金勇,許明標(biāo),王曉亮 (長江大學(xué)石油工程學(xué)院,湖北 武漢 430100)

適合小井眼單通道井固井水泥漿體系研究

金勇,許明標(biāo),王曉亮 (長江大學(xué)石油工程學(xué)院,湖北 武漢 430100)

小井眼單通道井將小井眼鉆井技術(shù)與單通道井技術(shù)相結(jié)合,由于環(huán)空間隙小以及只有一個(gè)油管通道的特點(diǎn),在固井中對水泥漿的性能及安全性提出了更高的要求。通過室內(nèi)比較研究,針對小井眼單通道井固井的特點(diǎn),提出了一套用D級水泥配制的低黏聚合物水泥漿體系,該體系流變性能好,濾失量小,零自由水,穩(wěn)定性好,密度和稠化時(shí)間可調(diào),韌性好,安全性能好,能滿足小井眼單通道井固井對水泥漿的各項(xiàng)要求,具有良好的應(yīng)用前景。

小井眼;單通道井;固井;水泥漿

在油田開發(fā)的中后期,開采未被開發(fā)的儲(chǔ)量難度越來越大,采用常規(guī)的鉆完井模式開采的話,投入高,風(fēng)險(xiǎn)大,經(jīng)濟(jì)效益不高。此外,針對一些邊際油田和那些單井產(chǎn)量不高的區(qū)塊,也不適宜采用常規(guī)的鉆完井模式。小井眼單通道井將小井眼鉆井技術(shù)與單通道井技術(shù)相結(jié)合,采用小的井眼尺寸,簡化的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)管柱設(shè)計(jì),完井作業(yè)不占用鉆機(jī)時(shí)間,能夠最大限度地降低鉆完井費(fèi)用。同時(shí)根據(jù)調(diào)研的國外成功開發(fā)經(jīng)驗(yàn),小井眼單通道井技術(shù)可用于開發(fā)煤層氣、頁巖氣資源,因此單通道井可為非常規(guī)油氣資源的開發(fā)提供重要的技術(shù)基礎(chǔ)[1]。

1 小井眼井與單通道井的區(qū)別

小井眼井指的是70%的井深直徑小于177.8mm的井[3],其主要特點(diǎn)就是井徑較常規(guī)井小,環(huán)空間隙小;單通道井是一種用油管代替套管,并對油管實(shí)施固井和射孔的一種油氣生產(chǎn)井鉆完井方式。小井眼井與單通道井的主要區(qū)別在于二者井身結(jié)構(gòu)的不同,小井眼井與常規(guī)井的井身結(jié)構(gòu)相同,完井后存在2個(gè)流通通道,一個(gè)是用于油氣生產(chǎn)的油管,一個(gè)是用于壓井用的油管與套管的環(huán)形空間;而單通道井只有一個(gè)用于油氣生產(chǎn)的油管通道,油管與地層 (或套管)之間直接用水泥環(huán)封死。因此,單通道井可能是小井眼井鉆井后完井,也可能是常規(guī)井鉆井后完井。

2 小井眼單通道井固井技術(shù)難點(diǎn)

小井眼單通道井固井的難點(diǎn)既包括小井眼固井難點(diǎn),也包括單通道井固井難點(diǎn)。因此,小井眼單通道井固井難點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

1)小井眼井由于環(huán)空間隙小,在注水泥過程中阻力大,需要較高的施工壓力,風(fēng)險(xiǎn)較大。

2)小井眼井頂替效率低、套管居中度低,對固井質(zhì)量影響較大。

3)小井眼井水泥環(huán)薄,水泥石強(qiáng)度低,水泥石與地層、套管的膠結(jié)質(zhì)量難以保證[4]。

4)小井眼較窄的環(huán)空間隙容易導(dǎo)致水泥漿處于高的剪切狀態(tài)下,從而引起水泥漿的快速失水或脫水,造成橋堵、憋泵甚至壓漏地層。

5)單通道井沒有傳統(tǒng)井眼的壓井通道,固井風(fēng)險(xiǎn)較大,需要下入井下安全閥,為保證安全閥不受固井水泥漿的不良影響,對水泥漿的性能提出了更高的要求。

6)單通道井與常規(guī)井相比,井身結(jié)構(gòu)較為簡單,在井下遇到問題需要大修時(shí),不能像常規(guī)井那樣使用井下工具,而是采用側(cè)鉆的方式,在固井設(shè)計(jì)水泥漿返高時(shí)要考慮側(cè)鉆的要求。

3 小井眼單通道井固井水泥漿體系性能評價(jià)

3.1 低黏聚合物水泥漿體系常規(guī)性能

小井眼單通道井固井水泥漿體系需要水泥漿具有低黏、零自由水、濾失小、穩(wěn)定性好、抗壓和抗折強(qiáng)度高以及稠化性能和安全性能良好。室內(nèi)研究出了適用于小井眼單通道井固井水泥漿體系,表1為低黏聚合物水泥漿體系性能評價(jià)。由表1可知,該水泥漿體系具有較好的抗壓強(qiáng)度。

1#低黏聚合物水泥漿低溫配方:D級水泥+37.0%實(shí)驗(yàn)室淡水+0.5%消泡劑CX66L+2.0%彈性乳液GR1+3.5%降失水劑CG83L-D10+8.0%孔隙支撐劑MX+1.0%分散劑CF44L+0.15%緩凝劑H63L+0.2%纖維BING-Ⅰ(配方中百分?jǐn)?shù)為質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)。

2#低黏聚合物水泥漿高溫配方:D級水泥+35.0%硅粉SSA1+42.0%實(shí)驗(yàn)室淡水+0.5%消泡劑CX66L+2%彈性乳液GR1+5%降失水劑CG83L-D10+8.3%孔隙支撐劑MX+1.5%分散劑CF44L+ 0.3%～0.8%緩凝劑H63L+0.3%纖維BING-Ⅰ。

表1 低黏聚合物水泥漿體系常規(guī)性能

3.2 水泥漿體系流變性能評價(jià)

室內(nèi)針對不同溫度下低黏聚合物水泥漿與膠乳水泥漿流變性進(jìn)行了對比,并確定其流變模式,試驗(yàn)結(jié)果見表2。

3#膠乳水泥漿配方:G級水泥+37.0%實(shí)驗(yàn)室淡水+0.5%消泡劑CX66L+2.0%彈性乳液GR1+ 3.5%降失水劑CG83L-D10+8.0%孔隙支撐劑MX+1.0%分散劑CF44L+0～0.5%緩凝劑H63L+ 0.2%纖維BING-Ⅰ。

表2 不同溫度下低黏聚合物水泥漿與膠乳水泥漿流變性

圖1、2確定了低黏聚合物水泥漿與膠乳水泥漿體系的流變模式,對室溫、50、70、90℃條件下的流變參數(shù)進(jìn)行了回歸分析。根據(jù)圖1、2中曲線的特征和回歸系數(shù) (R2)可以分析出,低黏聚合物水泥漿體系和膠乳水泥漿體系都符合賓漢塑性流體的特征,且低黏聚合物水泥漿體系的R2更大更接近1,因此其相對于膠乳水泥漿體系而言流變性能更好。

圖1 低黏聚合物水泥漿體系流變性回歸分析 圖2 膠乳水泥漿體系流變性回歸分析

3.3 水泥漿沉降穩(wěn)定性評價(jià)

根據(jù)GB/T 19139—2003,室內(nèi)利用流變數(shù)據(jù)研究了水泥漿的沉降穩(wěn)定性。在室溫下,室內(nèi)對比評價(jià)了用D級水泥配制的低黏聚合物水泥漿體系與用G級水泥配制的膠乳水泥漿體系的沉降穩(wěn)定性,二者只是所用水泥不同,其他添加劑均相同。結(jié)果如表3、4所示。

表3 D級水泥配制的低黏聚合物水泥漿體系沉降穩(wěn)定性評價(jià)

表4 G級水泥配制的膠乳水泥漿體系沉降穩(wěn)定性評價(jià)

根據(jù)流變數(shù)據(jù)判定水泥漿沉降穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)遞增讀數(shù)/遞減讀數(shù)的比值均近似為1時(shí),表明水泥漿在平均試驗(yàn)溫度下無沉降,流變性能與時(shí)間無關(guān);當(dāng)遞增讀數(shù)/遞減讀數(shù)的比值大多數(shù)大于1時(shí),表明水泥漿在平均試驗(yàn)溫度下可能發(fā)生沉降;當(dāng)遞增讀數(shù)/遞減讀數(shù)的比值大多數(shù)小于1時(shí),表明水泥漿可能發(fā)生膠凝。從表3、4試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出,低黏聚合物水泥漿體系和膠乳水泥漿體系都具有較好的沉降穩(wěn)定性,但低黏聚合物水泥漿體系明顯優(yōu)于膠乳水泥漿體系。

3.4 水泥漿體系力學(xué)性能評價(jià)

1)水泥石抗壓強(qiáng)度 考慮單通道井鉆完井技術(shù)應(yīng)用與海洋油氣的開發(fā),海洋鉆井對固井水泥漿早期強(qiáng)度的發(fā)展要求更高,水泥石強(qiáng)度越早達(dá)到3.5MPa,越有利于鉆井成本的控制。室內(nèi)對小井眼單通道井固井水泥石的早期抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了詳細(xì)的評價(jià)。在該水泥漿體系配方中,孔隙支撐劑MX能夠有效地提高水泥石早期強(qiáng)度的發(fā)展,室內(nèi)重點(diǎn)對孔隙支撐劑MX質(zhì)量分?jǐn)?shù)與水泥石抗壓強(qiáng)度的關(guān)系進(jìn)行了評價(jià),結(jié)果如表5所示。

4#配方為:D級水泥+39.0%實(shí)驗(yàn)室淡水+0.5%消泡劑CX66L+2.0%彈性乳液GR1+3.5%降失水劑CG83L-D10+1.0%分散劑CF44L+0.5%緩凝劑H63L+0.2%纖維BING-Ⅰ+0～10%孔隙支撐劑MX。

5#配方為:D級水泥+35.0%硅粉SSA1+47.0%實(shí)驗(yàn)室淡水+0.5%消泡劑CX66L+2%彈性乳液GR1+5%降失水劑CG83L-D10+1.5%分散劑CF44L+0.8%緩凝劑H63L+0.3%纖維BING-Ⅰ+0～10%孔隙支撐劑MX。

表5 孔隙支撐劑MX質(zhì)量分?jǐn)?shù)與水泥石抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

由表5可以看出,孔隙支撐劑MX的增加,能明顯提高水泥石的抗壓強(qiáng)度;在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%時(shí),可滿足小井眼單通道井對水泥石性能的要求。

2)水泥石韌性 主要是通過測試其抗壓強(qiáng)度、抗沖擊強(qiáng)度、抗拉伸強(qiáng)度及抗剪切強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)的。室內(nèi)評價(jià)結(jié)果如表6所示。

6#配方為:G級水泥+40%實(shí)驗(yàn)室淡水+0.3%消泡劑CX66L+5%降失水劑CG83L-D10+0.5%分散劑CF44L+0.5%緩凝劑H63L。

7#配方為:G級水泥+39%實(shí)驗(yàn)室淡水+0.5%消泡劑CX66L+2.0%彈性乳液GR1+3.5%降失水劑CG83L-D10+8.0%孔隙支撐劑MX+1.0%分散劑CF44L+0.6%緩凝劑H63L+0.2%纖維BING-Ⅰ。

表6 水泥石韌性評價(jià)

由表6可以看出,采用D級水泥配制的低黏聚合物水泥漿體系的抗壓強(qiáng)度明顯低于用G級水泥配制的韌性水泥漿體系,但D級水泥配制的低黏聚合物水泥漿體系的抗沖擊強(qiáng)度、抗剪切強(qiáng)度和抗拉伸強(qiáng)度都相對較高。因此,并不是水泥石的抗壓強(qiáng)度越大,其抗沖擊強(qiáng)度、抗剪切強(qiáng)度和抗拉伸強(qiáng)度就一定越大,二者并不存在必然的對應(yīng)關(guān)系。

表7 升溫時(shí)間對水泥漿稠化性能影響

3.5 水泥漿安全性能評價(jià)

任何井在固井中都存在著風(fēng)險(xiǎn),為保證小井眼單通道井固井過程水泥漿的安全泵送,室內(nèi)選用1#、2#配方水泥漿體系進(jìn)行升溫稠化性能以及不同壓力下的濾失量的研究,結(jié)果如表7、8所示。由表7可以看出,隨著升溫時(shí)間的延長,稠化時(shí)間略有增加,但總體平穩(wěn),均在安全泵送范圍之內(nèi);升溫時(shí)間對水泥漿的稠化時(shí)間影響不大,不會(huì)影響該體系的安全泵送。由表8可以看出,模擬井底壓力變化情況,隨著壓差的增大,水泥漿濾失量隨之增大,其中2#配方增大較為明顯;但總體來說,整個(gè)濾失量都在可控的范圍之內(nèi),水泥漿具有良好的抗濾失效果。綜合分析,采用D級水泥配制的低黏聚合物水泥漿體系具有良好的安全性能。

表8 不同壓力對水泥漿濾失量的影響

4 結(jié)論

1)低黏聚合物水泥漿體系各項(xiàng)性能滿足小井眼單通道井固井要求,它具有低黏、零自由水、濾失小、穩(wěn)定性好、抗壓和抗折強(qiáng)度高以及稠化性能和安全性能可調(diào)的特點(diǎn)。

2)低黏聚合物水泥漿體系采用D級水泥配制,其流變性能及沉降穩(wěn)定性能均優(yōu)于采用G級水泥配制的膠乳水泥漿體系。

本文屬中海石油 (中國)有限公司北京研究中心項(xiàng)目 “單通道井固井質(zhì)量檢測技術(shù)及水泥漿體系研究(CCL2012RCPS0201ESN)”產(chǎn)出論文。

[1]周建良,劉書杰,耿亞楠,等.單通道井鉆完井技術(shù)在邊際油田應(yīng)用前景分析[J].石油科技論壇,2012,31(4):13～17.

[2]謝梅波.單通道鉆完井技術(shù)及其在我國海上油氣田應(yīng)用的可行性[J].中國海上油氣,2005,17(2):112～115.

[3]劉碩瓊,譚平,張漢林,等.小井眼鉆井技術(shù)[M].北京:石油工業(yè)出版社,2005.

[4]孟慶擁,秦文革.小井眼固井工藝技術(shù)研究及現(xiàn)場應(yīng)用[J].石油天然氣學(xué)報(bào)(江漢石油學(xué)院學(xué)報(bào)),2005,27(2):217～218.

[編輯]帥群

TE254

A

1000-9752(2014)02-0105-05

20130920

金勇(1987),男,2011年大學(xué)畢業(yè),碩士生,現(xiàn)主要從事鉆完井方向的學(xué)習(xí)與研究工作。