松南地區低密度水泥漿體系的研究與應用

馬 艷 超

（中石化東北油氣分公司工程技術研究院，吉林 長春 130062）

松南地區低密度水泥漿體系的研究與應用

馬 艷 超

（中石化東北油氣分公司工程技術研究院，吉林 長春 130062）

松南地區地層破裂壓力梯度較低，井底循環溫度較低，油氣層分布十分廣泛，注水泥后易造成漏失，發生環空氣竄等問題，給固井施工帶來了很大的困難，嚴重影響了固井質量。為解決這些問題，研究并應用了漂珠-微硅低密度水泥漿體系，該體系具有低失水、流變性能好、稠化過渡時間短、抗壓強度高等優點，能夠滿足松南地區固井要求。

松南地區；固井；低密度水泥漿；井漏；防氣竄

松南地區地層破裂壓力梯度較低，一般在1.7～2.2 MPa/100 m，且裂隙發育，在固井過程中易造成漏失；井底循環溫度較低，油氣層分布十分廣泛，注水泥后易發生環空氣竄[1]，這些問題都給固井施工帶來了很大的困難，要求固井水泥漿在較低密度的情況下具有良好早期強度、防氣竄等性能。針對這種情況，確定采用漂珠-微硅低密度水泥漿體系，該體系具有低失水、強度高、放竄性能好等優點，能夠滿足松南地區固井需要。

1 低密度水泥漿體系組成

1.1 設計原則

應用顆粒級配原理和緊密堆積理論，優選了取材廣、價格低的漂珠和微硅復合低密度材料來降低水泥漿密度，通過不同顆粒進行合理的搭配，提高水泥漿和水泥石的性能。漂珠顆粒密度只有 0.7 g/cm2左右，顆粒直徑大(平均粒徑 150～250 μm)，與水泥混合時用水少，降低水泥漿密度的效率高，漂珠在水泥漿中會產生大于自身重力的浮力而上浮，使水泥漿體系易失穩產生分層，固井時造成封固段上部封固不良[2]。微硅的平均顆粒直徑為0.15 μm，遠比水泥和漂珠小，所以微硅比表面積很大(15～25 m2/g)，與水泥混合時需要大量的水來潤濕微硅表面，從而降低水泥漿的密度。微硅低密度水泥穩定性好，但過大的需水量影響水泥漿強度的發展，對水灰比的敏感性較強，因而微硅低密度水泥的加量與降低密度效率也受到限制[3]。漂珠微硅復合水泥體系利用微硅穩定性好的優點來彌補漂珠易漂浮的缺陷，使水泥漿體系均勻穩定；利用漂珠對水依賴性小的特點，減少微硅對水的敏感性，降低水泥體系的水灰比，有效地降低水泥漿密度，提高水泥體系的綜合性能[4]。

該低密度水泥漿體系的外加劑主要有緩凝劑、降失水劑、早強劑、分散劑等。

采用敏感性小的有機磷酸鹽緩凝劑，克服了緩凝劑加量微小變化就很大程度改變水泥漿稠化時間的弊端，該緩凝劑受溫度和水泥的影響小，對水泥后期強度的發展無不良影響。

采用化學交聯、聚合處理的高分子非滲透降失水劑，可在水泥漿中控制其交聯形態和聚合分子，發生絡合反應形成絡合結構，進而形成連續的凝膠結構（非滲透薄膜）。此膜可以迅速減低水泥漿濾失滲透率和失水量，在水泥膠凝過渡期，由于非滲透膜的作用，增加了氣層氣體侵入水泥漿內的運移阻力，此時，雖然水泥漿失重仍然存在，但是隨著非滲透劑交聯作用的增強，氣體在水泥漿運移阻力也在加大，保證了環空靜壓力和氣體在環空中的流動阻力之和大于氣層壓力，不會發生環空氣竄，具有良好的防氣竄性能。

2 低密度水泥漿體系性能特點

漂珠-微硅低密度水泥漿體系具有良好的綜合性能(見表1)，該水泥漿體系能夠達到較低的密度，在不同溫度的實驗條件下，水泥漿的的流型指數 n值大于0.75，該水泥漿體系具有良好的流變性，有利于在低泵壓、低排量條件下實現水泥漿紊流頂替。各項性能指標均能滿足現場固井施工要求。

表1 低密度水泥漿體系綜合性能Table 1 Comprehensive properties of low density cement slurry

2.1 失水性能

水泥漿失水特性是衡量其防氣竄能力和抗污染能力的重要指標。該降失水劑能有效地控制水泥漿向滲透性地層濾失，API失水非常低，且該水泥漿體系具有良好的強度發展，滿足了漏失及長封固段固井要求。

2.2 稠化過渡時間

傳統的珩磨輪是由樹脂結合劑和陶瓷磨料混合燒制而成的，赫美斯公司以PROFINE系列命名這類珩磨輪（圖3）。然而，最新一代的直接傳動的珩齒設備，使得采用陶瓷結合劑的珩磨輪成為可能。這一工藝，被稱為“強力珩齒”，其使高效率地精密加工硬齒面齒輪成為可能。為了實現這一目標，赫美斯公司與相關大學機構以及機床設備制造商共同合作，開發出了CERFINE系列產品。

水泥漿在液態時能夠傳遞液柱壓力，在過平衡液柱壓力作用下，氣體不能竄入環空，而水泥漿稠化以后形成的膠結力已經能抵御氣體的入侵，因此如何縮短稠化過渡時間（水泥漿稠度從30Bc～100Bc時間）是防止環空氣竄的一個關鍵指標。

該水泥漿體系稠化時間易調，能滿足現場固井施工的要求；稠化過渡時間短，＜10 min，基本呈直角稠化，有利于防止環空流體竄槽，從而提高水泥環膠結質量。

2.3 防氣竄性能

水泥漿稠化過渡時間與水泥漿失水速率綜合考慮為水泥漿性能系數（SPN）[5]，具體表達式為：

式中：SPN—水泥漿性能系數，無因次；

FLAPI—水泥漿API失水，mL；

t100Bc—水泥漿稠度為100Bc時間，min；

t30Bc—水泥漿稠度為30Bc時間，min。

SPN是評價水泥漿防氣竄性能的參數，反映了水泥漿失水量及水泥漿凝固過程阻力變化系數對防氣竄的影響，SPN值評價標準：0≤SPN≤3（防氣竄效果好）；36（防氣竄效果差）。

該水泥漿體系早期強度發展快，其水泥石 24 h抗壓強度均在14 MPa以上；且具有低失水、稠化過渡時間短的特點，因而其SPN值也小，說明具有較好的防氣竄能力，有利于防止環空油氣水竄的發生。

3 低密度水泥漿體系的推廣應用

3.1 固井質量

2009年低密度水泥漿體系在松南地區應用 42井次，合格率100%，優良率87%；2010年應用53井次，合格率100%，優良率89%。

表2 低密度水泥漿體系現場應用情況Table 2 Field application of low density cement slurry

3.2 技術措施

（1）采用新型漂珠-微硅復合低密度水泥漿體系，實現近平衡壓力固井，防止儲層受到污染；

（2）下套管前要對井眼進行大排量洗井，確保井眼穩定、不漏、干凈，使之滿足固井施工要求；

（3）合理安放套管扶正器，提高套管居中度，以提高鉆井液頂替效率和水泥環膠結質量；

（4）為了提高頂替效率，采用DF高效隔離液，用量在4～6 m3，具有良好的隔離、沖洗、緩沖等效果，有利于提高固井質量；

（5）控制好水泥漿密度，使入井水泥漿密度達到固井設計要求；

（6）應用高效能注水泥混漿設備，確保注水泥施工連續，水泥漿密度，排量合乎要求；

（7）應用固井設計模擬軟件，預測施工過程中井底及特殊點的壓力變化情況，以選擇最佳的注替排量，提高固井質量。

4 結 論

（1）漂珠-微硅低密度水泥漿體系利用顆粒級配原理，優化了水泥與低密度充填材料之間的粒度分布，優選水泥漿外加劑，大大改善了水泥漿體系的整體性能；

水泥漿密度范圍1.40～1.65 g/cm3，API失水控制在10 mL以內，24 h抗壓強度大于14 MPa，并且能夠實現直角稠化。

（2）該低密度水泥漿體系具有密度低、失水小、稠化過渡時間短、抗壓強度高等優點，能夠很好解決松南地區固井漏失及環空氣竄的問題，對儲層實現良好封隔。

［1］馬開華，姜向東，李楓，等．LDAM低密度防氣竄水泥漿體系的研究與應用[J]. 石油鉆采工藝，2000，22(1)：22-26．

［2］段德松，黃瑞珍，王荷波.漂珠水泥漿體系穩定性研究[J]. 石油鉆探技術，1995，23(增刊)：57-60．

［3］苑銘，劉秀成，李社坤.微硅復合低密度水泥漿的室內研究與應用[J]. 石油鉆探技術，2001，29(5)：36-38．

［4］周仕明．微硅漂珠復合低密度水泥體系的探討[J]. 鉆井液與完井液，1999，16(6)：27-29．

［5］方國偉．固井水泥漿防氣竄方法研究[D]. 北京：中國石油大學，2009．

Research and Application of Low Density Cement Slurry System for Songnan Area

MA Yan-chao
（Sinopec Northeast Oil and Gas Branch Engineering Technology Research Institute, Jilin Changchun 130062，China）

The formation in Songnan area has lower fracture pressure gradient, the bottom hole circulating temperature is also lower, oil and gas layer distribution is widely in Songnan area. Lost circulation and annular channeling often happen after cementing, which can bring many difficulties to cementing operation and affect cementing quality. To solve these problems, a low density cement slurry system with floating beads and micro-silicon was researched and applied. The results show that the cement slurry system has low fluid loss, better rheology, short thickening time, high compressive strength, and it can meet cementing requirement for Songnan area.

Songnan area; Cementing; Low density cement slurry; Lost circulation; Preventing gas migration

TE 256

B

1671-0460（2011）07-0716-03

2011-05-30

馬艷超（1983-），女，黑龍江雙鴨山人，助理工程師，碩士研究生，2009年畢業于東北石油大學化學工程專業，從事固井技術工作。E-mail：mycgcy@163.com，電話：0431-88531828。