鹽膏層高密度固井水泥漿性能研究與改進策略

鐘聲

摘 要：隨著研究深入，鹽膏層水泥漿也在不斷地發展和進步，建立一套針對鹽膏層過飽和高密度固井水泥漿體系是非常有必要的。該體系要求水泥漿具有優異的抗鹽和抗鈣侵能力，具有較高強度和膠結性能，能有效避免對厚壁套管的侵蝕，延長油氣井使用壽命，保證復雜鹽膏層井段套管地層的有效封固，固井效果好 ，解決常規水泥漿在復雜鹽膏層施工時不耐腐蝕、膠結性能差、膠凝強度緩慢、早期強度低、不能有效抵御因鹽層地層蠕變引起的外擠力導致厚壁套管變形等問題 。

關鍵詞：鹽膏層；水泥漿；地層蠕變；高密度固井水泥漿體系

鹽膏層是巖鹽地層和膏鹽地層的統稱。鹽膏層的可流動性對固井質量的影響程度比鹽膏層擴徑對固井質量的影響要大，鹽膏層在較小壓差下的流動速度取決于鹽膏層所含的雜質、溫度、上覆巖層壓力、顆粒尺寸、含水量和含氣量。目前鉆井中常遇到鹽膏地層，而常規固井水泥漿性能受鹽膏層影響較大。水泥石與地層膠結質量差，影響固井質量。通過試驗，對一種密度為2.0g/Cm3的鹽膏層固井水泥漿的常規性能、抗溫能力、抗鹽能力、稠化時間及抗壓強度進行了研究。結果表明，該水泥漿常規性能優異，當溫度低于 130℃ 時具有較好的基本性能和較合適的稠化時間及水泥石抗壓強度；受鹽、鈣侵影響較小，抗鹽到20% 以上。結合試驗結果分析鹽、鈣對該水泥漿影響的原因，結果表明，該高密度鹽膏層固井水漿具有較好的抗溫能力，受 NACl、CASO4 影響小，適用于鹽膏層的固井施工且固井質量良好。

1 鹽膏層固井作業中存在的問題

鹽膏層的性質決定了它在鉆井過程中所產生的問題，如： ① 鹽巖層的蠕變流動和塑性變形會造成井徑擴大或縮小； ② 在鉆穿鹽膏層尤其是復合鹽膏地層時，鹽層易溶解、坍塌，從而影響鉆井液及固井水泥漿的性能，造成固井質量差； ③ 鹽膏層覆蓋下，存在異常壓力帶形成非均勻載荷而導致套管變形和擠毀 。常規水泥漿在鹽膏層固井過程中極易發生鹽侵鈣侵現象，主要表現在： ① 注水泥階段，由于濃差效應，地層水中離子進入水泥漿造成增稠或膠凝，或者水泥漿中水進入地層造成地層膨脹、井徑縮小； ② 普通水泥漿受鹽膏層蠕變影響嚴重，造成水泥石與地層膠結質量差，嚴重影響固井質量及后期作業； ③ 鹽膏層地層水中電解質含量高，易腐蝕一般水泥石、甚至腐蝕套管，從而造成事故 。

2 室內試驗

2.1 固井水泥漿組成

高密度鹽膏層固井水泥漿以 NACl飽和水為基礎，分別加入 G 級油井水泥以及抗鹽降失水劑、緩凝劑、分散劑、消泡劑、膨脹劑、增強劑等水泥外加劑，用加重劑加重至密度為2.0g/Cm3 。配置高密度鹽膏層水泥漿的配方為：100%G 級油井水泥+50%淡水+15%抗鹽降濾失劑+22%NACl+0.8%分散劑+0.6%緩凝劑+0.5%消泡劑+1%膨脹劑+12%新型增韌劑+12%加重劑。抗鹽降失水劑是一種由 AMPS多元復合的抗溫抗鹽的固井水泥降失水劑；新型增韌也是一種聚合物，具有增強水泥石強度的作用；分散劑具有良好的抗溫抗鹽能力，能改善水泥漿的流變性及重晶石的分散效果。

2.2 試驗儀器。本試驗用到的儀器主要有：常壓稠化儀、高溫高壓稠化儀、六速旋轉黏度計、試模和抗壓強度試驗機、高溫高壓失水儀、攪拌器、鉆井液密度計、水浴鍋、天平、量筒。

2.3 試驗方法。水泥漿的配置與性能評價均按照 API 標準規范進行。在配置過程中按配方的水灰比及配方加料順序依次加入并充分攪拌混合均勻，最后加重晶石調節密度為2.0g/ Cm3 ，然后在常壓稠化儀中養護。試驗測定配置好的水泥漿的流變性、失水量、稠化性能及稠化時間及抗壓強度，評價高密度鹽膏層固井水泥漿的性能。

3結果與討論

3.1水泥漿常規性能

固井水泥漿良好的流變性、較小的失水量、稠化時間及強度是影響固井質量的重要因素，紊流狀態下的水泥漿能夠有效填充環空間的間隙，提高頂替效率，因此就要求水泥漿具有較好的流變性。較少的失水量是水泥漿性能穩定的前提，別在鹽膏層地層中，有效控制失水既是水泥漿性能穩定的保證，又是保持地層穩定的關鍵。通過測該高密度鹽膏層固井水泥漿在25 ℃和90 ℃的基本性能，來評價其性能。

高溫高壓失水試驗在7MPA 、 30mIN條件下測定，稠化試驗在不同溫度、45 MPA養護中測定，水泥石強度試驗在不同溫度、21MPA養護24h后測定，下同。該抗鹽膏層固井水泥漿在低溫（ ≤90℃ ）下具有較好的流變性，動塑比適中，能保證較好的頂替效率；高溫高壓失水較低，有效抑制水進入鹽膏層影響水漿性能，且初始稠度和稠化時間適當，養護24h后的水泥石抗壓強度較高。因此，該固井水泥漿整體性能良好，失水較少，稠化時間適中，抗壓強度大，基本能滿足鹽膏層固井施工。

3.2水泥漿抗溫性能。為了滿足水泥漿在深井固井中的應用，固井水泥漿應具有良好的耐溫性能。依據試驗規范，配制密度為 2.0g / Cm3的水泥漿，測定其在不同溫度養護下的塑性黏度、切力、高溫高壓失水量、初始稠度、稠化時間和抗壓強度等性能。通過對不同溫度下水泥漿稠化時間的研究，能夠清楚認識水泥漿對溫度敏感性及現場施工的安全性。

當溫度增加時，塑性黏度增大，動塑比減小，失水量也隨之增加。130℃以下仍具有較好的流變性和較低的失水量；當溫度高于130℃后，流變性變差，失水量也相應增大很多。由圖1可知，隨著溫度升高，稠化時間減少，水泥石強度也隨之增大。這是因為當溫度升高時，水泥中的主要成分硅酸三鈣、硅酸二鈣水化反應加快。當溫度為130℃時，稠化時間及水泥石抗壓強度變化明顯。結合上述溫度對水泥漿變性和高溫高壓失水量的影響可知，水泥漿在130 ℃以下時性能穩定，當溫度超過130℃后性能變化明顯，因此該鹽膏層固井水泥漿具有良好抗溫能力。

3.3 水泥漿抗鹽性能氯化鈉和石膏是一種強電解質，能對水泥漿性能產生較為復雜的影響，主要表現在使水泥漿產生分散、密度升高、促凝緩凝、失水量及稠化時間難以控制等方面。要求水泥漿要具備較強的抗鹽抗鈣能力，以保持水泥漿自身性能不受較大影響，保證固井質量。稠度測試條件為 90℃×45MPA 養護，抗壓強度測試條件為90℃×21MPA×24h養護。NACl加量在20%以內時水泥漿體系比較穩定，流變性變化不大，失水量稍有增加。稠化時間隨著 NACl加量的增加雖呈現出先減小后增加的現象，但變化量小，這是由于水泥漿水化過程中要消耗一部分水，而原本水泥漿中就有近飽和的 NACl ，因此即使再加入 NACl ，對其稠化時間的影響也較小[12]。抗壓強度隨著NACl 加量的增加，在加量20%以內時降低緩慢，這是因為在近飽和鹽的水泥漿體系中，鹽膏層中的鹽很難再溶入到體系中，一方面阻止了鹽膏層地層的鹽溶而導致井壁發生變化，另一方面也保證了水泥漿體系性能受鹽影響不明顯。鹽膏層也存在鈣鹽，鈣鹽的侵入對水泥漿體系也會產生一部分影響， CASO4 加量對水泥漿黏度和失水量的影響隨著硫酸鈣加量的增加，塑性黏度和高溫高壓失水量開始增加緩慢，增量不大，說明水泥漿體系流變性和高溫高壓失水量受硫酸鈣影響不明顯。試驗結果可知，雖然硫酸鈣加量增加時稠化時間和抗壓強度都受影響，但變化量較小，在硫酸鈣含量為4% 時仍具有較好的抗壓強度和較合適的稠化時間，表明該鹽膏層固井水泥漿具有較好的抗鹽抗鈣性能。

參考文獻：

[1]高遵美，羅明良，溫慶志，等.西江油田低效井儲層傷害機理及酸化可行性研究[J].應用化工，2013，42（9）：1583-1586.