平衡压力OBP（OverBalancePressure）之比。即GFP=MPR/OBP而MPR=1.67L/（Dh-Dp）式中：L—水泥柱高度（英尺）Dh一裸眼直径（英寸）Dp一套管外径（英寸）OBP=Ph-Pf式中：Ph一静液柱压力（PSI）Pf一地层压力（PSI）Ph=泥浆P+前置液P+水泥浆P+回压P•气窜的评估气窜潜力系数准则GFP在0至8之间变化。该数值反映了气窜潜在问题的严重程度。GFP<4，严重程度：轻微；GFP=4—8,严重程度：中等；GFP>8,严重程度：严重。2〕气窜的预防从上述分析可知，防气窜的关键是当有效静液柱压力下降到地层压力时建立起足够的通道流动阻力并快速关闭通道，使得地层气体很难进入水泥基体，或者即使进入，行程也很短，根本无法造成层间窜槽。•GFP<4由于气体的入侵能量小，只要孔隙通道内有足够粘度的反应水，气体就很难克服反应水的流动阻力进入水泥基体。因此，解决防气窜最经济的方法是：优化固井工艺，提高顶替效率；采用环空蹩压、缩短水泥浆封固长度、提高水泥浆比重、用双凝水泥浆等措施降低GFP；应用低失水水泥浆体系固井。★GFP<4时推荐水泥浆的性能为：API失水值：小于或等于50毫升；稠化时间： 控制在最短的安全时间内；自由液：小于1%。GFP：4-8由于气体的入侵能量增大，孔隙内的流动阻力无法抵挡地层气体的进攻，只有采取快速关闭通道，缩短气体入侵行程；在通道中堆满“杂物”，减小通道有效截面面积，增加通道阻力来抵抗侵蚀。常用的这类水泥浆体系有：(1)胶凝滞后水泥浆体系。它延长“零”胶凝时间、缩短过渡时间，快速关闭通道，达到防气窜的目的。其静胶凝强度发展状况如图4所示。图4胶凝滞后水泥浆静胶强度发展曲线(2)触变水泥浆体系。水泥浆一旦顶替到位，其静胶凝强度就快速增长至足以抵抗气体入侵所需的500Lb/100ft2强度值，如图5所示。图5触变水泥浆静胶强度发展曲线胶乳水泥浆体系和非渗透水泥浆体系。通过乳胶本身的微小颗粒或者非渗透剂反应生成的塑料膜来堵塞通道，达到防气窜的目的。★GFP4-8时推荐水泥浆的性能为：API失水值：小于或等于100毫升；稠化时间： 控制在最短的安全时间内；自由液： 小于1%;过渡时间： 小于30分钟。GFP>8此时气体入侵的能量极大，必须在通道关闭以前保持足够的孔隙压力才能有效抵御。通常采用的方法是：(1)使用泡沫水泥浆体系。泡沫水泥浆中含有一定比例的氮气，分布在不同的封闭孔隙之间。由于氮气的压缩系数大，当孔隙压力因胶凝强度的增长和水泥浆失水造成下降时，氮气膨胀补偿一定的压力损失，从而达到防气窜的目的，如图6所示。(2)使用膨胀水泥浆体系。水泥水化时，膨胀剂使得水泥颗粒晶格膨胀，孔隙通道变小，流动阻力增大，孔隙压力增大。既补偿了压力降，又增加了水泥石的致密性。一般来说，水泥颗粒在水泥浆处于液相状态下发生晶格膨胀对防气窜没有多大意义，只有水泥浆处于过渡相以后发生晶格膨胀，即水泥颗粒在受限状态下膨胀才能起到应有的防窜效果。膨胀水泥稠化时所测得的压力变化过程如图7所示。★GFP>8时推荐水泥浆的性能为：API失水值：小于100毫升；稠化时间： 控制在最短的安全时间内;自由液： 小于1%;过渡时间： 小于30分钟。液态 过渡态 固态时间一图6泡沫水泥固井液柱压力曲线图7膨胀水泥稠化试验曲线四、高温高压防气窜水泥浆（1）高温高压防气窜水泥浆的设计•稠化时间控制温度是影响水泥浆稠化时间的关键因素，因此，一定要弄准井底温度。所选的缓凝剂既要耐井底高温，又要防止长封固段水泥浆顶部因温度太低出现超缓凝现象，还要避免使用对温度和加量变化太敏感的缓凝剂。通常的做法是：同时使用两种不同类型的缓凝剂，达到提高抗高温性能，减少缓凝剂用量的目的。此外，据哈里伯顿公司介绍，一种名为SCR-100L的非木质素磺酸盐缓凝剂能使长封固段水泥浆上下同时凝固。•水泥浆密度与混浆稠度控制用于高压气层固井的水泥浆密度通常都在2.3g/mL以上。要获得好的水泥浆混浆稠度，水泥浆的密度只有靠添加加重剂来提高。常用的加重剂有325目（45微米）左右、比重5.0-5.2g/mL的赤铁矿粉和5微米左右、比重4.9g/mL的黑锰矿粉。两者按一定比例一起使用，通过调整它们之间的比例以及加重剂总量与水泥的比例，使得水泥浆既有较高的密度，又有较低的配浆稠度。为了降低加重剂与水泥的比例，达到在相同的配浆稠度下提高水泥石抗压强度的目的，通常在水泥浆中需加入适量的分散剂。•沉降稳定性控制水泥浆中的加重材料容易引起水泥浆沉淀。要想水泥浆在井底循环温度BHCT下有足够的粘度悬浮颗粒，就必须在配浆稠度允许的情况下尽量提高颗粒较细的外掺料的比例，同时尽量避免使用冷浆稠度高、热浆稠度低的添加剂。•失水控制从现有的添加剂使用情况来看，胶乳在高温下的降失水性能最为稳定，且具有颗粒堵塞孔隙通道和化学收缩小的防气窜功能，冷浆与热浆稠度变化不大等优点，因此，它通常作为高温高密度防气窜水泥浆的主剂。由于胶乳的悬浮能力偏弱，所以，它常常还要和某些增稠的降失水剂配合使用。•防强度衰退控制常规水泥石在温度超过110°C时会发生强度衰退。防强度衰退的最简单方法是在水泥中掺入30-40%（BWOC）的硅粉。据有关资料介绍，如果硅粉的有效掺量小于30%，水泥石的强度比不加硅粉的更差。高温高密度水泥浆通常掺入总量为35—40%的硅粉，100目的粗硅粉和200目的细硅粉一起使用。硅粉防强度衰退的示意图如图8所示。图8 硅粉防水泥石高温(高于110°C)强度衰退•防气窜控制首先，优化固井工艺，尽量降低GFP；选好隔离液，提高顶替效率，为防气窜水泥浆凝固营造一个较好的环境。其次，设计出性能良好的防气窜水泥浆。由于高温高压气层固井的气窜严重程度(GFP)普遍偏高，一般的低失水水泥浆己无法解决气窜问题，因此，只能选用其它体系的水泥浆。考虑到深井气层固井施工安全系数要求大、水泥浆密度控制要求严格等特点，我们一般不推荐使用触变水泥和泡沫水泥，而建议使用胶乳水泥浆。设计胶乳水泥浆配方时，要调整好胶乳与胶乳稳定剂之间的比例，并选用与之匹配的缓凝剂，使得水泥浆的过渡时间小于30分钟，以增强防气窜能力。如果GFP接近8,则在胶乳水泥中添加高温膨胀剂，既补偿因胶凝强度发展造成的孔隙压力损失，又减少包括泥浆通道和水泥孔隙通道在内的通道截面面积，达到防气窜的目的。此外，所有的外掺料都粗细搭配，有利于水泥颗粒堆积得更加致密，因而也有利于防气窜。•其它控制加料先后顺序：胶乳容易起泡，一般先加消泡剂，后加胶乳；胶乳稳定剂要比胶乳先加，否则，稠化时间试验重复性差，并使过渡时间增长；细锰矿粉先加，粗赤铁矿粉后加，以避免沉淀。外掺料运输控制：硅粉适合与水泥干混配。在海上作业，加重剂不推荐与水泥预混配，因为加重水泥很难被压缩空气吹动。混浆设备要求：由于水泥浆密度高，不易配浆，因此，通常要用批

量混合罐预先混配好水泥浆后再往井内泵送。因为加重材料的密度大，搅拌时离心力大，容易被甩到混合罐的壁上，所以，混合罐的边角要圆弧过渡，搅拌器要低速而有力，以免加重剂大量沉积在角落，造成混合罐中间的水泥浆已经很稠，而水泥浆密度还低于配方设计值。(2) 典型配方配方1(BHCT125°C)材料名称材料功用重量F/W淡水31.882D-AIR3消泡剂0.5FDP-C485胶乳稳定剂5.7LATEX2000胶乳15CFR-3L0.6HR-25L分散剂1.4SCR-100L缓凝剂3.5HALAD-344L缓凝剂0.6MICROMEX降失水剂40HI-DENSE锰铁矿粉30SSA-1赤铁矿粉17.5SSA-2粗硅粉17.5PMC/G细硅粉水泥100水泥浆密度：2.4g/mL造浆率：122.28L/100Kg(1.83ft3/sk)水泥浆性能：自由液：0;失水：28mL；泵送时间：5:29稠化时间：5:30配方2(BHCT140C)材料名称材料功用重量F/W淡水30.54D144消泡剂0.44D135胶乳稳定剂1.41D134胶乳19.923D1210.5D150分散、缓凝、降失水4.927XE67758缓凝剂50D76锰铁矿粉50D30赤铁矿粉17.