低成本超低密度水泥漿體系研究與應用

楊昆鵬 ， 項忠華 ， 黃鳴宇 ， 孫富全 ， 侯兵

（1. 天津中油渤星工程科技有限公司，天津 300451； 2.中國石油集團鉆井工程重點實驗室固井技術研究室，天津 300451；3. 油氣鉆井技術國家工程實驗室固井技術研究室，天津 300451；4.吉林油田公司鉆井工藝研究院，吉林松原 138000；5.大慶鉆探工程公司鉆井生產技術服務第二公司，吉林松原 138000 ）

低壓易漏失復雜油氣井在長慶油田、塔里木油 田、吉林油田、青海油田等廣泛分布。在新安全生產和環境保護政策下，各油田嚴格要求固井全井段封固、水泥漿返出地面，這無疑造成低密度水泥漿用量大導致固井成本較高，同時“低油價”市場環境下勘探開發成本大幅縮減，因此低密度水泥漿“高性能”和“低成本”之間的矛盾顯得更為突出。

低密度水泥漿目前比較成熟的技術有2種：①擴大液固比。加入黏性固態無機物和有機物的高吸水材料和輕質充填物，如膨潤土、硅藻土、膨脹珍珠巖等。②加入玻璃微珠類材料，依靠材料本身密度較低可替代部分水泥來降低密度。如粉煤灰、漂珠、空心微珠等。一般低密度體系的密度都有最低限制，如膨潤土、硅藻土、粉煤灰和漂珠水泥漿的最低密度分別為1.60、1.50、1.55和1.38 g/cm3，低于上述值后水泥漿性能較差，尤其是抗壓強度，根據中國石油天然氣集團有限公司固井技術規范要求：生產套管非目的層水泥石24～48 h抗壓強度不小于7 MPa，上述體系難以滿足低壓易漏失地層一次上返及全井封固要求。添加人造空心微珠的水泥漿性能較好、密度較低，但是成本較高，推廣應用難度大。綜上，結合2種方法，以降低成本兼顧性能為目標，采用了高吸水性、高活性、超細材料等開發出一種復合增強材料BCE-650S。其作用為擴大液固比，大幅降低水泥漿成本且提高水泥漿性能。以BCE-650S作減輕劑，同時輔以外摻料和外加劑等，形成成本低廉、性能優良的1.20～1.30 g/cm3超低密度水泥漿，以應對目前嚴峻的環保形勢和低成本開發戰略[1-2]。

1 復合增強材料的制備

低成本超低密度水泥漿減輕材料的選擇遵循以下3點：①具有高吸水性和懸浮穩定性，利于提高液固比，在降低密度和成本的同時漿體穩定。②具有高活性，有利于增加水泥早期水化反應速率，強度發展快[3-4]。③材料的物理化學性質對水泥漿性能有貢獻[5-8]。此外，減輕材料應盡量選擇顆粒尺寸較小的球形材料，密度遠低于漿體密度，便于調節密度。

最后開發的復合減輕增強材料BCE-650S由層狀結構物質A及高活性、超細材料B和減輕材料C組成。物質A是一種由硅氧晶體組成的層狀結構物質，具有較強吸水性，能吸收自身體積20倍的水，吸水后在水中成膠態，具有一定黏滯性和觸變性，同時其層間存在大量金屬、非金屬陽離子，有較強的離子交換能力和吸附性能，有利于提高體系的懸浮穩定性，在提高液固比的同時能夠有效控制游離液和穩定性。為了確定水泥與A、B、C三種材料的最優配比同時降低孔隙率、減少有害孔徑分布、實現良好的顆粒級配效果，結合緊密堆積技術，根據多元連續顆粒體系緊密堆積理論模型，以最高堆積密實度為原則計算出水泥與幾種材料的配比（質量比）。將A、B、C三種材料按最優配比為7∶6∶4復配，形成復合增強材料BCE-650S。結合強度實驗（見表1），確定水泥與BCE-650S的最終配比為13∶17，確定基礎配方。

B是一種納微米尺寸具有高比表面積的活性材料，能加速水泥水化反應，同時與水化產物Ca（OH）2反應生成C—S—H凝膠，加速水化反應向正向進行；且由于自身尺寸小，能夠填充水泥硬化體中的細小空隙，形成的結構均勻致密，改善水泥石的力學性能。材料C為一種經高溫煅燒形成的無水硅酸鹽，具有火山灰性質，能快速與自身重量1.6倍Ca（OH）2進行反應，還與材料B之間存在良好的協同作用，有助于提高抗壓強度和水泥漿穩定性。外摻料選擇附加少量減輕材料D。其為密度0.7～0.8 g/cm3的空心球形材料，平均粒徑80～90 μm，具有火山灰性質且耐壓性好，可小范圍調節密度。水泥漿基本配方如下。

G級水泥+增強劑BCE650S+減輕材料D+水

表1 基礎配方抗壓強度實驗

2 低密度水泥漿綜合性能研究

2.1 抗壓強度

針對低密度水泥漿強度發展緩慢，優選了配套早強劑CA909S，該材料由幾種無機鹽復合，在低溫條件下，可改變C—S—H凝膠形狀，使其成為更開放的絮凝結構，增大C—S—H凝膠層的滲透率，使水和離子核的擴散速度加快，同時，明顯改變水相中離子核的分布，增加氫氧化鈣在水相中的溶解度。從而，對水泥漿表現出較強的促凝和早強效果。

通過調節CA909S的加量，測定水泥漿在60 ℃，24 h、72 h水泥石的抗壓強度，結果如表2所示。由表2可以看出，水泥石養護24 h的抗壓強度為8 MPa左右，隨著早強劑CA909S摻量增加而顯著增加。水泥石72 h的抗壓強度為10 MPa以上，隨早強劑CA909S摻量變化不明顯。這是由于CA909S對早期強度的影響比較顯著，24 h水泥石強度線性相關性良好，長期強度趨于穩定。

表2 CA909S不同加量下水泥漿體系的抗壓強度實驗

2.2 靜膠凝強度

針對水泥漿要求返出地面，長封固段上下溫差較大，上部強度發展緩慢等問題，研究了水泥漿在常溫下靜膠凝強度發展情況，結果見圖1。由圖1可以看出，水泥在15 h就開始形成強度，40 h左右靜膠凝強度大于3.5 MPa，3 d后達到5 MPa以上，滿足后續生產及井控要求。水泥漿配方如下。

G級水泥+BCE-650S+減輕材料D+CA909S+消泡劑G603+水

圖1 常溫下1.30 g/cm3水泥漿靜膠凝強度發展曲線

2.3 稠化性能

水泥漿的稠化時間可通過緩凝劑BCR-210S和早強劑CA909S來調節。在60 ℃、30 MPa壓力下對不同的配方進行水泥漿稠化和初始稠度測試，結果如表3所示，水泥漿初始稠度小于15 Bc，稠化時間可調。由表3可以看出，隨著BCR-210S摻量的增加，稠化時間明顯延長。初始稠度為15 Bc以下，水泥漿可泵性好，滿足施工要求。緩凝劑摻量不宜過高，高摻量緩凝劑嚴重抑制水化反應進行，影響水泥石強度發展。在稠化時間滿足要求的前提下，適當減少或不用緩凝劑，也可以通過調節早強劑CA909S用量調節稠化時間，隨著CA909S摻量增加，稠化時間縮短。

表3 水泥漿體系稠化實驗

2.4 耐壓性能

考慮減輕材料D的引入可能會影響水泥漿的耐壓性能。將表3中1#和6#水泥漿配方在增壓稠化儀60 ℃、30 MPa條件下養護20 min，1#配方密度由1.20 g/cm3上升至1.21 g/cm3，6#配方密度無變化，耐壓性能良好。表明該減輕材料的引入不會對水泥漿耐壓性能造成很大影響。

2.5 水泥漿綜合性能

以油井G級水泥、復合增強材料BCE-650S作為主體干混材料，增大水灰比降低密度，同時選擇其他配套粉體外加劑，兼顧成本與性能，最終形成1.20～1.30 g/cm3水泥漿體系[9-10]。該水泥漿穩定性良好，沉降穩定性測試上下密度差不大于0.01 g/cm3；失水量可控，考慮盡可能降低成本的前提下，失水量控制為200 mL以內；稠化時間在2～4 h之間可調；強度發展快，24 h能達到7 MPa以上，如表4所示。該體系滿足封固要求且成本低廉，在性能相差不大的前提下，比常規1.30 g/cm3超低密度體系成本降低50%以上。

表4 不同水泥漿綜合性能

3 現場應用

針對吉林油田乾安大情字易漏區的固井漏失、水泥無法返出地面和低密度水泥漿成本過高等問題。現場應用1.30 g/cm3水泥漿試驗2口井。其中的情西XX井為定向井，完鉆井深為2 518 m，該井井身結構：φ346.0 mm鉆頭×286.5 m（φ273.0 mm套管×284 m）+φ228.6 mm鉆頭×1 200.0 m/φ215.9 mm鉆頭×2 518.0 m（φ139.7 mm套管×2 516.0 m）。該井鉆井過程中漏失嚴重，鉆至井深2 110 m漏失25 m3鉆井液，鉆井液失返（此時鉆井液密度1.21 g/cm3）；鉆至井深2 240 m漏失12 m3鉆井液；鉆至井深2 510 m漏失10 m3鉆井液。現場采用雙密度水泥漿一次上返設計，常規密度1.90 g/cm3尾漿（20.5 m3）封固油層頂部（2 190.0 m）以上300 m位置至井底，上部采用1.30 g/cm3低密度領漿封固（注入量為56.5 m3，附加5%至60.3 m3），固井施工順利，全程無漏失，固井質量優。

4 結論

1.以擴大水灰比為主要降密度和降成本手段，開發了復合減輕增強材料BCE-650S，輔以適當外摻料和外加劑，形成了密度為1.20～1.30 g/cm3低成本超低密度水泥漿體系。

2.該體系60 ℃、24 h抗壓強度大于8 MPa，72 h抗壓強度為10 MPa以上，水泥漿綜合性能優異，價格低廉。

3.在吉林油田現場固井應用2口井，施工順利，固井質量優。該水泥漿體系滿足乾安大情字易漏失區塊一次上返的要求，對低壓易漏失地層長封固段固井有普遍適用性，具有良好的應用前景。