水泥浆防气窜关键性能及防气窜能力评价方法

任秋璇，胡倩，蒋中晟(川庆钻探工程有限公司井下作业公司，四川 成都 610025)

0 引言

在油田钻井技术的开发工作中，为了有效提升油气井固井的质量，需要结合水泥特性、水泥浆流动规律、压力平衡、井身质量等方面因素，进行优化设计，提高固井质量[1]。通过加强对水泥浆防气窜关键性能以及防气窜能力方法的研究，可以有效提升防气窜工作的效果，提高固井质量，保证油井开采效率。

1 环空气窜的危害和途径

1.1 环空气窜的危害

固井后环空气窜是指在注水泥结束之后，水泥浆会由液态逐步转化为固态，由于水泥浆不能保持对空气的压力，或是水泥浆窜槽等原因，导致胶结质量较差，从而使气层气体窜入到水泥石基体、水泥与套管水泥与井壁之间的间隙等空间，造成空气层间互窜，或窜入井口[2]。在当前的固井工艺中，固井后的环空气窜是一个重大的难题，若固井后发生环空气窜，会造成以下几方面的危害：(1)导致水泥石的胶结强度降低，造成层间窜流的问题，对油气层的测试评价造成不利影响，对油气层造成污染，进而导致油气的采收率下降。(2)对油井开发的后续造成不利影响，不利于注水、酸化压裂和分层开采等工艺进行，严重时可能会造成井口冒油、冒气等问题，甚至导致固井后井喷事故的出现，威胁生产的安全。(3)如果出现严重的环空气窜，可能会造成油气井报废，造成巨大的经济损失和资源浪费。(4)会导致流体侵蚀和腐蚀套管，影响套管的强度，导致其使用寿命下降。

1.2 环空气窜的途径

研究认为，导致环空气窜的原因主要有以下三个：(1)顶替效率不高会导致水泥浆出现窜槽的问题，在水泥胶凝、脱水和收缩的过程中，会形成气窜的通道，从而导致气窜的发生。(2)水泥石与套管和水泥石和地层之间存在微环隙，导致出现气窜。导致出现微环隙的原因主要有三个，分别是水泥凝固时发生的化学收缩、水泥浆自由水析和温度压力变化[3]。(3)水泥浆始终也会导致环空气窜的发生。

2 影响水泥浆防气窜关键性能的主要指标

2.1 密度

在水泥浆注替以及凝固处理的过程中，就会出现相应的窜流现象。其中水泥的密度是一个关键性的影响因素，因此在水泥浆注浆以及所产生的井液柱压力与流动阻力的过程中，就会出现有流动性的地层流体压力，这样在小于地层压力的情况下，就会出现有相应的破裂压力等现象，从而产生窜流的现象。其中，在水泥浆的组成过程中，主要包括在水泥、配浆水、外加剂等方面的材料，这些材质的密度会对整个防气窜的性能形成相应的影响，并且对水泥浆的整个密度都有很大的反作用。其中，可以通过改变水灰比等方式，形成对整个密度的整体调节，因此在整个浆体的控制中，要严格注意相应的密度[4]。

2.2 失水

在水泥浆主体注替过程中，受到水泥浆压差的作用，会形成约束自由水的能力。相关的研究结果表明，如果在水泥浆施工过程中，没有对滤失速率进行严格控制，在水泥浆顶替到位以后，在比较短的时间内就会形成快速反应，出现缩水反应以后，环空液柱压力和地层压力之间的平衡就会受到一定的影响，进而对固井质量产生不利的影响。当失水现象出现以后，受到失水的影响，气层上会出现桥堵的问题，导致压力的正常传递不能够实现。在桥堵点以下的位置，水泥浆会保持液体的形态，环空压力会小于地层压力，在这种情况下会出现地层流体环空性入侵的情况出现，这对整个固井施工工艺造成不利的影响，影响施工的质量。

2.3 失重

在水泥浆防气窜工作中，若水泥浆出现失重的问题，可能会导致固井施工过程中出现地层立体入侵的情况，对水泥浆柱的完整性造成不利的影响，还可能会导致水泥浆环空窜流的问题出现，极大影响固井的质量，因此做好失重问题的控制是水泥浆防气窜工作中非常重要的步骤。失重问题的出现可能是由于胶凝而引起的，胶凝引起失重以后，在物理作用和化学作用的双重作用下，水泥浆会从液体逐步转化成液体。在这个转化过程中，水泥浆会以两种形式共同存在。此时在网架等结构的作用下，一些水泥浆的重量会悬挂在井壁以及套管等之上，水泥浆的重量被这些结构分担，其在地层中的压力作用就会降低，这可能会造成窜流问题的出现。此外，桥堵也会引起失重问题的出现，在水泥浆的施工过程中，失水之后会形成水泥饼，在钻井过程中会产生岩石和碎屑等。在施工过程中受到这些因素的影响，渗透层井径间隙较小时，会出现桥堵的问题。在出现桥堵之后，桥堵部分注浆的压力就不能被有效地传递到下部的地层之中，特别是当水泥浆体积减少时，会生成静液柱压力，受到这两方面因素的双重作用，会造成窜流现象的出现，对固井质量造成比较大的影响。

2.4 静胶凝强度过渡时间

水泥浆凝固需要一定的时间，在这个时间段内，水泥浆存在一个由液体向着固态转变的使时期，在这个使其水泥浆不是完全的固态，也不是完全的液态，这个时期被称为静胶凝强度过渡时间。在这个时期，由于水泥浆的状态，会对液柱压力的传递效果造成明显的限制，导致水泥浆出现压力明显下降的问题，同时也会造成水泥浆内部出现渗透性不好的问题。在这样的情况下，气体不能形成有效的运移，进而导致窜流问题的出现。相关研究结果显示，通过对多组不同水泥浆体系失重或者窜流的试验过程中，在水泥浆静止之后，10 min内静胶凝强度就会呈现出相应的变化，特别是当压力处于10～50 Pa 的过程中，会有明显的失重情况出现，进而可能导致气窜等问题；当压力不断上升，达到130～220 Pa之后，随着压力的上升，水泥浆能够良好地阻止窜流问题的出现。基于上述研究可知，水泥浆静胶凝强度过渡时间越短，越能够形成结构全面发展的水泥浆。在这样的情况下，可以有效避免窜流情况的出现，保证固井的质量。

3 防气窜能力评价的有效方法

3.1 沉降稳定性的评价

在对水泥浆进行沉降稳定性的评价工作中，首先要对水泥浆进行综合管理，做好养护工作；然后在养护好的水泥浆中随机选择样品，选择500 mL水泥浆，用量筒乘取，并且放置2 h。在2 h以后，将量筒上部和下部的水泥浆分别倒入到强度试模中，对其进行养护。此时，利用凝固时间，以及其他一些相关角度测量出来的数据，计算出水泥浆密度。在上下部水泥浆石磨块的换算密度中，能够形成对防气窜相关因素的整体运行。在整个计算过程中，能够实现对塑性膨胀防气窜水泥浆体系形成沉降稳定性的控制。当自由液的数值达到0时，根据相关数据，可以对水泥浆整体防气窜的综合性能进行计算，获得水泥浆防气窜的能力，对其能力进行综合性的评价。

3.2 韧性与膨胀评价的运用

在水泥浆防气窜方法中韧性与膨胀评价具有重要应用。韧性与膨胀评价是一种综合性的评价方式，应用了材料的弹性形成模量控制方式，相关的地质状况和整体性能技术，在具体的应用中，按照材料弹性模量越小或泊松比越大其韧性越好原则，使用三轴应力实验仪和水泥石膨胀收缩仪对水泥石弹性模量和膨胀性进行测试，基于测试结果，对水泥浆的防气窜能力进行评价。塑性膨胀防气窜水泥浆体系的弹性模量较常规体系降低了18.3%，具有更好的塑性。同时该体系不发生体积收缩，膨胀率3.41%。

3.3 现场综合评价的全面运用

塑性膨胀防气窜水泥浆体系已经进行了很多的应用实践，举例来说。在XX8-11、XX8004 等多口井油层套管固井中，都应用了塑性膨胀防气窜水泥浆体系，获得了很好的效果，总体来说，具有较好的合格率，可以很好地满足水平井分段压裂投产施工要求。如XX8-11井，具体参数如下：完钻井深7420m，5-1/2″尾管下深7418m。通过应用塑性膨胀防气窜水泥浆体系，结合其他一些工艺技术，包括水平井前置液性能优化、细化固井施工工艺等技术措施，有效地提高了固井的质量。结果显示，该固井质量合格率达90.24%，优良率72.98%。该井分段压裂施工，在井口油压最高 93.057 MPa、套压 35.095 MPa下投产至今未发生环空气窜现象。有效地保证了油井开采的效率，提高了企业的经济效益。

4 结语

在通过应用先进的技术手段、合理的试验方式，结合水泥浆的性能，以及和其他材料之间的配合关系。对水泥浆防气窜关键性能和评价方式进行研究，可以更深入地了解水泥浆防气窜关键性能，并且更好地进行水泥浆防气窜能力评价，从而优化水泥浆防气窜能力，提高固井质量，为油气田的高效开采提供质量保证。