页岩气井固井分级式环空憋压技术研究与应用

防止环空异常带压以提高固井水泥环密封完整性是页岩气井安全高效开发的有力保障。固井候凝期间,水泥浆因失重导致环空液柱压力下降,地层流体窜入环空发生窜流,通常严重影响固井质量。针对页岩气井固井难点,研究了现场用水泥浆的失重过程与静胶凝强度发展过程。结果表明:三种水泥浆中快干浆的静胶凝强度发展最快,过渡时间最短(30 min);在静胶凝强度达到48 Pa时,缓凝浆失重率为1.04%,快干浆失重率达到85.2%,在过渡时间段内(48~240 Pa之间),中凝浆的失重速率最快,缓凝浆和快干浆的失重速率较慢;基于模拟计算环空憋压过程,在Z201井进行了现场试验,结果显示固井质量得以改善,第一界面合格率为97%,第二界面合格率为95.9%,气层段水泥胶结良好。分级式环空憋压技术具有良好的应用前景。

深水固井水泥性能及水化机理

针对深水固井中出现的低温、浅层水—气流动问题,测试了G级油井水泥—硫铝酸钙复合深水固井水泥体系的稠化时间、静胶凝强度、抗压强度、长期抗压强度和水泥石体积膨胀率,利用XRD手段表征了不同温度下水化产物和长期水化产物。结果表明:早期主要为硫铝酸钙矿物熟料水化生成钙矾石AFt,使水泥浆具有优异的低温早强、"直角稠化"、静胶凝强度"过渡时间"短和水泥石体积微膨胀的优点;后期主要为C3S、C2S水化生成水化硅酸钙凝胶C2SH2和Ca(OH)2,水化硅酸钙凝胶C2SH2填充在钙矾石AFt晶体间,使水泥石结构致密,促进水泥石强度持续增长。体系中主要水化产物AFt、C2SH2凝胶稳定保证了水泥石力学性能的长期稳定。

水泥浆防气窜性能评价新方法

目前固井行业缺乏可结合实际情况进行水泥浆防气窜性能的评价方法,导致在单井设计中水泥浆的防气窜性能难以把握。通过规范水泥浆静胶凝强度的试验分析,提出将环空水泥浆柱视为由多段长度为30.48m的水泥浆柱组成,考察最接近气层水泥浆柱能否抵抗气侵从而延绅至井口的整个水泥浆柱的环空水泥浆防气窜性能的评价新方法。使用该方法对固井水泥浆配方进行了研究,并结合气田的现场尾管固井实例对所选水泥浆配方进行了评价。结果表明,在水泥浆的防气窜设计中仅强调控制水泥浆失水或缩短水泥浆候凝期间的过渡时间是不够的,必须提高水泥浆在候凝期间的内部结构阻力或降低水泥浆在候凝期间的渗透率,才能确保气井的固井质量。该方法可指导入井水泥浆的防气窜性能设计及评价。

多功能防窜水泥浆体系研究与应用

为解决固井后初次气窜问题,从阻止气体发生界面窜流和基体内窜流入手,提出了短静胶凝强度过渡时间、高气侵阻力、低体积收缩率防窜水泥浆体系设计思想。以此作为指导思想开展室内实验,通过添加防窜剂A1和A2优化水泥浆性能,对比2#成熟防窜水泥浆体系和3#普通水泥浆体系的3个防窜关键性能参数,结果表明:设计出的1#多功能防窜水泥浆体系防窜性能更为优良。1#水泥浆在高压气井D2–7获得成功应用,固井合格率达到了88%,后期生产作业也未发现环空带压现象。

新型促凝剂DWA改善固井水泥低温性能的实验

模拟深水固井低温环境,考察新型锂盐复合类促凝剂DWA对固井水泥浆稠化时间、静胶凝强度和抗压强度的影响。结果表明:促凝剂DWA能促进固井水泥的低温水化能力,缩短水泥浆稠化时间,明显缩短稠度30～100 Bc、静胶凝强度48～240 Pa的时间,显著提高水泥石早期抗压强度,表现出优异的低温早强、防窜性能,有助于解决深水固井面临的低温、浅层水-气流动难题;DWA促凝作用优于CaCl2,对水泥浆初始稠度无影响,是一种无副作用的新型多功能促凝剂。

稳定性对水泥浆过渡时间的影响研究

为了探索稳定性对水泥浆过渡时间的影响规律,采用静胶凝强度/超声波抗压强度分析仪、高温高压油井水泥浆凝结仪和高温高压稠化仪研究了水泥浆在相同条件下的静、动态凝结特性。研究表明,浆体稳定性越好,水泥水化速度越快,初凝和终凝时间、初终凝过渡时间、静胶凝强度过渡时间越短,水泥浆凝固后体积收缩率越小;水泥浆的高温高压稠化过渡时间短并不代表静胶凝强度过渡时间短,动态条件下的稠化过渡时间与静态条件下的静胶凝强度过渡时间并不等价。

纤维水泥浆体系防窜性能研究

针对固井过程中的气窜问题，对纤维水泥浆的防窜性能进行了实验研究。结果表明，纤维水泥浆的静胶凝强度提高速率比无纤维水泥的快，而且静胶凝强度达到一定值之后其抗压强度会迅速增大，有利于固井作业完成后水泥浆的快速凝结，防止气窜的发生；纤维水泥浆与无纤维水泥浆的稠化时间相差较小，且直角化性能理想；纤维长度为350-1400μm、掺量为0．12％～0．3％的纤维水泥浆体系具有较低的水泥浆防窜性能系数，可以有效地提高水泥浆的防窜性能。

缓凝剂对水泥浆静胶凝强度过渡时间的影响

静胶凝强度过渡时间是关系水泥浆防窜能力的重要参数,研究静胶凝强度发展规律,对防窜具有积极意义.采用高温高压凝结仪,从水泥水化放热角度,探讨常用的4类典型缓凝剂对静胶凝强度过渡时间的影响规律与作用机理.研究结果表明,中温缓凝剂对阳离子的络合作用或对水泥颗粒的吸附作用较弱易破坏,对静胶凝强度负面作用不明显;而在90～105 ℃时,高温缓凝剂HNG-1对阳离子有极强的螯合能力,大幅度延缓了静胶凝强度的发展,温度更高时负面作用则不明显,建议在设计防窜水泥浆体系时,应重视缓凝剂对静胶凝强度过渡时间的影响.

一种添加环氧树脂乳液的优质固井水泥浆

较之于常规聚合物乳液,环氧树脂乳液固化后机械强度、韧性和耐腐蚀性良好,具有显著改善固井水泥浆性能的潜力,是未来固井水泥浆技术的主要发展方向之一。为此,通过防气窜性能评价、力学性能测试、扫描电子显微镜(SEM)微观分析等实验测试技术手段,系统分析了不同环氧树脂乳液掺量对水泥浆性能的影响规律,研发了一种环氧树脂水泥浆乳液并开展了现场应用。研究结果表明:①环氧树脂乳液水泥浆静胶凝强度发展过渡时间较常规水泥缩短65.6%,在气侵危险时间内的水泥浆自然失重速率降低63.3%;②环氧树脂水泥石48 h抗压强度较常规水泥石增加了2.1倍,弹性模量降低了53.7%;③随着环氧树脂乳液加量的增加,环氧树脂固化后均匀分布于水泥石内部形成致密的三维网状结构,提高了水泥石的力学性能;④现场应用3口井的固井质量良好,均未出现环空带压等问题,水泥环层间封隔质量良好。结论认为,环氧树脂乳液的加入能有效解决固井水泥浆防气窜性能差、水泥石脆性大的问题,能有效防止环空异常带压的问题,对于延长油气井开采寿命具有重要意义。

RPN-0085复杂地层高压气井固井技术

RPN-0085井是委内瑞拉ANACO油气田EL ROBLE区块的一口气井。三开?311.2 mm井眼,油基钻井液密度1.48g/cm^3,自上而下钻遇多套高压气层和漏失层,钻井液安全密度窗口窄,多次发生严重井漏和气侵,边堵漏、边压井完成三开进尺,下入?244.5 mm技术套管3 127.13 m。套管到底开泵循环发生严重气侵,出现溢流,低排量压井,节流循环13周,钻井液密度逐渐调整到1.51 g/cm^3,建立脆弱平衡,但井下开始出现漏失迹象。针对又溢又漏的井下复杂情况,固井采用防漏、堵漏、改善水泥界面胶结强度的硅酸钠固井前置液,双凝双密度机体抗侵防气窜水泥浆体系及低排量施工和关闭井口环空候凝等系列措施,完成固井施工作业。固井检测水泥浆返至设计高度,封固质量优质,满足气井封固要求。

水泥浆防窜性能实验评价及其应用

固井防窜一直是困扰石油工业多年的问题,因水泥浆候凝期间的环空有效静液柱压力不断降低,在其降低到地层流体压力之后,水泥浆能不能抵御地层气体对其液相的置换是固井防窜的关键。为此,从水泥浆窜流能力评价方面着手,结合现场井况和固井工艺的水泥浆窜流试验方法,对目前常用的一些防窜材料,诸如成膜类、AMPS合成共聚物类、改性纤维素类降滤失剂及胶乳、膨胀剂、微硅等的窜流性能进行了评价。结果表明:在不同条件下各类外加剂的防窜特性不一,低温下成膜聚合物水泥浆的防窜性能有一定保障,但随着温度的升高,其性能就会受到一定影响;胶乳水泥浆体系的防窜能力相对较稳定,在不同条件下保证胶乳的有效掺量就可以保障水泥浆的防窜性能。实验评价结果在川渝地区、长庆苏南、吐哈鲁克沁、玉门酒东等气田进行了超过150口井的胶乳水泥浆现场应用,未发生窜流,固井效果良好。

水泥浆静胶凝强度测试方法及存在的问题

论述了固井水泥浆静胶凝强度的概念和测试方法。介绍了国外研发的3种测试仪器,包括低速剪切测试仪器(如Halliburton公司的MACS分析仪),压力降测试仪器及超声波测试仪器(如Chandler公司的仪器)。指出了这些仪器的缺点及测定水泥浆静胶凝强度时出现的问题,包括用超声波测试仪器测水泥浆静胶凝强度时,出现的同一台仪器上先后测值误差和两台仪器测值误差,强调此项测试应在模拟顶替升温条件下进行。

ANACO浅层气固井气窜分析与固井工艺技术

ANACO气田位于委内瑞拉东北部,天然气储量丰富,约占委内瑞拉天然气总产量60%。但该气田具有储层结构复杂,气、水层自上而下分布广,地表以下分布着多套不同压力体系的气层,具有地层破裂压力低,孔隙压力高,安全压力窗口窄等特征;部分区块有高压气、水圈闭层,形成异常高压气窝和水带,能量大,压力高。钻井通常为五开井身结构,以封固不同压力体系地层。上部一开~三开浅层高压气固井,受地层承压能力限制,缺乏有效的井口环空压力补偿和控制手段,难以发挥多凝压稳水泥浆体系优势;上部井眼尺寸大,顶替效率低,易发生环空混窜,使水泥浆受到污染,加上水泥浆防气窜性能差及胶凝失重等因素的作用,导致固井封隔质量差,使环空气窜、井口冒气现象时有发生,严重影响气田开发。通过对水泥浆稳定性、静胶凝强度和SPN性能系数等防气窜能力的实验研究,控制水泥浆静胶凝强度发展的风险区间小于25 min、SPN小于3,并采取在大尺寸套管固井以0.55 m^3/min的低排量进行塞流注替作业,以及套管外环空插管回注高密度防气窜水泥浆,置换混窜污染水泥浆并实现双凝压稳作用等工艺技术措施,取得了良好的防漏、压稳、防窜效果,成功解决了ANACO气田浅层气固井封固质量问题。

固井水泥浆不同凝固状态时的气体窜流实验

针对气体窜流问题,设计和开展了水泥浆不同凝固状态的气体窜流实验,观察了气体窜流现象,测量了气体窜流压力,分析了气体窜流形态及窜流路径,研究了气体窜流规律。研究表明,当水泥浆凝固时间较短(120 min和180 min)时,气体窜流压力较小(低于0.05 MPa),气体主要从水泥浆内部缓慢窜出,窜流通道尺寸总体较小但由下而上逐渐变大;当凝固时间增至200 min和220 min后,气体窜流压力增大至0.15 MPa和0.20 MPa,气体主要从内部突然大量猛烈窜出,窜流通道呈"糖葫芦"形和"裂缝"形且尺寸较大;凝固时间增至240 min后,窜流压力进一步增大至0.22 MPa,此时气体不能从水泥浆内部窜流,只能从水泥浆和井壁之间的胶结界面处窜出。建议针对水泥浆的不同凝固状态采用不同的策略来进行防窜设计。

水泥浆静液柱压力评价实验方法研究

有效评价水泥浆静液柱压力变化对于进行水泥浆防窜研究非常关键。通过规范失重和静胶凝强度实验方法,提出了一种水泥浆静液柱压力变化评价实验方法。选用两类降失水剂水泥浆作为基准水泥浆,①成膜共聚物水泥浆:嘉华G级水泥100 g+水44 g+G60S降失水剂1.6 g+CF40S分散剂0.3 g,②AMPS共聚物水泥浆:嘉华G级水泥100 g+水41 g+BXF-200L降失水剂3 g。用水泥浆失重仪测试时,2种水泥浆的液柱压力均随候凝时间的延长而降低;用静胶凝强度分析仪测试时,2种水泥浆的静胶凝强度均随候凝时间的延长而增大。将失重仪测量值通过公式换算得到的静胶凝强度与静胶凝强度分析仪测量值比较,在水泥浆液态性较强的时候比较接近,之后随着水泥浆候凝时间的延长,差距逐渐拉大。结合有效应力原理对两种实验结果的差别进行了解释。用静胶凝强度分析仪测试水泥浆静液柱压力的方法更准确。研究结果表明,该方法重现性及可操作性良好,为防窜方法方面的研究提供一定的理论基础。

浅析水泥浆静胶凝强度的测量方法

分析了水泥浆静胶凝强度变化与水泥浆胶结质量的关系,对比了目前几种常用的水泥浆静胶凝强度测量仪器的测量原理和存在的优缺点。重点介绍了美国CTE公司的水泥浆静胶凝强度测量仪的测量方法和分析了两套水泥浆配方静胶凝强度的实测结果,对提高高压油气井的固井质量有着重要的参考意义。