低返速固井對油井水泥漿性能的影響

徐力群，張興國，王銀東，金也，丁輝，劉增，劉開強，郭小陽

（1.中國石油塔里木油田分公司油氣工程院，新疆庫爾勒 841000；2.油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室·西南石油大學，成都 610500）

0 引言

塔里木油田超深天然氣井四開鹽膏層、五開目的層的尾管固井面臨井底高溫高壓、安全壓力窗口窄、注水泥過程中的防漏與候凝過程中的壓穩矛盾突出等技術難題[1-4]。為此，塔里木油田聯合西南石油大學，通過研究低返速固井配套技術，解決了超高密度水泥漿注水泥過程中防漏和水泥漿一次性上返不到位的技術難題[5-6]。眾所周知，超深井固井用水泥漿需加入大量的高溫緩凝劑，以確保體系能耐受井底的高溫，具有足夠的稠化時間以滿足將水泥漿泵注到預定位置的需要。但是，當水泥漿到位后，其所處位置的溫度將低于甚至遠低于井底的溫度，從而導致水泥漿體系被緩凝過頭、出現封固段頂部水泥漿超緩凝、延遲后續施工作業等的問題。而與常規返速固井相比，低返速固井的排量大幅度降低、施工時間也大幅度增加、所需的稠化時間更長[7]，為此按照常規程序調試水泥漿，將大幅度增加緩凝劑的量，從而進一步增加了體系優選和配方優化的難度，也進一步增加了封固段頂替水泥漿超緩凝的可能。與常規返速固井相比，低返速固井時水泥漿從井口到井底的時間更長，那么其溫度從井口的常溫到被加熱到井下的高溫的時間更長， 同時，其流動速度降低導致對水泥漿攪拌速度也相應降低[8-9]，而溫度和攪拌速度都是影響材料化學反應速度的重要因素，那么，由低返速固井導致的升溫速率和攪拌速度的降低是否會影響水泥漿的水化反應速度，是否會影響水泥漿的其他性能就非常值得研究，而且對于優化低返速固井水泥漿配方具有重要的現實意義。

在統計分析塔里木庫車山前鹽膏層低返速固井排量、對應管內和環空流速的基礎上，建立了低返速固井水泥漿配套性能測試方法，研究了低返速固井對水泥漿性能的影響，得到了低返速情況下常規水泥漿工程性能的變化規律，從而為國內外類似地層固井合理優選水泥漿體系、優化水泥漿配方、合理控制體系稠化時間及減少封固段頂部水泥漿的超緩凝問題，提供了新的理論依據和技術手段。

1 低返速固井水泥漿實驗方法

1.1 攪拌速度及實驗條件的確定

用符合API和國標規范的高溫高壓稠化儀，在150 r/min的攪拌速率下，模擬水泥漿在從井口到井底的攪拌、升溫、升壓和逐漸水化變稠的過程，以測量水泥漿保持具有可泵送能力的時間。在超高壓和安全密度窗口窄地層的固井作業中，精確控制環空漿柱注替排量和循環壓耗，是增加水泥漿返高及水泥石封固能力的有效技術之一。然而，在固井注替中排量降低時，將導致水泥漿的環空返速和剪切速率降低，由不同排量對應流速的計算結果可知，隨注水泥排量的增加管內與環空的流速增大。

1.1.1 排量與實驗轉速關系的確定

為了能準確模擬不同排量下水泥漿稠化時間的變化情況，用增壓稠化儀漿杯槳葉的攪拌速率模擬環空返速[10]，根據GB/T 19139—2012標準，計算出了稠化儀漿杯轉速與最大線速度的對應關系，結果見表1。一般認為固井水泥漿的環空返速大于1 m/s是保證固井質量的前提，對應山前鹽膏層井段，注替排量大于10 L/s，山前構造前期的固井作業排量也均大于10 L/s，但大多數井在該排量下嚴重失返。在庫車山前前期試驗中，有些井水泥漿的注替排量需要控制在2 L/s時，才能保證井不漏失。而2 L/s對應四開最大環空返速為0.14 m/s，稠化儀對應的轉速為36 r/min；最小值返速為0.058 m/s時，轉速為15 r/min。為了研究低排量下水泥漿的性能，選擇轉速為20 r/min作為稠化時間、抗壓強度測試和水化實驗的一個重要指標。

表1 稠化儀轉速和最大線速度的對應關系

1.1.2 實驗溫度、壓力的確定

對山前構造鹽膏層48口井的循環溫度、地層壓力進行統計（見表2）。

表2 庫車山前鹽膏層井段循環溫度、壓力數據統計

可以看出，鹽膏層的循環溫度主要分布在120～160 ℃，壓力主要分布在120～160 MPa，最高達180 MPa。另外，常規固井注水泥作業條件下，室內稠化時間實驗的升溫時間一般設置為60～90 min[11]；低返速注水泥作業下，排量和環空返速相應減小（見圖1），水泥漿在注入井筒后的升溫速率也會有明顯不同。因此，實驗研究中也考慮了升溫速率對水泥漿性能的影響。

圖1 排量及其水泥漿在管內及環空中的流速關系

1.2 實驗方法

實驗方法基于API規范，并結合低返速固井對應的攪拌速度和升溫速度，對水泥漿稠化實驗和其他測試項目水泥漿的預制（加熱和攪拌）。

1）庫車山前高溫、高壓水泥漿穩定性實驗測試方法[12]。使用高速攪拌機，按照API混漿標準配制水泥漿。將配制好的水泥漿置于稠化儀漿杯中，按擬定好的實驗條件讓稠化儀升溫升壓，結束后保持溫度和壓力穩定，稠化儀繼續工作30 min。泄壓并降溫到100 ℃以下，取出漿杯，打開杯蓋，吸去水泥漿表面的浮油，靜止于量筒內，靜置120 min，然后測量水泥漿上下的密度。

2）采用抗壓強度來評價固化體的固化性能。具體實驗過程為：配制水泥漿，然后將水泥漿置于稠化儀中，按實驗方法設置不同升溫時間、轉速，等到稠化儀升溫升壓結束后，保持溫度和壓力穩定30 min后，取出漿杯，打開杯蓋，吸去浮油，倒入50.8 mm×50.8 mm×50.8 mm的抗壓模具，將模具置于高溫高壓養護斧中養護[13]。對養護1、3、7、14、21 d的水泥漿固化體力學性能進行測試。

1.3 實驗材料

調研發現庫車山前用水泥漿以歐美克公司體系為主，因此，實驗中選擇歐美克公司提供的庫車山前鹽膏層固井水泥漿配方。但是，測試結果表明，即使用常規攪拌速度測量，其稠化時間長達650 min，結果見圖2。同時考慮到排量降低時水泥漿剪切速率降低，升溫時間延長，為此，為縮短單個稠化實驗的時間、提高實驗研究的效率，以現場配方為依據，適當減少緩凝劑的加量，將稠化時間控制在2.5 h左右，如表3所示。水泥漿配方如下。

100 g水泥漿+25%硅粉+5%微硅+65%加重劑+7.3%工業鹽+7.8%降失水劑+5.9%減阻劑+7.3%緩凝劑+2%防氣竄劑+0.2%消泡劑+43%水

圖2 庫車山前鹽膏層固井水泥漿稠化時間曲線

表3 緩凝劑對庫車山前鹽膏層水泥漿基本性能的影響

2 實驗結果討論

2.1 低返速對稠化時間的影響

圖3是不同溫度、不同升溫速率下水泥漿稠化時間隨攪拌速度的變化。由此可知，在不同的溫度下，隨攪拌速度的降低，水泥漿的稠化時間都呈延長的趨勢，且與常規返速下的稠化時間相比，低返速下的稠化時間延長幅度最高可達120%，從而充分證實了由低返速固井導致的攪拌速度降低對水泥漿水化反應有顯著的影響；相比之下，升溫時間和速率對水泥漿稠化時間的影響呈現出不同的趨勢，在常規返速固井的攪拌速度下，升溫時間和速率的影響不是很明顯，但是，越靠近低返速固井對應的低攪拌速度區域，其影響越明顯，且出現異常變化，即稠化時間隨升溫時間的縮短而延長，而從理論上而言，隨升溫時間的縮短、升溫速率的加快，水泥漿被加熱的速度加快，其稠化時間應該更短。但測試結果表明，在低返速固井對應的低攪拌速度區域，稠化時間反而隨升溫時間的縮短而延長，由此，也再次證明了低返速固井所致低攪拌速度對稠化時間的顯著影響，其影響幅度已經超過由升溫速度加快、水泥漿被加熱速度加快對水泥漿稠化時間的影響，由此，也證實了在低攪拌速度下，測量水泥漿稠化時間的必要性和重要性。

圖3 不同升溫時間下攪拌速率對水泥漿稠化時間的影響

2.2 低返速對懸浮穩定性的影響

表4為不同攪拌速度下緩凝劑加量為7.3%（占水泥量）時水泥漿體系的懸浮穩定性能。可以看出，水泥漿體系在90、120和140 ℃下，不論是高速攪拌預制，還是低速攪拌預制，其懸浮穩定性都非常好，說明該水泥漿體系的抗溫能力強，但是，當溫度達到160 ℃以后，體系開始沉降失穩、位于上部和下部的水泥漿開始出現密度差，不過與150 r/min常規攪拌速度下0.04 g/cm3的密度差相比，20 r/min下的密度差明顯小很多，更為懸浮穩定，說明低返速固井條件對水泥漿的懸浮穩定性無不利影響，甚至還有一定的改善作用。

表4 不同攪拌速度下水泥漿的懸浮穩定性能

2.3 低返速對抗壓強度的影響

不同攪拌速度、不同升溫速率下預制所得水泥漿（緩凝劑加量為水泥量的7.3%）凝結后，水泥石的抗壓強度見圖4。

圖4 不同攪拌速度、不同升溫速率下的水泥石強度的變化

由此可知，由低返速導致的低攪拌預制速度，對水泥石3、7、14 d強度有一定的影響，即隨預制攪拌速度的降低、14 d的抗壓強度略有下降，最大幅度約為25%左右，且都能滿足大于13.8 MPa的要求；由此可知，1 d和28 d的抗壓強度，不論是常規攪拌速度預制，還是低攪拌速度預制，差別不大。說明低返速條件對水泥石抗壓強度的發展基本沒有影響。

2.4 低返速對現場水泥漿稠化時間的影響

上述研究結果表明，低返速條件對水泥漿的稠化時間有顯著影響，因此測試了2套現場水泥漿在低返速條件下稠化時間的變化情況見表5和表6。

表5 克深907井四開技術尾管固井水泥漿在低返速下的稠化時間

表6 克深10井四開技術尾管固井水泥漿在低返速下的稠化變化情況

由于克深907井四開和克深10井四開使用不同的水泥漿配方，且克深907井四開固井排量為6 L/s對應的最大攪拌速度為116 r/min、最小攪拌速度為45 r/min；克深10井四開固井排量為5.5 L/s，對應的最大攪拌速度為105 r/min，最小攪拌速度為41 r/min，因此選擇50 r/min作為最低攪拌速度，選擇150 r/min作為對照實驗，選擇100 r/min攪拌速度可以更好地反映低返速下，克深907井和克深10井的真實情況。當轉速由150降低到50 r/min時，對應排量降低，稠化時間延長，為了減小排量對整個實驗過程的影響，以及隨排量變化相同套管尺寸，水泥漿升溫時間也表現為縮短，而選擇升溫時間為210 min，是與低返速現場實驗和套管尺寸計算的實際升溫時間相匹配的。

通過表5和表6還可知，在低返速條件下，2口井四開技術尾管現場水泥漿稠化時間的變化規律，與室內研究結論一致，都隨攪拌速度的降低而大幅延長，尤其克深10井的水泥漿，延長幅度高達125%，雖有利于安全施工，但對于水泥漿體系實現快凝、防止地層壓力（2.5 g/cm3）高壓地層鹽水造成的水侵相當不利，為此，有必要根據低返速下稠化時間的規律，對水泥漿配方進行優化。

2.5 低返速影響水泥漿稠化時間的機理分析

前述研究結果表明，低返速條件對水泥漿體系的稠化時間有顯著的影響，而稠化時間是水泥漿水化反應速度和進程的外在宏觀表現，那么，低返速條件影響水泥漿稠化時間的內在機理如何？能否通過對水泥漿水化產物的組成及其含量的分析，證實低返速條件對水化反應速度和進程的影響呢？為此，用XRD衍射分析和TG熱重分析技術，對在不同預制攪拌速度下，預制不同時間后的水泥漿水化產物的種類和含量進行了對比分析，結果見圖5和圖6。由此可知，雖然低返速條件對水泥漿的稠化時間有顯著影響，但是，即使在20 r/min的低返速條件下，水泥漿在不同水化時間的XRD衍射峰位置，也與150 r/min下基本相同，表明盡管其水化速度和進程受到一定的影響，但是其水化產物種類基本相同，沒有新的物質產生。由圖6還可知，盡管水泥漿在低返速條件下的水化產物種類與常規返速條件下的基本相同，但其水化產物的含量有顯著區別，隨水化時間的延長，水化產物的量逐漸增多，但是，在高返速條件下水泥顆粒能更充分地與自由水接觸，同時，增加了內部離子的運移速度，從而可生成更多的水化產物，由此，也證實了低返速條件對水泥漿水化反應速度和進程的影響，也正因為如此，才造成了低返速條件下，水泥漿稠化時間的大幅度延長。與水化反應10 min物相對比，高低轉速下的試樣質量損失相似，差異較小；水化50 min與對比水化反應10 min相對比，100～400℃內的質量損失差異擴大，20 r/min質量損失為1.70 %，150 r/min質量損失為0.96%；當水化進行到80 min時， 100～400 ℃內的質量損失差異繼續擴大；當水化反應時間為130 min時， 100～400 ℃內20 r/min的質量損失為2.48%，150 r/min的質量損失為9.44%，差距較大；400～500 ℃時20 r/min質量損失為0.63%，150 r/min質量損失為0.99%。因此，可以認為低轉速處理的水泥漿前期水化產物中水化硅酸鈣凝膠含量更少，后期含量逐漸趨于相同，而Ca（OH）2的生成量減小水化程度緩慢，延長水泥漿的稠化時間。

圖5 不同預制攪拌速度下預制不同時間水泥漿的XRD衍射分析

圖6 不同預制攪拌速度下預制不同時間的水泥漿水化產物含量（TG熱重）

3 結論

1.低返速固井條件下，水泥漿的水化反應速度和進程放慢，導致其稠化時間大幅延長，為此，更容易導致封固段頂部水泥漿超緩凝的問題，為此，對低返速固井水泥漿，需在低返速條件下測試稠化時間，并據此對配方進行優化合理控制稠化時間。

2.低返速固井水泥漿的懸浮穩定性基本不受影響，甚至有一定的改善；抗壓強度只有14 d強度稍微受到影響、出現小幅降低，但均能滿足要求。

3.通過XRD、TG分析表明，在低返速情況下，水泥漿的水化產物種類不會發生變化，只是延緩了水化的進程，并且低返速處理的水泥漿水化產物中硅酸鈣凝膠的量更少，Ca（OH）2的生成量減小，降低了水化速率進程，導致水泥漿稠化時間延長。