提高石油評價井低壓易漏多油層段固井質量的研究與應用

謝建華

中國石油長慶油田分公司工程技術管理部　（陜西　西安　710021）

長慶油田大部分區塊存在著低壓漏失地層，有些地層的破裂壓力非常低，只能利用密度為1.20～1.35 g/cm3的低密度水泥漿封固，有時甚至需要更低。固井測井聲幅圖統計分析結果表明，低密度封固段固井質量存在某種程度的問題，有部分井固井水泥環膠結質量不好，水泥石抗壓強度低，在進行壓裂改造等后續作業時，水泥環產生裂紋甚至破碎。

普通低密度水泥膠結不好的原因主要有：①水泥漿中水泥顆粒與減輕外摻料顆粒的比重、粒徑尺寸等相差比較大，外摻料顆粒在水泥漿體中運移，致使水泥漿體系穩定性變差，析水率變大；形成的水泥石體積收縮，影響水泥環的膠結質量；②低密度水泥漿減輕外摻料活性小，外加劑激發減輕材料活性的能力不足，形成的水泥石抗壓強度較低；③漿體中的顆粒堆積密度較低。

新型低密度水泥漿的解決從以下幾個方面入手：①研究開發超細材料，填充水泥顆粒之間的空隙；②研究高效早強劑激發減輕材料的活性，解決水泥石強度過低問題；③采用“顆粒級配原理”，優化水泥顆粒與外摻料顆粒直徑分布，提高低密度水泥漿穩定性及水泥石的致密性[1]；④確定合理的水泥漿體系及性能，解決漏失或出水問題。為保證水泥漿的流動性，水泥拌和水量大大多于水化需水量，分散劑能使膠凝材料聚集[2]，改善空隙結構，并使水灰比減小，從而使膠凝材料性能有較大改善，但這種改善是有限的。在水泥漿中加入分散劑后，水泥顆粒之間產生斥力易于流動，表層水的厚度因此可以減薄，但充填水的量不會發生變化。充填水的量取決于系統的堆積密度，要減少充填水，必須提高系統的堆積密度[3]，要提高系統的堆積密度，需用超細化學膠凝材料充填空隙，并要求該材料具有充填性能好的特點。

1　低密度固井水泥漿體系綜合研究

1.1　減輕外摻材料的選用

目前最普遍使用的高效減輕材料是空心微珠，空心微珠是從熱電廠粉煤灰中漂選出來的灰白色空心球體，具有質輕、密閉、粒細和一定的活性等特點，其殼體主要由硅鋁玻璃體組成，能與水泥水化產物Ca(OH)2和礦物中的CaSO4作用，生成具有膠凝特性的產物，從而有利于水泥石強度的提高和滲透率的降低，是一種良好的減輕劑。空心微珠的化學成分為：58.9%SiO2、34.1%Al2O3、3.4%Fe2O3、2.0%CaO、1.6%MgO，93%的顆粒粒徑為 56～360μm、壁厚為直徑的10%～26%、密閉率大于83%。視密度約為0.6～0.8 g/cm3，制成的水泥漿密度最低可至1.20 g/cm3。

1.2　高效激發早強劑（GLC）室內研究

從表1可以看出，隨著GLC加量的增加，水泥漿稠化時間變短,抗壓強度也隨之增加，當GLC加量大于3.5%時，水泥漿初始稠度大于30 Bc，流動性變差。GLC的最佳加量為2.0%～3.0%，形成的水泥漿體系穩定，稠化時間可調、初始稠度和抗壓強度均能滿足技術要求。

1.3　超細外摻料室內研究

超細外摻料是以非晶質的SiO2為主，具有很高的活性，加入水泥漿中可促進水泥水化反應，尤其在水化早期和低溫條件下促水化作用更為明顯。表2為超細外摻料粒徑分布表，表3是主要的化學成分。

由表4看出，在這個低密度水泥漿體系中，超細增強外摻料、漂珠與G級水泥只有達到以上理論計算最佳的配比時，形成的水泥漿體系穩定，水泥石強度較高。因此，最終確定的水泥漿配方為：當水泥漿密度為1.35 g/cm3時，G級水泥、外摻料與漂珠的比例為 65∶5∶30；當水泥漿密度為 1.43 g/cm3時，G 級水泥、外摻料與漂珠的比例為 75∶5∶20。

表2　超細外摻料粒徑分布

表3　超細外摻料化學成分

表4　超細外摻料加量對水泥漿性能的影響

1.4　低密度水泥漿的穩定性分析

1.4.1水泥漿穩定性研究

影響水泥漿顆粒之間相互作用的因素是顆粒濃度、粒度分布和不同水泥相的反應活性。在微觀上，水泥漿存在兩個極端：一是分散，這些顆粒被帶負電荷表面相互之間產生的斥力分離開；二是絮凝，這些顆粒借助于不同電荷之間的靜電引力生成連接結構。當水泥漿被完全分散時，就成為不穩定的，并有沉降作用發生，產生較大的垂直密度梯度，而沒有自由水析出。相反當絮凝時，水泥漿有自由水析出。理論上講，只有一部分絮凝顆粒存在于中間部分，生成穩定的水泥漿。

1.4.2水泥漿穩定性試驗

由圖1可知，該低密度體系漿體凝結硬化形成水泥石，在縱向上密度分布較均勻，有利于保證整個封固段的封隔質量。低密高強度水泥漿體系由于加入超細外摻料，實現顆粒緊密堆積，其穩定性明顯好于普通低密度水泥漿,成型均勻完整，充滿整個模具。截開的剖面非常均勻平整，漂珠分布均勻，穩定性好。

圖1　水泥漿穩定性試驗

1.5　水泥漿觸變性研究

從表5看出，1 min時兩種水泥漿體系的靜切力基本相同，隨著水泥漿靜止時間的增加，低密高強水泥漿靜切力上升很快，10 min時靜切力大于24 Pa。

表5　低密高強水泥漿與常規漂珠水泥漿觸變性對比

1.6　低密度水泥漿體系確定

圖2和圖3是兩種密度的稠化曲線圖。從圖中可以看出，這兩個水泥漿稠化曲線接近直角稠化，非常有利于防止地層水在水泥稠化過程中的水侵。

2　評價油井現場實驗

2.1　隴東、白豹區塊

用新型低密度水泥漿體系固井試驗11口井，均取得了良好的效果。莊A和莊B井，從固井水泥膠結評價圖來看[4]，水泥漿返高到位率100%，漏失和水侵問題都得到了解決，主力油層上部的幾個后備油層封固質量為優良。其余的9口井，低密度試驗段與粉煤灰水泥漿配伍性好，其與純水泥和粉煤灰水泥的混合帶膠結質量也是優良。變密度聲波測井曲線顯示實驗低密度段與純水泥段無差異，可以進行射孔等油層評價作業。只有一口井返高不夠，證明隴東區塊的水泥漿配方及性能設計完全滿足該區塊要求[5]。

圖3　1.43 g/cm3低密度水泥漿稠化曲線

2.2　定邊、姬原區塊

在該區塊共進行了低密度水泥固井試驗4口井。均是采用1車試驗灰與粉煤灰水泥配合使用。由于耿C井較深，一次上返固井有較大的難度，故用正注返擠固井工藝。

姬原區塊的油井比較深，大約在2 300～2 800 m，且地層壓力系數低，主力油層以上的幾個后備油層無法有效封固，使用純水泥漿會發生漏失；若用粉煤灰低密度水泥，則抗壓強度不足以承受射孔作業對水泥環的沖擊。采用新型低密度水泥后，減少了純水泥的用量，降低環空的靜水壓力，防止壓漏地層，同時水泥石也能進行射孔試油評價。

3　結論與認識

1）針對長慶油田低壓易漏，一次上返井段長等特點研制的低密高強水泥漿體系其技術指標達到國內先進水平。研究開發的超細填充材料，是以非晶質的SiO2為主，具有很高的活性，加入水泥漿中可促進水泥水化反應，尤其在水化早期和低溫條件下促水化作用更為明顯。

2）采用緊密堆積理論和顆粒分布技術，選用超細外摻料、G級水泥及空心漂珠等三種不同粒徑的材料，實現低密度水泥石空隙充分填充，充填顆粒之間的空隙，增強水泥石的致密性及抗壓強度，提高水泥漿穩定性。

3）研究開發的能激發水泥減輕填充材料活性的高效外加劑GLC，能使水泥快速水化，提高水泥石早期強度和水泥漿的觸變防漏失、防水侵能力。

4）低密高強水泥漿體系應用“顆粒級配原理”很好地解決了低密度水泥石強度低的問題，具有低密度、高強度特點。應用于有漏失的油層固井，滿足射孔、壓裂對水泥石強度的要求。

5）低密高強水泥漿體系在隴東、白豹、姬原等區塊試驗15口井，封固段優質率大于88%，試驗井合格率100%。實踐證明該體系具有廣泛的應用前景。

參考文獻：

[1]胡澤華,吳忠孚.油井水泥漿高溫高壓穩定性的測試[J].鉆井液與完井液,1992,9(5)：72-74.

[2]袁潤章.膠凝材料學[M].2版.武漢：武漢理工大學出版社,2009.

[3]黃柏宗.緊密堆積理論優化的固井材料和工藝體系[J].鉆井液與完井液,2001,18(6)：1-8.

[4]羅勇,宋文宇,步玉環,等.低密度水泥固井質量評價方法的改進[J].天然氣工業,2012,32(10)：59-62.

[5]張德潤,張旭.固井液設計及應用[M].北京：石油工業出版社,2000.