一種適于鹽膏層大井眼固井的抗鹽高強水泥漿
——以巴西Libra油田為例

黃偉 (中海油田服務股份有限公司油田化學事業部塘沽作業公司，天津 300459)

王曉亮 (非常規油氣湖北省協同創新中心(長江大學)，湖北 武漢 430100 荊州嘉華科技有限公司，湖北 荊州 434000)

楊曉榕，胡順，劉郢，張敏 (荊州嘉華科技有限公司，湖北 荊州 434000)

張易航 (長江大學石油工程學院，湖北 武漢 430100)

研究對象為巴西Libra油田，其資料顯示：井底壓力64.8MPa，井底溫度最高98℃，水深2040m，完鉆井深6000m，鹽膏層厚度633～2537m；鹽膏層溫度68±3℃；區別于以往的鹽膏層井，井眼直徑16in(1in=2.54cm)，套管直徑13in，環空間隙更大；孔隙壓力2.24～2.38g/cm3(當量密度)，破裂壓力2.41～2.45g/cm3(當量密度)；泥漿密度窗口較窄[1～3]。采用常規水泥漿對鹽膏層進行封固，巖鹽的大量溶解會對水泥漿穩定性能產生極大的影響，固井作業存在較大風險?？梢姡酀{體系的抗鹽侵能力直接決定了固井作業成敗[4～6]。針對鹽膏層大井眼固井封固段長、膠結質量差的情況，需要水泥漿具有更好的流動性，而原普通水泥漿體系的強度發展速率偏低，24h強度為8.2MPa，48h強度為16.4MPa。為獲得良好的固井質量需要更高的強度發展速率，通過試驗研制出了一種密度為2.4g/cm3抗鹽高強水泥漿進行鹽膏層固井作業。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

荊州嘉華科技工業產品加重劑MICD，荊州嘉華科技工業產品降失水劑CG82L，鹽水。

1.2 試驗儀器

1)六速旋轉黏度計ZNN-D6B：測定抗鹽高強水泥漿體系的流變性能。

2)增壓稠化儀TG-8040DA：測定抗鹽高強水泥漿體系的稠化時間。

3)高溫高壓失水儀TG-71：測量抗鹽高強水泥漿體系的失水量。

4)勻加荷壓力試驗機YJ-201：測試抗鹽高強水泥石的強度。

5)TONI 壓力機和霍普金森沖擊桿：測試抗鹽高強水泥漿體系抗沖擊功和彈性模量。

2 抗鹽高強水泥漿體系配制

2.1 鹽水質量分數的優選

在鹽膏層鉆井過程中，由于鹽的溶解使得井眼的規則性受到影響，增加了水泥漿和沖洗隔離液頂替鉆井液的難度[7，8]。鹽膏層大井眼固井采用抗鹽高強水泥漿可以達到抑制鹽巖沖蝕、鹽膏層溶解，以防止水泥漿性能受鹽及高價金屬離子的污染導致性能惡化的目的。

密度為2.4g/cm3水泥漿基礎配方如下：嘉華G級水泥600g+(0%～36%)鹽水300g+分散劑6g+消泡劑5g+緩凝劑2g+消泡劑5g。

圖1給出了不同質量分數鹽水的水泥漿對巖溶速率的影響。從圖1分析得到，鹽水質量分數越高，鹽溶解速率越低；同一水泥漿上返速率，鹽水質量分數達15%以上時，鹽溶解速率降低50%；當鹽水質量分數達到飽和狀態(即鹽水質量分數為36%)時，鹽的溶解速率為0。巴西Libra油田固井水泥漿上返速率在 1.12～1.37m/s范圍內，此時使用不含鹽(即淡水)的水泥漿沖蝕鹽層的溶解速率為 0.03kg/(s·m2)，但使用含鹽15%～20%的水泥漿沖蝕鹽層的溶解速率僅為 0.006～0.012 kg/(s·m2)。說明鹽膏層溶解對鹽水水泥漿的污染較小，故鹽膏層固井需要采用高密度抗鹽水泥漿體系。

鹽水質量分數對水泥漿性能有著復雜的影響。對普通水泥漿而言，隨著水泥漿中鹽水質量分數的增大，水泥漿的稠化時間和抗壓強度將發生明顯惡化，因此通過評價不同鹽水質量分數對抗鹽高強水泥漿主要性能的影響，來確定特定抗鹽高強水泥漿的最佳鹽水質量分數[9～11]。在30MPa和80℃條件下，室內針對密度為2.4g/cm3的水泥漿開展鹽水質量分數分別為0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%、36%的性能評價，結果見圖2。由圖2(a)可見，5%以內的鹽水質量分數所配制的水泥漿稠化時間明顯是縮短的，5%～15%范圍內水泥漿稠化時間相對淡水水泥漿變化不大，當鹽水質量分數超過15%時，不同溫度條件下水泥漿稠化時間越長，稠化時間波動越明顯，因此鹽水質量分數不宜超過15%。由圖2(b)可見，當鹽水質量分數超過15%時，水泥漿失水量增大趨勢明顯，所以鹽水質量分數不宜超過15%。由圖2(c)可見，在鹽水質量分數低于10%時，鹽的加入增加了水泥石的抗壓強度；當鹽水質量分數達到15%以上時，水泥石的抗壓強度大幅下降；當鹽水質量分數大于20%，水泥石的抗壓強度下降達42.9%。結合試驗分析，考慮注水泥過程中鹽溶入水泥漿的能力，推薦密度為2.4g/cm3的抗鹽高強水泥漿鹽水質量分數為15%～20%，有利于提高固井質量。

2.2 加重劑的篩選

抗鹽高強水泥漿體系的建立，其關鍵技術除水泥漿外加劑選擇對水泥漿流變性的影響外，其主要的關鍵點就是加重劑的選擇。抗鹽高強水泥漿加重劑，常見的有重晶石粉和赤鐵礦粉，但這些加重劑在達到2.6g/cm3的密度下，其加重后水泥漿的性能都會受到嚴重的影響[12，13]。利用國內專利產品CN201611256196.6(平均粒徑50～110μm)球形氧化鐵可以制備密度超過2.6g/cm3的水泥漿，同時具有較好的流變性和沉降穩定性、失水量低、抗壓強度高、膠結性能良好[14,15]。利用美國艾肯MICROMIX微錳粉(平均粒徑5～10μm)球形三氧化二錳可以制備密度超過2.8g/cm3的水泥漿，同時具有較好的流變性和沉降穩定性、失水量低、抗壓強度高、膠結性能良好。普通加重劑價格3600元/t，上述2種加重劑的價格過高(均在15000元/t以上)，會造成水泥漿成本急劇增加。室內研究以緊密堆積理論為指導，設置3級粒徑加重劑復合搭配，根據該原理建立模型，進行水泥漿(粒徑10～100μm)+赤鐵礦粉(粒徑10～100μm)+錳礦粉MC200G(粒徑1～1.2μm)的緊密堆積設計，加重劑質量配比為4∶1的赤鐵礦粉和錳礦粉MC200G復配的加重劑MICD，以實現球形加重劑的加重效果。結果見表1。

2.從管理到服務，是社區自治的根本。社區黨委，要由“代民做主”變為“讓民做主”?！耙皇职k”的政府、無限的政府不僅干不好所有社區事務，反而容易成為居民將問題與矛盾歸咎的對象。社區的職責在于引導，提供咨詢、調解、溝通等服務。將大的社區進行細化，分成網格、樓棟管理，讓網格長、居民小組長、樓棟長發揮作用，還原社區大家庭、熟人的功能。

表1 加重劑流變性和沉降穩定性試驗結果

試驗發現，分別使用上述加重材料將水泥漿加重至密度為2.4g/cm3時，重晶石粉的流變性能差，NΦ200以上不可讀；用250目與1000目赤鐵礦粉分別加重，靜置20min后，漿體沉降，不穩定；用250目+1200目赤鐵礦粉復配后加重，漿體穩定，但流動性差，NΦ200以上不可讀；錳礦粉加重效果好，但市場上錳礦粉價格昂貴，一般為赤鐵礦粉的2～3倍。

將復配加重劑MICD與國外的MICROMIX微錳粉作對比分析。在相同密度和流變性前提下分別針對這2種加重劑配制的水泥漿的流變性、加重劑加量及抗壓強度進行了綜合對比，結果見表2、圖3、圖4。結果顯示，經過顆粒復配的加重劑MICD與MICROMIX微錳粉流變性能、抗壓強度接近。從價格角度來看，復配加重劑MICD具有較為明顯的優勢，復合加重劑MICD大約7500元/t,價格為MICROMIX微錳粉產品的一半。

表2 復配加重劑MICD與MICROMAX微錳粉流變性對比數據

2.3 抗鹽降失水劑的篩選

實驗室制得的降失水劑CG82L是一種AMPS類聚合物降失水劑，常規濾餅的平均孔隙直徑約1μm，而聚合物分子的回轉半徑通常小于0.1μm，因此聚合物分子的聚集鏈束可以堵塞濾餅中的孔隙，加入到水泥漿體系中可以明顯降低水泥漿的失水量，并提高水泥漿漿體穩定性。該聚合物在合成中引入了不同性能的活性基團(酰銨基團)，因此有降濾失、分散減阻、自調凝、抗鹽及高價離子污染等功能，當鹽質量分數達到飽和條件時，仍能將水泥漿的失水量控制在150mL以內。

通過降低鹽水質量分數、加重劑配比，降失水劑質量分數在1%～5%以內就能將失水量控制在100mL以內，結果見表3和表4。根據該原則選擇的水泥漿配方如下：嘉華G級水泥600g+15%鹽水300g+降失水劑40g+分散劑6g+緩凝劑2g+消泡劑5g+復配加重劑MICD 585g。

表3 降失水劑優選

表4 降失水劑CG82L質量分數篩選

由表3可以看出，聚合物降失水劑CG82L具有較好的降失水能力，能有效降低抗鹽高強水泥漿的失水量?？果}高強水泥石的抗壓強度隨著降失水劑質量分數的增多變化不大，聚合物降失水劑CG82L的摻入沒有引起水泥漿體不穩定，相反對水泥漿穩定性有改善作用(見表4)。試驗結果表明了降失水劑CG82L在抗鹽高強水泥漿中的應用效果較好，能將失水量控制在100mL以內，有利于水泥漿綜合性能的提高。

為了探究降失水劑CG82L的抗鹽性，選擇密度為2.4g/cm3水泥漿配方：嘉華G級水泥600g+0%～45%鹽水300g+ CG82L降失水劑40g+分散劑6g+緩凝劑2g+復配加重劑MICD 585g，進行室內試驗評價，結果見表5。

表5 降失水劑CG82L在不同鹽水質量分數下的高溫高壓失水量

3 抗鹽高強水泥漿體系性能優化

3.1 水泥漿體系配制

通過上述試驗研究，得到如下不同密度的抗鹽高強水泥漿配方：

密度1.9g/cm3水泥漿配方(常規水泥漿配方)：嘉華G級水泥600g+300目硅粉210g+15%鹽水375g+分散劑5g+降失水劑40g+緩凝劑2g+消泡劑5g。

密度2.1g/cm3水泥漿配方：嘉華G級水泥600g+300目硅粉210g+15%鹽水345g+分散劑6g+CG82L降失水劑45g+緩凝劑3.5g+消泡劑6g+復配加重劑MICD200g。

密度2.2g/cm3水泥漿配方：嘉華G級水泥600g+300目硅粉210g+15%鹽水332g+分散劑6g+CG82L降失水劑45g+緩凝劑4g+消泡劑6g+復配加重劑MICD300g。

密度2.3g/cm3水泥漿配方：嘉華G級水泥600g+300目硅粉180g+15%鹽水365g+分散劑8g+CG82L降失水劑45g+緩凝劑4.5g+消泡劑7g+復配加重劑MICD490g。

密度2.4g/cm3水泥漿配方：嘉華G級水泥600g+300目硅粉180g+15%鹽水365g+分散劑8g+CG82L降失水劑40g+緩凝劑5.27g+消泡劑6g+復配加重劑MICD590g。

表6結果顯示，常規水泥漿的失水量大，且強度低于14MPa，不能滿足現場作業要求。抗鹽降失水劑CG82L和復配加重劑MICD的加入與水泥漿其他添加劑配伍性好，抗鹽高強水泥漿體系具有良好的流變性；較高的抗壓強度，24h抗壓強度均大于20MPa；失水量較小，無自由液，穩定性良好；水泥漿稠化時間可以通過緩凝劑加量在180～300min內調節?？果}高強水泥漿綜合性能好，可以滿足深水巨厚鹽膏層大井眼固井的要求。

表6 不同密度高溫水泥漿基本性能測試結果

3.2 水泥石強度高溫穩定性評價

結合巴西Libra油田地層特點，深水鹽膏層需采用高密度水泥漿，模擬地層條件針對適合現場密度為2.4g/cm3的水泥漿沉降穩定性進行測試。將水泥漿倒入0.7m高的管子中充分震蕩，待水泥凝固后用排水法測試不同部位的水泥石密度。結果顯示，密度2.4g/cm3水泥漿具有較高的穩定性，上下水泥漿的密度差能夠控制在0.02g/cm3以內，水泥漿上部無自由水出現。然后采用超聲波儀器對密度2.4g/cm3的水泥漿在140℃及150℃分別進行高溫高壓養護，其強度發展曲線如圖5所示。

結果顯示，水泥漿靜膠凝強度發展到48Pa(96lb/100ft2)～240Pa(480lb/100ft2)的發展時間均能控制在20min內，表現出較強的防竄性。說明該抗鹽高強水泥漿具有優良的高溫穩定性和膠結性能，保證了高溫井底的密封性。

3.3 水泥石強度抗沖擊功和彈性模量評價

室內采用 TONI 壓力機和霍普金森沖擊桿分別對復配加重劑MICD加重抗鹽高強水泥石以及常規密度水泥石的抗沖擊功和彈性模量進行了評價，結果見表7。由表7可見，密度為2.3g/cm3和2.4g/cm3抗鹽高強水泥漿較常規水泥漿的抗沖擊功分別提高了23.3%、31.8%，水泥石彈性模量分別降低了20.4%、26.6%。說明水泥石具有良好彈性和高抗沖擊性，可避免現場作業時水泥環受到應力作用造成的破損，能夠確保水泥環的完整性。

表7 抗鹽高強水泥石的抗沖擊功和彈性模量

4 結論

1)鹽水質量分數對水泥漿綜合性能影響大，通過對不同鹽水質量分數對水泥漿性能影響的試驗分析，推薦密度2.3g/cm3抗鹽高強水泥漿體系中鹽水質量分數為15%～20%。

2)抗鹽高密度水泥漿加重劑的組成可根據水泥漿的密度及加重劑的特點，采用緊密堆積模型進行3級粒徑加重劑緊密堆積設計，推薦密度為2.4g/cm3的抗鹽高強水泥漿加重劑質量比為 4∶1 的赤鐵礦粉與錳礦粉MC200G復配的加重劑MICD，該加重劑MICD可實現球形加重劑的加重效果，但價格僅為球形加重劑的一半。

3)通過引入抗鹽AMPS類聚合物降失水劑與加重劑復配，降失水劑質量分數在1%～5%以內就能將失水量控制在100mL以內，該降失水劑具有良好的抗鹽性。

4)通過對抗鹽高強水泥漿外加劑優選，形成了一套具有漿體穩定性能及流變性能好、稠化時間180～300min可控、高溫下早期抗壓強度高等特點的抗鹽高強水泥漿體系，該抗鹽高強水泥漿(密度2.4g/cm3)較常規水泥漿抗沖擊功提高了31.8%，水泥石彈性模量降低了26.6%。水泥石具有良好的彈性和高抗沖擊性，成功解決了地層鹽溶污染水泥漿影響膠結質量的問題。