粉煤灰復合低密高強水泥漿技術及其在南海西部東方1-1氣田的應用

許偉漢 朱江林 孟青山 馬小康 段 超

（中海油田服務股份有限公司油田化學事業部湛江作業公司，廣東 湛江 524000）

0 前言

東方1-1氣田位于南海北部灣鶯歌海海域，水深約63m（相對海圖水深基準面）。距海南省鶯歌海鎮約100km，距東方縣113km，距梅山約139km.東方1-1氣田其主要為生產井和調整井，其地層壓力系數高，儲層溫度高，且富含有二氧化碳等酸性氣體。為保證東方1-1氣田的井筒完整性，針對20”套管及13-3/8”套管要求全封固井，同時要求固井過程中不能壓漏地層。20”套管及13-3/8”套管環空大，封固段長，對體系的成本也提出了較大的挑戰。以往都是使用人造漂珠或者天然漂珠等低密度體系進行封固，既可以保證低密度的同時，也能達到快速高早強的要求，大大節約了平臺等待時間的費用。但是漂珠體系成本高，引入粉煤灰復合材的低密度水泥漿體系，很好的解決了低溫、低密、高早強的技術難題。

1 粉煤灰復合材低密高強水泥漿體系構建

1.1 粉煤灰復合材低密高強水泥漿體系設計原理

使用活性較好的粉煤灰作為漿體的減輕劑，降低漿體的靜止當量密度（ESD），同時降低體系成本；加入提高水泥早強技術的材料BT3，通過粉煤灰、BT3、水泥三種外滲料與水泥之間的顆粒級配的密實技術，配套使用高效的激活劑AJH，構建粉煤灰復合材低密高強水泥漿體系（簡稱PC-LITESTONE體系）。

1.2 粉煤灰復合材低密高強水泥漿體系主要構成

減輕劑粉煤灰：1）能降低漿體密度；自身密度在2.00SG-2.30SG之間；2）能降低自由水作用；比表面積大；3）成本低廉；4）后期能顯著提高水泥石的抗折強度；5）在增加抗壓強度及抗折強度同時，不增加任何的脆性；6）具有較好的水泥石耐久性。

增強劑BT3：一種質地均勻的固態粉末，當降低漿體密度時，即使水固比很高，依然可以很好的提高水泥漿的早期強度。

激活劑AJH：粉煤灰短期一般表現出較強的惰性，AJH能夠在短期內迅速激發粉煤灰活性，同時也可以激發水泥的二次水化作用，形成更多的具有膠結作用的C-S-H硅鈣膠凝體，促進水泥固化過程的膠凝強度快速發展，增加氣竄阻力，降低水泥石滲透率，提高凝固水泥的最終抗壓強度[1-2]。最大程度、最快速的提高水泥石的早起強度。

2 粉煤灰復合材低密高強水泥漿體系性能評價

2.1 體系常規性能評價

經過多次材料和配方優選實驗，調整各組成材料的摻量和水灰比，根據具體的實驗條件選用不同的外加劑，可配制出性能優良、成本低廉的水泥漿配方，性能如表1、表2所示。

表1、表2實驗結果表明：PC-LITESTONE體系的流動性能非常好，漿體流變性能好，且漿體其他性能穩定，無沉降、無自由液，失水量小，且抗壓強度高。

表1 流變性能對比(30℃)

表2 體系綜合性能對比

2.2 體系防竄性能評價

長期以來國內外固井作業者和相關的研究院所對固井過程中的油氣水竄流原理以及抑制、防止方法進行了大量室內研究和現場應用研究，雖然沒有API標準，但也開發出了一些評價防竄添加劑和防竄能力的水泥漿體系是否具有良好的防竄能力的方法[3-4]：

哈利伯頓公司SPN值計算法，SPN值反應了水泥漿失水量及水泥漿凝固過程阻力變化系數A值對氣竄的影響：

水泥漿API失水量越低.稠化時間T100Bc與T30Bc的差值越小，即在此稠化時間內阻力變化越大，A值越小，SPN值也越小，防氣竄能力越強。表3為中石化企業標準，表4為體系的防竄能力級別評價。

表3 SPN值與防竄能力級別

表4 PC-LITESTONE體系SPN值與防竄能力級別

以上實驗結果表明，體系的SPN值僅僅1.1，體系具有極好的防竄能力。

2.3 PC-LITESTONE體系水泥石長期強度發展實驗

為研究水泥石能否滿足井底長久生產作業需求，筆者進行了水泥石超聲波靜膠凝強度（UCA）發展實驗研究,實驗結果如表5：

表5 水泥石強度長期發展UCA實驗

實驗結果表明，1個月的強度養護后發現，PC-LITESTONE體系具有較好的長期強度發展。

3 現場應用

依據現場東方-1氣田實際情況，在F1F2F3F4F5F6F7h井的表層20”套管使用PC-LITESTONE體系的1.55g/cm3水泥漿進行全封固井，封固裸眼長為500米；13-3/8”技術套管使用PC-LITESTONE體系的1.60g/cm3水泥漿進行全封固井，封固裸眼長為2070米；9-5/8”技術套管使用1.70g/cm3水泥漿進行首漿固井，封固至上層套管鞋100米。現場作業表明：使用基于粉煤灰復合的PC-LITESTONE體系固井20次，水泥漿流變性能良好，密度穩定，抗壓強度高，低溫強度發展快，長久強度高，且成本較漂珠體系大幅降低，完全滿足東方1-1氣田的表技套作業要求，作業質量優良。

4 結論

通過以上實驗研究，可以得出以下結論：

1）PC-LITESTONE體系性能穩定，沉降穩定性好，無自由液，水泥石強度長期發展良好；

2）體系SPN值僅為1.1，具有較好的防竄效果；

3）該體系滿足表層套管到技術套管、從低溫泥線到9-5/8”技套高溫封固要求。

[1]姚曉,許仲梓.低溫下油井水泥石孔結構與抗壓強度的關系[J].南京工業大學學報,26(1).

[2]D.G.Calvert，Determination of Temperatures for Cementing in Wells Drilled in Deep Water IADCISPE 3935[Z].

[3]GB-T19139-2003 油井水泥試驗方法[M].頁碼：83.

[4]Fred L.sabins.The relationship of thicking time,gel strength,and compressive strength of oilwell cements[Z].SPE 11205，1986.

[5]Q/SH0014-2007中國石油化工集團公司企業標準 “川東北天然氣井固井技術規范”[S].