刘洋，陈敏，史芳芳，李吟雪，鲜明

（1.中国石油集团川庆钻探工程有限公司井下作业公司，成都 610052；2.中国石油集团川庆钻探工程有限公司工程技术处，成都 610056；3.四川航佳生物科技有限公司，四川德阳 618300）

环空气窜几乎是所有天然气井都将面临的棘手难题。研究表明，固井后水泥浆“失重”将导致作用于气层的液柱压力下降，可能引发欠平衡，发生早期气窜。准确的失重压力评价是制定固井憋压候凝技术，实现压稳防窜的重要理论依据。20世纪80年代，国外以Sabins、Sutton为代表的学者[1-2]，发现水泥浆胶凝和收缩特性导致作用于井底的液柱压力下降，提出了“胶凝失重理论”及胶凝悬挂失重压力公式，以48 Pa的静胶凝强度计算水泥浆最大失重值。中国以刘崇建[3]、张兴国[4]、孙展利[5]为代表的学者，通过对大斜度井水泥浆失重规律研究，提出了“沉降失重理论”，按照初凝时水泥浆液柱压力降至等高水柱压力计算失重值。这些理论计算方法属于半经验公式，并未考虑不同井段井温、压力、套管偏心对水泥浆失重的影响。目前国内也开展了水泥浆失重装置研发，但无法很好解决高温高压及套管偏心条件下水泥浆失重压力测试问题[6-9]。基于此，研发了一套高温高压水泥浆失重压力评价装置，评价了典型水泥浆体系失重规律，并提出了一种分段计算水泥浆失重压力的方法，在四川盆地磨溪—高石梯区块高压气井得到检验，指导了环空憋压候凝，固井后未发生环空气窜。

1 高温高压水泥浆失重压力评价装置

1.1 装置结构简介

水泥浆失重压力评价装置如图1所示，装置核心部件是失重测试筒。失重测试筒采用了等比例尺寸缩小原理，有效长度1 m，由内筒、保护筒、外筒组成。内筒模拟套管，外径有30～60 mm多种规格，外筒模拟井壁，内径100 mm，内外筒环空间隙10～30 mm。为防止实验过程水泥浆固结外筒，在外筒内壁紧贴一层薄壁保护筒。失重筒上下两端均通过法兰盘连接。法兰盘上的螺栓孔铣长槽，调节螺栓位置，可实现0～70%套管偏心调节，解决了常规偏心杆调节机构密封能力较差，仅能开展常压实验的问题。失重筒采用了电机带动传动轴转动，从而实现0～90°井斜调节。失重筒底部和顶部连接了3个压差传感器，可同时监测宽、中等、窄间隙处水泥浆失重压力。装置最高实验压力为12 MPa，最高实验温度为150 ℃。

图1 水泥浆失重压力测试装置

1.2 水泥浆失重压力评价方法

首先应利用超声波强度仪测试水泥浆静胶凝强度及凝结时间；然后在水泥浆失重压力测试前，对实验装置试压10 MPa，检查试验筒及管线密封性；试压合格后，设置实验温度对装置预热（预热温度不应超过90 ℃）；然后将经过常压稠化仪预热的水泥浆倒入失重筒内，开始监测水泥浆失重压力；设置目标温度，并将围压补压至目标压力；水泥浆初凝后结束实验，保存实验数据。

2 典型水泥浆体系失重压力评价实验

2.1 典型水泥浆体系常规性能

选择了1#常规水泥浆和2#低失水触变性水泥浆开展失重压力评价实验。水泥浆配方如下。

1#G级水泥+0.03%HNJ+2.5%JLS-A +水

2#G级水泥+3%超细材料+0.1%分散剂+0.03%HNJ+1%JLS-B +水

2套典型水泥浆常规性能如表1所示，1#常规水泥浆体系稳定性和失水控制较差，静胶凝强度48 Pa时间125 min，初凝时间为231 min；2#低失水触变性水泥浆体系稳定性和失水控制较好，静胶凝强度48 Pa时间148 min，初凝时间为247 min。

表1 水泥浆体系常规性能（70 ℃）

2.2 水泥浆失重压力评价

在直井和套管居中度为30%条件下，对1#、2#典型水泥浆体系开展失重压力评价实验，实验温度为70 ℃，压力为5 MPa，结果见表2、图2和图3。

（1）稳定性较差的1#常规水泥浆3个间隙处失重压力曲线如图2（a）所示，均表现为“三段式”曲线：0～65 min时间内胶凝强度未明显发展，但液柱压力显著下降，推测水泥浆稳定性较差发生沉降失重；65～136 min时间内参考静胶凝强度48 Pa时间（125 min），此时胶凝强度开始发展，液柱压力平稳下降，发生胶凝失重；136 min后水泥浆处于胶凝后期到初凝阶段，毛细孔收缩，孔隙度明显降低，导致传压能力受限，初凝时刻水泥浆液柱压力当量密度为0.80 g/cm3，低于清水密度。

表2 水泥浆体系失重实验结果统计

图2 不同水泥浆体系失重压力实验曲线

（2）稳定性好的2#低失水触变性水泥浆3个间隙处失重压力曲线如图2（b）所示，表现为“二段式”曲线，没有沉降失重阶段：100～170 min时间内参考静胶凝强度48 Pa时间（148 min），随着静胶凝强度的发展，液柱压力基本呈线性下降，呈现胶凝失重；170 min后水泥浆进入胶凝后期，毛细孔收缩明显，限制了传压能力，至初凝时刻水泥浆液柱压力当量密度为1.19 g/cm3，高于清水密度。

图3 不同水泥浆体系失重实验实物图

为进一步验证斜井条件下水泥浆是否具有相似的失重规律，同样选取1#、2#水泥浆体系，改变井斜和套管居中度，开展水泥浆失重压力评价实验。实验井斜为30°，套管完全居中，实验温度70 ℃，实验压力5 MPa。实验结果如表3、图4和图5所示。

表3 水泥浆体系失重实验结果统计

图4 斜井条件下水泥浆体系失重压力实验曲线

图5 斜井条件下水泥浆体系失重实验实物图

由图4可以看出，1#稳定性较差的常规水泥浆失重压力曲线仍为“三段式”，初凝时刻水泥浆当量密度降为0.76 g/cm3；2#稳定性较好的低失水触变性水泥浆失重曲线仍为“二段式”，初凝时刻水泥浆当量密度降为1.18 g/cm3。直井和斜井中2套典型水泥浆失重压力实验结果表明，若以初凝时刻作为气窜的终止时刻，此时稳定性差的水泥浆液柱压力可能低于等高清水柱，而稳定性好的水泥浆液柱压力可能高于等高清水柱。按照经验法设计环空憋压值，可能憋压不足引发气窜，也可能憋压值偏高压漏地层。

3 应用实例

为精确计算初凝时刻失重压力，依据实验结果，充分考虑井温对不同井段水泥浆失重影响，分段计算失重压力。实验结果表明，20 ℃以上的温差会对水泥浆失重产生明显影响，因此按此温差对环空水泥浆分段开展失重评价实验，并以1 m长水泥浆柱初凝时刻液柱压力值，推算井下条件500～1000 m左右水泥浆失重压力，再逐段叠加。下面以四川盆地磨溪—高石梯地区高压气井为例，探讨固井候凝时环空憋压值。

3.1 水泥浆失重压力评价技术在X1井φ 244.5 mm技术套管固井应用

X1井二开中途完钻井深3127 m，钻至井深3000 m处雷口坡气层气侵显示活跃，2200～2500 m处须家河组气测异常显示。该井下入φ244.5 mm套管，采用两凝水泥浆固井，领浆与尾浆界面为2000 m，水泥浆密度为1.90 g/cm3，常规性能如表4所示。按照经验公式，初凝时刻尾浆当量密度降至1.07 g/cm3，要压稳雷口坡气层（当量密度1.80 g/cm3）需要环空憋压5.2 MPa。若依据水泥浆失重实验结果，考虑分段失重，计算出候凝期间雷口坡当量密度及憋压值如图6所示，仅需环空憋压3.8 MPa就能满足压稳防窜要求。该井固井后环空憋压4 MPa候凝，固井质量合格，固井后未气窜。

表4 X1井水泥浆常规性能

图6 X1井二开候凝期间井深3000 m水泥浆当量密度和环空憋压值

3.2 水泥浆失重压力评价技术在X2井φ 177.8 mm尾管固井应用

X2井三开中途完钻井深5117 m，钻进过程3300～5000 m有十余个气显示层，其中底部5000 m处龙王庙气层当量密度2.18 g/cm3，下入φ177.8 mm尾管封固2800～5117 m井段。该井采用两凝水泥浆固井，尾浆与领浆界面3200 m，水泥浆密度为2.30 g/cm3，常规性能如表5所示。

表5 X2井水泥浆常规性能

按照经验公式，初凝时刻尾浆当量密度降至1.07 g/cm3，要压稳龙王庙气层需要环空憋压19.4 MPa，则中上部地层井漏风险较高。然而依据水泥浆失重评价实验结果，尾浆底部与顶部初凝时间差异较大，考虑分段计算失重，计算出候凝期间龙王庙当量密度及憋压值如图7所示，龙王庙处尾浆初凝时仅需憋压7.3 MPa就能满足压稳防窜。按照该方案憋压候凝，固井质量合格，固井后未气窜。

图7 X2井三开候凝期间井深5000 m水泥浆当量密度和环空憋压值

4 结论与认识

1.采用等比例缩小尺寸方法，研发了一套高温高压水泥浆失重压力评价实验装置，解决了套管偏心与高压下水泥浆失重压力测试难题，并提出了一种分段计算水泥浆失重压力的方法。

2.直井和斜井中的典型水泥浆失重压力实验结果表明，初凝时刻，稳定性差的水泥浆液柱压力可能低于等高清水柱，而稳定性好的水泥浆液柱压力可能高于等高清水柱。按照经验法设计环空憋压值，可能憋压不足引发气窜，也可能憋压值偏高压漏地层。

3.依据实验结果分段计算水泥浆失重压力的方法，在四川盆地磨溪—高石梯区块高压气井得到检验，指导了环空憋压候凝，固井后未发生环空气窜。