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1、高温高压固井防气窜水泥浆设计 罗宇维等中 海 技 服 固 井 公 司2000年10月高温高压固井防气窜水泥浆设计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
2、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：l 预计或实测井底温度BHST大于150；l 井底压力大于69Mpa(10000Psi)；l 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：l 气体通过残留在环空中的泥浆通道运移；l 气体通过微环空通道窜移；l 气体通过胶凝水泥浆的孔隙通道移动。2 气
3、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。 高温高压防气窜水泥浆设计 2A、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：（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。泥浆气孔 图1 泥浆通道 图2 水泥孔隙通道（2）
4、 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
5、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
6、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
7、示。 液态 过渡态 固态 液 柱 压 力气层压力线等高水柱静压线零压力线 时 间 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。 高温高压防气窜水泥浆设计 4三、气窜的预防措施 1 气窜的预测l 气窜潜力系数GFP(Gas Flow Potential Factor)GFP定义为最大允许压力MPR(Maximum Pressure Reduction)与井眼内过平衡压力OBP(Over Balance Pressure
8、)之比。即GFP=MPR/OBP而MPR=1.67L/(Dh-Dp) 式中：L水泥柱高度（英尺） Dh裸眼直径（英寸） Dp套管外径（英寸） OBP=Ph-Pf 式中：Ph静液柱压力（PSI） Pf地层压力（PSI） Ph泥浆P前置液P水泥浆P回压Pl 气窜的评估气窜潜力系数准则10987654312111 2 3GFP在0至之间变化。该数值反映了气窜潜在问题的严重程度。GFP8,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。l
9、GFP4 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， 高温高压防气窜水泥浆设计 5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：（1）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；（2）应用低失水水泥浆体系固井。 GFP8 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
10、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 高温高压防气窜水泥浆设计 7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。 GFP8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 固态泡沫水泥 液 柱 压 力气层压力线等高水柱静压线常规水泥零压力线 时 间 图6 泡沫水泥固井液柱压力曲线100Bc稠 度 与 压 力膨胀水泥压力曲线常规水泥压力曲线
