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高压调整井防水窜固井技术

摘要 ：本文以高压调整井防水窜固井技术难点入手，主要对水窜发生机理和防水窜配套固井进行研究。
通过研究，在原有水泥浆体系的基础上，采用紧密堆积理论研究配制成功了具有优良性价比的防水窜水泥浆体系，各项性能指标满足了井下作业的需要；针对高压调整井固井中存在的问题，利用了套管外封隔器，解决了实际的问题；针对高压调整井复杂地质条件进行了高压调整井固井配套措施的研究，形成了2项独特的技术措施，解决了施工难题，以优质的服务和施工质量完成了该类型井的固井施工任务，对高压调整井固井提供一条新的思路。
关键词： 高压调整井 管外封隔器 多凝水泥浆 压稳系数 环空憋压
1、概述
随着胜利油田的勘探开发进入中后期，部分油区由于长期且数量巨大的注水及采液，改变了地层的原始压力，区块异常高压大面积出现，有的压力系数甚至上升到1.8以上。虽然固井前采取了300米以内注水井停注泄压的措施，但由于整个区块长期注水开发，造成异常高压区连通性非常好，要解除高压，即使停注与泄压也不可能在短期内得到缓解，固井水泥浆就位后仍然受到地下动态干扰，水泥浆被稀释和冲蚀。同时，长期注水和生产会使地层原始状态发生改变，形成某一区块的多压力层层系，而且压力差异很大，一次注水泥同时封固多层压力层层系时，注水泥具有漏喷矛盾的条件。因此，采用常规的固井技术已无法解决固井水窜问题。
2、水窜机理
2.1 水窜过程中的压力变化
为了详细了解固井后水窜过程中的压力变化，我们进行固井水窜模拟实验。实验发现，当水泥浆刚处于静止状态下，由于水泥浆仍处于液体状态，环空压力不变；而当水泥浆初凝前后，由于水泥浆胶凝强度的发展，在水化的水泥颗粒之间及它们与井壁与套管之间，相互搭接起来形成一种空间网架结构，随着环空水泥浆柱的内部结构力的不断增长即胶凝强度的增强，使水泥柱的部分重量悬挂在套管和井壁上，水泥浆具有了支撑自身重量，承拖托上覆压力的能力，因而也逐步消失传递压力的能力，形成“失重”，环空压力下降。下图为普通水泥浆在候凝过程中的压力变化曲线。
图1：为普通水泥浆在候凝过程中的压力变化曲线。

因此由于环空压力的缺失，当液柱压力小于地层水压力的时候，水窜开始发生，环空压力也开始回升。取一定的上覆压力作出的水窜压力变化图如下：

P1：水泥浆压力 P2：地层水压力 P3：初试上覆压力
2.2水窜流量的变化
在实验中进行水窜流量测试，实验发现当水泥浆压力降到与地层水压力相等时，并为发生水窜，而是低于地层水压力一定值时才发生水窜，并且到达一定时间后，水窜流量开始逐渐减少。这说明水泥浆自身有一定的抗窜能力，虽然水侵开始，但是水泥浆内部的水化仍在进行，仍不断的封闭着水运移的通道，而水侵严重的时间正发生在水泥浆胶凝水化的过程中。下表是水泥浆在不同时间的水侵速率的数据表。
表1 水泥浆在不同时间的水侵速率数据
水侵时间（min）
10
40
70
100
130
160
水侵速率(ml/min)
0.8
1.2
3.3
0.9
0.22
0.11
2.3、水泥浆水化过程中自由水的析出
水泥浆在深入水化过程，过多的配浆水的析出，分布于环状水泥柱体（在两个交界面上），聚集成无数细小水流，因重力差，水流会沿轴向方向向上流动，不断聚集成更大的水流即水带，这水流的槽缝和水带为水窜创造了先期条件，使它们降低了对地层的压力，从而引发地层水流窜。
2.4、水泥浆固结后的体积变化
实验完成后，打开实验模具，发现内侧有极少量的水存在，测量对比水泥浆与水泥石的体积，有4.48%的差值，这是因为水泥浆在凝结硬化过程中,虽然固相体积在不断增多,但由于失水和自由水的析出,失去的液相体积比增加的固相还要多,因而,总体积的绝对体积是减少的。水泥浆这种固结后体积收缩的特性也为地层水窜提供了一定的通道。
2.5、水泥浆顶替效率因素
固井施工过程中如果水泥浆顶替效率低将会形成水泥浆夹带的窜槽，因而造成环空水泥与套管或地层胶结面质量差，产生环隙空间，这些环缝隙会导致环空地层水窜的发生。
3、防水窜条件
由水泥浆水窜实验及水窜原因分析得出防水窜条件为：
1）、水泥浆液柱压力与水泥浆抗窜阻力之和要大于地层水压力；
2）、环空不能有地层水窜流的通道。
3.1、压稳系数计算及应用
为确保环空压稳，设计进行压稳系数计算。
压稳防水窜条件的条件是水泥浆液柱压力与水泥浆抗窜阻力之和要大于地层水压力。水泥浆在凝结过程中，由于失重，其压力（以pc表示）是不断下降的，随着水泥浆强度的增长，抗窜阻力（以pf表示）又不断增加，因此，水泥浆的防窜性能是随着时间而变的。实验测试水泥浆的压力下降规律和水泥浆的胶凝强度发展规律如图所示：
k
K´

曲线1反映了水泥浆的压力下降规律，K´点为水泥浆失重曲线开始急剧下降段与变化缓慢段刚开始的临界点，曲线2反映了水泥浆胶凝强度的发展规律，有一个K点与K´对应。在K点以后，胶凝强度迅速发展，水泥浆的抗窜阻力pf将迅速增长。因此可认为，在K点之后，水泥浆的抗窜阻力的增长速度将高于水泥浆压力降落速度。也就是说，在K点不发生水窜，在K点以后也不会发生水窜。
把K点作为临界点，对应时间叫临界时间tk,对应胶凝强度叫临界胶凝强度νK，水窜的条件是pck > pw或pcw/ pw >1.我们把pcw与pw的比值叫做压稳系数PSF。PSF>1将不发生水窜，PSF愈大，压稳程度愈高。
压稳系数公式为：
PSF= =-
式中 ：
ρc、ρm、ρs、LC、 LM 、LS——分别为水泥浆、钻井液、隔离液密度和长度，kg/m3和m；
g——重力加速度，9.8m/s2；
D——井径，m；
d——套管外径，m；
τK——目的层水泥浆临界胶凝强度，Pa；
τA——水泥面水泥浆胶凝强度，Pa。
由公式就可求得水泥浆液柱的分段结构。
3.2防水窜水泥浆体系配方
该水泥浆体系由缓凝领浆和短侯凝尾浆两部分组成。缓凝领浆应具有良好的流变性能、稠化时间较长的特点，起到提高顶替效率和压稳地层的作用；短侯凝尾浆应具有稠化过渡时间短、低失水、微膨胀的特点；尾浆用量控制在超过油层50-100m之间，与领浆的初凝时间差为1小时左右。
表2： 上部导浆水泥及外加剂
材料名称
性能与作用
G级水泥
适合浅、中深井，高温和抗硫抗地层腐蚀
USZ
可提高水泥浆流性指数，并有一定的缓凝能力
CH-1
降低水泥浆水化速度，延长水泥浆液态非胶凝时间
PZJ
使水泥浆固结后总体积产生微膨胀

表3： 尾浆水泥及外加剂
材料名称
性能与作用
G级水泥
适合浅、中深井，高温和抗硫抗地层腐蚀
ZQJ
提高水泥浆早期强度，增大触变性稳定性
G301
有效改善水泥滤饼质量，降低滤失量和析水率
SSJ
控制自由水含量，能形成不渗透聚合物屏障
PZJ
使水泥浆固结后总体积产生微膨胀

防水窜水泥浆体系性能。
表4 防水窜水泥浆体系各项性能统计表
水泥浆
密度
kg/cm3
n值
实验温度℃
滤矢
量ml
自由
水ml
膨胀 率%
稠化时
间min
抗压强度
Mpa
领浆
1.55
0.63
30
45
150
4.5
247
13.6
16.5
尾浆
1.90
0.72
45
10
0
4.8
92
14
17.8
1）该水泥浆体系具有当水泥浆在水化过程中形成凝胶结构开始失去传递静液柱压力的能力后，能迅速形成胶凝强度并快速增长，且能在水泥孔隙形成不渗透的聚结物屏障，堵住地层水运移的通道，以更有效的防止水侵的发生。使水泥浆在凝固前一直能保持低的稠度，而在凝胶结构开始形成的几分钟内，水泥浆的稠度能突然增加到100Bc。
2）、该水泥浆体系能够以控制水泥浆自由水的析出为零，为防止水泥浆水化过程中有过多的自由水的析出而造成地层水流窜。
3）、该水泥浆体系可以改善水泥浆固结后体积收缩的特性，使固结后的水泥石产生微膨胀，弥补因过多的液相体积失去而造成的体积减少，并提高第一、二界面的胶结性能，封闭水窜通道，防止地层水发生界面窜流。普通硅酸盐水泥凝固后体积收缩率一般在4%-5%，因此外加剂的加量应确保水泥浆固结后有4.5%的膨胀率。
4 防水窜配套固井技术
防水窜配套固井技术是以多凝水泥浆体系和套管外封隔器配合环空憋压固井技术的统一。
4.1多凝水泥浆体系
水泥浆体系采用缓凝领浆和短侯凝尾浆两部分组成。缓凝领浆具有良好的流变性能、稠化时间较长的特点，提高顶替效率。
流变学按幂律流变模式进行设计
n=2.096×log（φ300／φ100）
K=0.511×φ300／511n
Retc＝3470-1370n
根据水泥浆临界返速计算公式（按幂律流变模式）
Vc＝{[(2n+1)/3n]n KRetc/[121-nρ(D-d) n ]} 1/2-n
Qc＝πVc（D2-d 2）/40
式中：
n—流性指数 K—流体稠度系数
gc—换算系数 ρ—水泥浆密度
D—井径 d—套管直径
Vc—紊流临界流速 Qc—紊流临界排量
Retc—临界雷诺数
取紊流临界排量为25L/S，95/8″钻头下入7 ″套管，井径扩大率按15% 计算，求得 n=0.68，因此水泥浆的流性指数值应调整到近似0.68左右。
短侯凝尾浆具有稠化过渡时间短、低失水、微膨胀的特点。当水泥浆失去传递静液柱压力的能力后，能迅速形成胶凝强度并不断增长，防止水窜的发生，同时可以防止水泥浆凝固后体积收缩，确保大井眼第一、二界面的胶结质量。并且通过水泥浆的密度控制实现水泥浆体系多级凝固达到压稳地层的目的。
4.2 套管外封隔器配合环空憋压固井技术
管外封隔器（ECP）按照设计要求加放在油气水活跃层顶部以上10～20米，井径较规则处，实现局部封堵，全井防窜封隔器
浮箍
封隔器
套管
。
该技术的操作方法是：替浆快结束时改用1号水泥车替浆，当有碰压显示时，停泵。用2号水泥车进行环空憋压，当压力升至设计压力时，再改用1号车继续憋压，直至管外封隔器充分涨开。保证封隔器以下井段的压力为：液柱压力＋附加压力，更有效的防止水窜的发生。
5 应用效果
大北16-9井是大北区块布置的一口老区加密调整方案井
井深结构
序号
钻头（mm）×井深（m）
套管（mm）×下深（m）
钢级×壁厚（mm）
水泥封固井段
1
φ444.55×353.00
φ339.7×351.76
N55×9.65
0～353.00
2
φ216×3150.00
φ139.7×3148.11
N80×7.72
2300~3150
大北16-9井部分井段测井解释图

该井投产后，日产液量为8.2方（其中：产油8.0方）。
6 结论
1)该项技术现场应用中不增加固井施工难度，操作简单，水泥浆密度易于控制，可以提高水泥浆顶替效率，大幅度提高固井质量。
2) 在小井眼套管外封隔器不能下入的情况下，单一的采取此项研究成果则不能保证此类井的固井质量。
3）针对高压调整井固井的特点和油田开发的要求，对高压调整井固井工艺进行了创新性的研究，形成了整套配套技术措施，解决了高压复杂油气井的固井施工。
参考文献
§ 杨启贞、张明昌． 固井技术调研报告 1998：24～26，63～65
姚晓．油井水泥膨胀剂研究－膨胀机理及影响因素．
钻井液与完井液，2004年9月，第 2 1卷第5期