水泥浆凝结过程的气窜问题

1～2mm
水泥 石 凝 结 均
匀 ,无连通的细 250 0. 10 0. 18 水槽 ,仅在上部
有宽约 1mm 的 间断横向水带
水泥 石 凝 结 均 较强 200 0. 00 0. 00 匀 ,无纵向和横
向水槽
水泥 石 凝 结 均
100 0. 00 0. 00 匀 ,无纵向和横 向水槽
水泥 石 上 部 有
刘崇建 谢应权 郭小阳 张明深 张朝晖 张 勇
(西南石油学院 ,四川南充 637001) (南海西部石油公司钻采工艺研究所)
摘要 水泥浆在凝结过程 ,因失重而造成的油 、气 、水窜问题是影响固井质量的重要因素之一 。针对深井 ,温度高 、压 力大 ,油 、气 、水活跃的特点 ,从机理研究和现场应用相结合的方法入手 ,对水泥浆失重 、气侵压力的测定 ,影响因素 , 防气窜机理和防气窜方法 ,进行了深入的研究 ,提出了采用水泥浆阻力变化值 、稳定性 、失水量以及保证水泥浆凝固 过程的压力平衡关系等措施 ,从而达到防止油 、气 、水窜的目的 。防窜试验表明 ,研究的 6 种水泥浆配方 ,都具有较好 的防气窜效果 ,分别适宜于不同压力梯度井深的要求 ,其中 32S 水泥浆防气窜能力最好 。 主题词 注水泥 ; 水泥浆胶凝 ; 窜槽 ; 气窜 ; 水泥浆性能 ; 水泥浆添加剂 ; 水泥组分 中图分类号 TE 256. 5
第 20 卷 第 4 期 西 南 石 油 学 院 学 报 Vol. 20 No. 4
1998 年 11 月 Journal of Sout hwest Petroleum Institute Nov 1998
水泥浆凝结过来自百度文库的气窜问题Ξ
形成良好致密的水
泥饼 ,降低滤失量 和水泥石的渗透率
防气窜剂 KQ - B 增加孔隙压力 , 降滤失剂 HS - 1 控制滤失量
Ξ 1997 —01 —07 收稿 刘崇建 ,男 ,1937 年生 ,教授 ,博士生导师 ,长期从事钻井 、固井 、完井工程及非牛顿流体流变学的教学和科研工作
48
西南石油学院学报 1998 年
118 ×39 160 ×61 180 ×80 118 ×39 160 ×61 180 ×80
1. 74 1. 94 2. 43 2. 03 2. 10 2. 13
4. 45 5. 52 8. 05 6. 00 6. 48 8. 18
8. 45 11. 30 11. 21 10. 08 10. 31 10. 67
表 2 两套水泥浆体系的抗气侵能力
水泥浆 配方 Gf
ρcs
试验条件 不同时刻的安全压力梯度 ρ( 0) 抗气侵 ( MPa) 60 ( min) 150 ( min) 210 ( min) 能力评价
1 - S 1. 42 1. 90 2 - S 1. 62 1. 95 3 - S 2. 01 2. 40 1 - P 1. 42 1. 90 2 - P 1. 62 1. 95 3 - P 2. 01 2. 40
2 %; (3) 在水泥浆柱中 ,水泥浆内自由水的分离 ,形
成了连通的轴向水槽 (或水带) ,降低了对地层的压 力 。该作用在斜井中尤为明显 ,并在井壁上侧形成 了一条明显的水槽 ,这是油 、气 、水窜的主要通道 ;
(4) 水泥浆失水一般较大 ,其自由水易渗入渗
透性好的地层 ,在环形空间中产生桥堵 ,防碍了浆柱 对桥堵以下段的压力传递 ,造成了桥堵段下面地层 的油 、气 、水互窜 。
第 4 期 刘崇建等 : 水泥浆凝结过程的气窜问题
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段水泥浆的初凝时间 te1 (5. 1～8. 5h) ; 下部速凝段 水泥浆的初凝时间 te2 (3h 左右) 。表 4 列出了双凝 水泥浆的试验结果 。
表 3 水泥浆失水量的作用
水泥浆配方 (0144W/ C)
(3) 水泥浆凝固时间增加到 150 min 后 ,6 种水 泥浆的ρ0有较大幅度的增加 ,超过地层压力梯度的 2～5 倍 ,说明水泥浆在此期间后 ,不可能出现油 、 气 、水窜问题 。
上述分析说明 ,研究的水泥浆配方 ,应考虑的气 侵危险时刻在 1h 左右 ,此时需要注意观察气窜预 兆 ,并备有相应的防气窜措施 。 1. 2 水泥浆失水的作用
序号 1- S 1- P
水泥浆 压力
类别 密度 梯度
ρc
Gf
国外
1. 90 1. 42 国内
防窜外加剂
防窜方法
Halad - 344L 增长零胶凝强度时 Halad - 413L 间 ,控制滤失量
膨胀剂 SEP 增加凝固阻力 , 降滤失剂 HS - 1 控制滤失量
2- S 2- P
国外 国内
1. 95
(1) 水泥浆在凝结过程中 ,其内部结构力不断 增强 ,与井壁和套管的连接力 (胶凝强度) 不断增加 , 水泥环重量逐步悬挂在套管和井壁上 ,降低了对地 层的压力 ;
(2) 水泥浆在凝结过程中 ,由于水化作用 ,水泥 石基体内部收缩形成微孔隙 ,同时外观也产生体积 收缩 ,降低了孔隙压力和对地层的压力 。一般水泥 浆初凝时的收缩率为 011 %～ 0. 5 % , 终凝却大于
500 0170 0172 微细 连 通 自 由 中等 水通道
水泥 石 内 凝 结
250
0135 0127
基本均匀 ,上部 有间 断 的 微 细
水槽
200
0108 0105
水泥 石 凝 结 均 匀 ,无纵向和横
较强
向水槽
水泥 石 凝 结 均
100 0. 00 0. 00 匀 ,无纵向和横 向水槽
表 4 单凝水泥浆和双凝水泥浆防气侵的比较
1. 1. 1 水泥浆凝结过程孔隙压力的变化 图 1 为不同防气窜主剂的水泥浆体系在凝固过
程孔隙压力的变化曲线 。该水泥浆体系的其它综合 性能均满足固井施工工艺技术的要求 。
侵安全压力梯度ρ0 大于各自井况的地层压力梯度 , 说明水泥浆不会因失重而引起油 、气 、水窜问题 ;
(2) 两套体系的水泥浆在不同凝固时刻 ,其抗 气侵能力并不完全相同 。在凝固初期 1h 左右 ,1 S ,2 - S ,1 - P ,2 - P ,3 - P 浆体的失重都造成了有效 液柱压力略小于水泥浆原始密度 ,但却大于地层压 力梯度 ;而 3 - S 水泥浆在凝固 60 min 时 ,浆柱有效 压力增加为ρ0 = 2. 43 g/ cm3 ,略大于水泥浆原始密 度 2. 40 g/ cm3 ,说明抗气侵能力最强 ;
表 3 列出了试验温度为 82 ℃时 ,几种水泥浆在 <38 ×1 000 mm 的玻璃管中 ,水泥浆凝结过程出现 的一些现象 。从实验可以观察到 ,失水大的水泥浆 , 自由水容易聚集并形成微细通道 ,使水泥浆稳定性 变差 。微细通道使自由水窜至顶部 ,形成分离的析 水 ,这显然是油 、气 、水窜的薄弱通道 。
前 言
注水泥完后 ,环形空间油 、气 、水窜和井口冒油 、 冒气 ,至今仍是国内外还没有很好解决的固井质量 问题 ,特别在高压油 、气井内 ,这种现象尤为突出 。 经过大量的生产实践及研究表明[1 ,2 ] ,造成油 、气 、 水窜的主要原因 ,在于水泥浆凝结过程 ,其液柱压力 在不断降低 (即水泥浆失重) 。当作用于井筒内的浆 柱 (泥浆和水泥浆) 压力逐渐降到低于油 、气 、水层压 力的某一时刻 ,油 、气 、水就会侵入环形空间 ,造成 油 、气 、水的窜流和井口冒油 、冒气 。水泥浆失重的 原因归纳起来有如下几方面[3～5 ] :
下面通过实验方法 ,对水泥浆防窜机理 、影响因 素及其预测方法[6 ,7 ] ,进行探讨 。
1 影响水泥浆凝结过程气窜的因素
1. 1 不同浆体的防气窜作用 实验选用了国内 、外 6 种不同防气窜水泥浆体
系 。其适用的地层压力梯度 、防窜外加剂和作用原
理如表 1 所示 。
表 1 防气窜外加剂和防气窜方法
模拟 装置
水泥浆 类 型
速凝 (缓凝) 段长
水泥浆 柱压力
( M Pa)
气层 压力 3 ( M Pa)
压差 比 ( %)
气 侵 情 况
1
单凝
(615)
01117
01088 (01071)
25. 0
3. 52h 气窜到顶
双凝 115 (5) 01117 01088
未气侵
单凝 (2)
010333 715 2. 05h 气窜到顶
双凝
010333 715
未气侵
2
双凝 双凝
0166 (1137)
010342 5. 0 01036
010345 4116
未气侵
下部速凝段有气 侵 ,未穿透
单凝 (2)
010315 (010295)
2. 8h 气窜到顶
3
01036
1215
双凝
0166 (1137)
010315
未气侵
注 : 括弧中的数值为开始气侵时浆柱的压力
G级 嘉华水泥
API 失水量 (ml)
析水率 ( %)
标准 长玻 测量 璃管
1600 1140 1136
水泥浆凝 结情况
抗气侵 能 力
水泥 石 内 有 间
断 ,极细连通的 极弱 自由水通道
G级 + 1 %SXY + 1. 2 %B G级 + 1 %HS - 1 + 0. 7 %SXY
G级 + 3 %HS - 1 + 017 %SXY
表中数据说明 ,30 min 失水量大于 500 ml 水泥 浆的抗气窜能力比失水量小于 250 ml 的水泥浆弱 得多 ,而低于失水量 250 ml 的水泥浆 ,抗气窜能力 虽有差别 ,但并不明显 。实际上 ,这些浆体的抗气窜 能力 ,主要表现在稳定性和低析水 。 1. 3 双凝水泥浆
在三种模拟井筒内 ,进行双凝水泥浆的气侵试 验 。模拟装置 1 ,井筒内径 D = 100 mm ,无内管 d ,长 度 7 000 mm ; 装置 2 ,D = 90 mm , d = 60 mm ,长度 2 000 mm ; 装置 3 , D = 90 mm , d = 40 mm ,长度 2 000 mm 。水泥浆密度ρc = 1. 80g/ cm3 , 上部缓凝
1. 95
SCR - 100L 增加凝固阻力和触 Halad - 413L 变性 ,控制滤失量
早强剂 SW - 2 增加早强和凝固阻 降滤失剂 HS - 1 力 ,控制滤失量
3- S 3- P
国外
2. 30～ 2. 40
2. 01
国内
Latex2000 SCR - 100L Halad - 413L
G级 + 4 %HS - 1 + 017 %SXY G级 + 7 %HS - 1 + 018 %SXY
G级 + J R2 + SXY
水泥 石 内 有 极
700 1100 1180 细的 自 由 水 上 较弱 窜通道
水泥 石 内 有 宽
500
0. 60 0. 50
窄不均 、连通的 细水槽 ,槽宽约
中等
从表 4 可知 : (1) 双凝水泥浆的防气窜效果明显优于单凝水 泥浆 。在相同条件下 ,单凝水泥浆发生了气窜 ,而双 凝水泥浆却阻止了气体进入井筒 。
(2) 随着气层压力的增加和压差比减少 ,双凝 水泥浆防止气窜的效果 ,同样有一定的限制 。从序 号 2 的实验可以看出 ,当压差减少了 215 %后 ,防气 窜仍然有效 ,当压差比进一步减小到 4116 %时 ,气 体同样侵入速凝水泥段 ,气体虽未穿过该井段 ,却在 下部形成明显的气斑 。压差比用 ( Pc - Pf) / Pc 表示 , Pc ,Pf 分别为水泥浆柱原始压力和气层压力 。
较强 较强 强 较强 较强 强
图 1 不同水泥浆的凝结时间 (ts) 与孔隙压力 ( Pp) 曲线
分析图 1 可知 : (1) 加有防气窜的水泥浆 ,其孔隙压力的降低 比一般水泥浆降低缓慢 ,并趋于某一恒定数值 ; (2) 不同的防气窜水泥浆 ,其孔隙压力的恒定 数值是不相同的 ,Latex2000 (胶乳型) , KQ2B 最大 ; Halad2344L (增长零胶凝强度时间) , SEP 较大 ; Hal2 ad - 413L ,SCR - 100L (早强触变型) ,SW - 2 次之 。 不同孔隙压力的恒定值适于不同地层压力梯度的防 气窜要求 。一般水泥浆孔隙压力降低最快 ,7～8 h 后 ,孔隙压力的降低才有减缓的趋势 ,因此 ,防气窜 能力较弱 。 1. 1. 2 水泥浆的防气窜能力 现将 6 种水泥浆在不同试验条件下 ,所作的不 同凝固时间的抗气侵能力 ,即不气侵的安全压力梯 度ρ0 和具体评价列于表 2 中 。ρ0 等于水泥浆气侵 时的压力梯度ρ1 - 0. 3 。由表 2 可知 : (1) 研究的 6 种水泥浆在不同凝固时间的不气