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水泥浆凝结过程的气窜问题刘崇建 谢应权 郭小阳 张明深 张朝晖 张 勇(西南石油学院,四川南充637001)(南海西部石油公司钻采工艺研究所)摘要 水泥浆在凝结过程,因失重而造成的油、气、水窜问题是影响固井质量的重要因素之一。针对深井,温度高、压力大,油、气、水活跃的特点,从机理研究和现场应用相结合的方法入手,对水泥浆失重、气侵压力的测定,影响因素,防气窜机理和防气窜方法,进行了深入的研究,提出了采用水泥浆阻力变化值、稳定性、失水量以及保证水泥浆凝固过程的压力平衡关系等措施,从而达到防止油、气、水窜的目的。防窜试验表明,研究的6种水泥浆配方,都具有较好的防气窜效果,分别适宜于不同压力梯度井深的要求,其中32S水泥浆防气窜能力最好。主题词 注水泥;水泥浆胶凝;窜槽;气窜;水泥浆性能;水泥浆添加剂;水泥组分中图分类号 TE 256.5前 言注水泥完后,环形空间油、气、水窜和井口冒油、冒气,至今仍是国内外还没有很好解决的固井质量问题,特别在高压油、气井内,这种现象尤为突出。经过大量的生产实践及研究表明1,2,造成油、气、水窜的主要原因,在于水泥浆凝结过程,其液柱压力在不断降低(即水泥浆失重)。当作用于井筒内的浆柱(泥浆和水泥浆)压力逐渐降到低于油、气、水层压力的某一时刻,油、气、水就会侵入环形空间,造成油、气、水的窜流和井口冒油、冒气。水泥浆失重的原因归纳起来有如下几方面35:(1)水泥浆在凝结过程中,其内部结构力不断增强,与井壁和套管的连接力(胶凝强度)不断增加,水泥环重量逐步悬挂在套管和井壁上,降低了对地层的压力;(2)水泥浆在凝结过程中,由于水化作用,水泥石基体内部收缩形成微孔隙,同时外观也产生体积收缩,降低了孔隙压力和对地层的压力。一般水泥浆初凝时的收缩率为011%0.5%,终凝却大于2%;(3)在水泥浆柱中,水泥浆内自由水的分离,形成了连通的轴向水槽(或水带),降低了对地层的压力。该作用在斜井中尤为明显,并在井壁上侧形成了一条明显的水槽,这是油、气、水窜的主要通道;(4)水泥浆失水一般较大,其自由水易渗入渗透性好的地层,在环形空间中产生桥堵,防碍了浆柱对桥堵以下段的压力传递,造成了桥堵段下面地层的油、气、水互窜。下面通过实验方法,对水泥浆防窜机理、影响因素及其预测方法6,7,进行探讨。1 影响水泥浆凝结过程气窜的因素1.1 不同浆体的防气窜作用实验选用了国内、外6种不同防气窜水泥浆体系。其适用的地层压力梯度、防窜外加剂和作用原理如表1所示。表1 防气窜外加剂和防气窜方法序号类别水泥浆密度c压力梯度Gf防窜外加剂防 窜 方 法1-S国外1.901.42Halad-344LHalad-413L增长零胶凝强度时间,控制滤失量1-P国内膨胀剂SEP降滤失剂HS-1增加凝固阻力,控制滤失量2-S国外1.951.95SCR-100LHalad-413L增加凝固阻力和触变性,控制滤失量2-P国内早强剂SW-2降滤失剂HS-1增加早强和凝固阻力,控制滤失量3-S国外2.302.402.01Latex2000SCR-100LHalad-413L形成良好致密的水泥饼,降低滤失量和水泥石的渗透率3-P国内防气窜剂KQ-B降滤失剂HS-1增加孔隙压力,控制滤失量第20卷 第4期 西 南 石 油 学 院 学 报 Vol.20No.41998年 11月 Journal of Southwest Petroleum Institute Nov199819970107收稿刘崇建,男,1937年生,教授,博士生导师,长期从事钻井、固井、完井工程及非牛顿流体流变学的教学和科研工作1.1.1 水泥浆凝结过程孔隙压力的变化图1为不同防气窜主剂的水泥浆体系在凝固过程孔隙压力的变化曲线。该水泥浆体系的其它综合性能均满足固井施工工艺技术的要求。图1 不同水泥浆的凝结时间(ts)与孔隙压力(Pp)曲线分析图1可知:(1)加有防气窜的水泥浆,其孔隙压力的降低比一般水泥浆降低缓慢,并趋于某一恒定数值;(2)不同的防气窜水泥浆,其孔隙压力的恒定数值是不相同的,Latex2000(胶乳型),KQ2B最大;Halad2344L(增长零胶凝强度时间),SEP较大;Hal2ad-413L,SCR-100L(早强触变型),SW-2次之。不同孔隙压力的恒定值适于不同地层压力梯度的防气窜要求。一般水泥浆孔隙压力降低最快,78 h后,孔隙压力的降低才有减缓的趋势,因此,防气窜能力较弱。1.1.2水泥浆的防气窜能力现将6种水泥浆在不同试验条件下,所作的不同凝固时间的抗气侵能力,即不气侵的安全压力梯度0和具体评价列于表2中。0等于水泥浆气侵时的压力梯度1-0.3。由表2可知:(1)研究的6种水泥浆在不同凝固时间的不气侵安全压力梯度0大于各自井况的地层压力梯度,说明水泥浆不会因失重而引起油、气、水窜问题;(2)两套体系的水泥浆在不同凝固时刻,其抗气侵能力并不完全相同。在凝固初期1h左右,1-S,2-S,1-P,2-P,3-P浆体的失重都造成了有效液柱压力略小于水泥浆原始密度,但却大于地层压力梯度;而3-S水泥浆在凝固60 min时,浆柱有效压力增加为0=2.43 g/cm3,略大于水泥浆原始密度2.40 g/cm3,说明抗气侵能力最强;表2 两套水泥浆体系的抗气侵能力水泥浆配方Gfcs试验条件(MPa)不同时刻的安全压力梯度(0)60(min)150(min)210(min)抗气侵能力评价1-S2-S3-S1-P2-P3-P1.421.622.011.421.622.011.901.952.401.901.952.401183916061180801183916061180801.741.942.432.032.102.134.455.528.056.006.488.188.4511.3011.2110.0810.3110.67较强较强强较强较强强(3)水泥浆凝固时间增加到150 min后,6种水泥浆的0有较大幅度的增加,超过地层压力梯度的25倍,说明水泥浆在此期间后,不可能出现油、气、水窜问题。上述分析说明,研究的水泥浆配方,应考虑的气侵危险时刻在1h左右,此时需要注意观察气窜预兆,并备有相应的防气窜措施。1.2 水泥浆失水的作用表3列出了试验温度为82 时,几种水泥浆在250 min,a=0.6;tes Ph1,PRf2 Pc-Pf,PRf3 Pc-Pw,水泥浆凝固过程不会出现气侵情况。如PRf1 Ph1,PRf2 Pc-Pf,PRf3Lc,则气窜可能性增大。在此情况下,可采取如05西南石油学院学报 1998年下防气窜措施:表8 合理的水泥浆封隔长度(m)井深(m)cmGfD-d(cm)GFP3225001.901.621.423.816.678932503510113735001.951.821.623.816.679862001620118740002.402.212.013.816.67123127617481511(1)在水泥浆候凝初期(100前),对环空逐次进行憋压,憋压值的大小为(L0-Lc)(c-w)。w为水的密度。(2)根据计算的GFP值,选用表1中相应的水泥浆体系,以弥补(L0-Lc)水泥段的失重压力(L0-Lc)(c-w)。2.3 阻力系数法综合因子法考虑了注水泥过程中的动态和静态因素9,其中注水泥的顶替因素MF和地层产能因素FF是很难确定的,应用于现场有一定困难。水泥浆凝固过程的气窜问题,实际上是一个压力平衡问题,与FF无直接关系,因此,可将MF与FF取一合理级别,简化综合因子法。FF按低气窜范围考虑,为8.5级左右,而水泥浆顶替情况按优良范围,为2级左右。简化综合因子法可用流体静压力系数HF和泥浆性能系数SPN表示。HF=100Pfmlm+sls+wlc(8)SPN=0.182A PI(t100BC)1/2-(t30BC)1/2(9)A=0.182(t100BC)1/2-(t30BC)1/2(10)式(8)仅考虑了水泥浆凝固过程,其密度降至水的密度w,而未考虑水泥浆的阻力增加,因此,计算的HF值偏大,即使计算值稍大于1,也不会发生气窜,考虑到液柱压力与地层压力的安全平衡关系,取HF=0.871(级别为4),水泥浆凝固过程不会出现气窜情况。最后可将水泥浆凝固过程的气窜问题归结到式(9),(10)的内容,一是水泥浆的API失水;另一个是水泥浆阻力变化系数A。一般认为,水泥浆失水愈小,A值愈小,即SPN愈小,防气窜能力愈强。实际上,失水对防气窜的影响是有限的。前面已给出了水泥浆失水,对防气窜的较好范围为 150 mL。这样防气窜的SPN值可用水泥浆阻力变化系数A值表示。A值反映了水泥浆阻力变化速度。水泥浆稠度为100 BC的稠化时间t100BC(min)与稠度为30BC的稠化时间t30BC(min)愈接近,A值愈小,阻力变化速度愈快,防气窜能力愈强。A值愈大,阻力变化速度愈慢,防气窜能力愈弱。根据国内外资料和室内实验表明,水泥浆的A值小于0.15,都具有不同程度的防气窜能力。3 防气窜参数的设计3.1 水泥浆性能(1)水泥浆阻力变化值A 0.110,气窜可能性极小;A=0.1100.125时,防气窜效果较好;A=0.1250.150,防气窜能力中等。(2)零析水或低析水,自由水量 0.5%。(3)API失水量B Lc时,可以使用双凝水泥浆或环空憋压,来弥补水泥浆失重所引起的液柱压力降低问题。4 小 结(1)研究的6种水泥浆配方都具有较好的防气窜效果,分别适宜于不同压力梯度井深的要求,其中3-S水泥浆防气窜能力最好;(2)测定水泥浆在不同时刻的气侵压力及不气侵的安全当量密度,是防气窜设计所需要的基本数据;(3)水泥浆静止后的凝固特性,直接影响到水泥浆孔隙压力的变化情况,对水泥浆防气窜有明显的作用。因此,测量水泥浆凝结时间等指标,对进一步深入研究水泥浆的防气窜作用,具有十分重要的意义;(4)调整气侵危险区水泥浆的阻力,使之大于失重值,是防止水泥浆气侵的有效方法之一;(5)减缓和弥补水泥浆的失重压力(如采用可压缩水泥或环空加压),同样对防止气窜有较好的效果;(6)合理的水泥浆失水量,对防气窜有一定效果,但失水量 150 ml范围内的水泥浆,其防气窜能力无明显变化;(7)A值反映了水泥浆在瞬时内阻力的增加速度,水泥浆阻力对气侵的影响大于水泥浆失水量的影响。防气窜的合理A值尚需进一步通过实践确定;(8)根据地层压力梯度,合理设计双凝水泥浆的初凝时间差及各封固段的长度,是防止油、气、水窜的另一种行之有效的方法;符号说明c 水泥浆密度,g/cm3;m 泥浆密度,g/cm3;s 隔离液密度,g/cm3;Lc 环空水泥浆长度,m;Lm 环空泥浆柱长度,m;Ls 环空隔离液长度,m;Pf 地层压力,MPa;Dd 平均井径,cm;dp 套管外径,cm;API 按API标准(30min7MPa)测得水泥浆失水量,mLHF 液体静压系数,无因次;A 水泥浆阻力变化系数,无因次;SPN 水泥浆性能系数,mL。参考文献1 西南石油学院钻井教研室等.水泥浆凝固过程的失重与气侵.西南石油学院学报,1979,(1)2 刘崇建,张玉隆译.国外油井注水泥技术.成都:四川科技出版社,1992:1721783Sabins,Fred L et al.Transition Time of Cement Slurriesbetween the Fluid and Set State.SPE 9285,19804Grant W H et al.Simplified Slurry Design Increases Well2site Success.SPE 16135,19875Watters L T.Field Evaluation of Method to Control GasFlow Following Cementing.SPE 9287,19806Erik B Nelson.Well Cementing.Elsevier Amsterdam,Ox2ford,New York,Tokyo,1990,Chap 87 刘崇建等.使用气窜控制剂提高高压油气井固井质量.石油钻采工艺,1988,(5)8Sutton D L et al.New Method for Determnanting DownholeProperties That Affect Gas Migration and Annular sealing.SPE 19520,19899Rae P et al.A New Approach for Predicting Gas Flow AfterCementing.SPE 11862,198910 西南石油学院,工程技术研究所.固井水泥浆失重研究.中国石油天然气总公司(89)0024号,鉴定成果报告11 石国栋等.固井水泥浆失重的研究.石油工程建设,1992,(1):537212 西南石油学院钻井教研室.水泥浆胶凝引起的失重和气侵研究.西南石油学院学报,1981,(3)13 西南石油学院钻井教研室.充气水泥浆防止失重的实验研究.西南石油学院学报,1983,(1)14 刘崇建,张玉隆等.水泥浆桥堵引起的失重和气侵研究.天然气工业,1997,(1)(编辑 张鸾清)25西南石油学院学报 1998年through assuming the formation near the wellbore as uniformand continuous elastic medium.The numerical solutions fortransient thermal stress near hole are computed by means of thetemperature distribution during mud circulation and no circula2tion.The plots of thermal stress versus depth,radius,and timehave been obtained.The theoretical models and computed re2sults are of guiding significance for the study of the field prob2lems caused by thermal stress.Key Words:Borehole Stability;Borehole;Well Tempera2ture;Thermal Stress;Mathematical Model;Numerical Analy2sis.APPLICATION OF DRILLING TECHNOLOG Y OF HIGHANG LE DUAL-TARGET DIRECTIONALWELLINZHONG YUAN OILFIELDQiu Chuanjun,ZhangYasha,LuYansheng(DrillingGroup of Central China Oilfield)J SOR THW ES T PETROINS T,V20,NO4,PP43-46NOV1998(ISSN1000-2634;IN CHIN ES E)Aimed at the problems of high angle dual-target direc2tional well,such as large slant angle,long slant section,multi-target,severe deviation,sticking and sloughing,a study wasconducted in Central China Oilfield.9 high angle and multi-target wells were drilled,and a progress in track control,stick2ing-prevention and increasing penetration rate,is achieved.Key Words:Large Slant Angle,Directional Well,TrackControl;Sticking-Preventing;Logging Penetration RateBREAKTHROUGH DURING CEMENT SLURRY COAGU2LATIONLiu Chongjian,Xie Yingquan,Guo Xiaoyang(SouthwestPetroleum Inst)J SOR THW ES T PETRO INS T,V20,NO4,PP47-52NOV1998(ISSN1000-2634;IN CHI2N ES E)Gas,oil or water breakthrough caused by weightlessnessduring cement slurry coagulation is one of the most importantfactors,which influences cementing quality.In connection withcharacteristics of high temperature,high pressure and active oilgas and water in deep well,and combining mechanism studyand field application,the factors affecting cement slurry weight2lessness and gas breakthrough,and the mechanism and methodof preventing gas breakthrough is studied,and presents themeasures of monitoring cement slurrys resistance,stability,and water loss,and assuring the pressure balance in the proce2dure of cement slurry coagulation is presented,so as to reachthe goal of preventing oil,gas and water breakthrough.Testsshows that six types of cement slurry compounding are capableof preventing gas breakthrough,and are separately suitably forhole depth of variouspressure gradients,of which 3-S slurry isof the best capability for preventing gas breakthrough.Key Words:Cementing;Cement Slurry Gel;CementSlurryProperty;CementAdditive;CementComposition;Channeling;Gas ChannelingA NEW METHOD OF ENERG Y-SAVING RUN FOR WA2TER INJECTION SYSTEMZhou Wenge,Yu Weige,Jiang Shihu(Central China Oil2field)J SOR THW ES T PETRO INS T,V20,NO4,PP53-54NOV1998(ISSN1000-2634;IN CHIN ES E)In order to reduce energy consumption during water injec2tion for oil recovery,the decreasing voltage method and flowcontrol method as well as their limitations are analyzed.Thecomprehensive method is established by combining the decreas2ing voltage method and flow control method.Through comput2er control,the method has brought about huge economic bene2fits in water injection system in oilfields.Therefore the compre2hensive method will be widely used in water injection and ener2gy-saving engineering.Key Words:Water Injection Equipment,Energy-Sav2ing;Comprehensive Method.THE METHOD OF SOLUTION ANDESTABLISHMENTFOR AXIAL VIBRATION MODEL OF DRILLINGSTRINGLiu QingyouMaDekunTangXiaowen(SouthwestPetroleum Inst)J SOR THW ES T PETRO INS T,V20,NO4,PP55-58NOV1998(ISSN1000-2634;IN CHI2N ES E)Based on the interaction model of bit and formation,theforce caused by rock and bit is defined as the bottom boundarycondition of drilling string.Under some simplified condition andby means of elastic bar theory and unit method,the axial vibra2tion model according to interaction between bit and formationand elastic deformation of drill string is established duringdrilling process.Based on the boundary condition and initialcondition,the axial model is soluted by difference methods.Itis a theoritical foundation for further understanding of the dy2namic behavior and kinetics rule of drilling string and rock bit,modifying design method,controlling well track and preventingfailure early.Key Words:Bit;String Vibration;Model;CalculationMethod;Computerized EmulationTHE DEVELOPMENT OF DYNAMIC SIMULATION MOD2ELS OF XJ350 WORKOVER RIGS HOISTINGSYSTEMHou Yongjun Du Xiaoping Ai Zhijiu(Southwest PetroleumInst)J SOR THW ES T PETRO INS T,V20,NO4,PP59-62NOV1998(ISSN1000-2634;IN CHIN ES E)In order to understand the dynamic behavior of workoverrigs hoisting system,and reduce the time of developing pro2duction equipment and testing expense,use ADAMS to set updynamic simulation models of XJJ350 workover rigs hoistingsystem in hoisting and feeding-off,when build these models,discretelize the tubing or sucker-rod.Only make a littlechange about these models,they can be used to analyze the dy2namic behavior in hoisting and feeding-off at different depths.It is proved that these models are feasible.Key Words:Workover Equipment;Hoisting System;Dy2namic;Computerized Simulation;Model.COATING TUNGSTEN ON THE SURFACE OF DIAMONDBY THELIQUID SALTTang Xiaowen Liu Qingyou(Southwest Petroleum Inst)3No 4Journal of Southwest Petroleum Institute