鶯瓊盆地抗高溫高密度防竄水泥漿研究及應(yīng)用

韓 成, 羅 鳴, 楊玉豪, 李文拓, 鄧文彪

(中海石油(中國)有限公司湛江分公司)

南海鶯瓊盆地是世界三大高溫高壓地區(qū)之一，地質(zhì)條件復(fù)雜，目的層地層壓力系數(shù)可達(dá)2.30，井底溫度可達(dá)200 ℃，高密度水泥漿難于控制候凝過程中環(huán)空氣竄[1-3],安全密度窗口極窄，部分井甚至無窗口，固井時面臨著氣竄和井漏的雙重風(fēng)險。在過去已鉆探的數(shù)十口探井高溫高壓井段固井質(zhì)量均不理想，嚴(yán)重影響該地區(qū)高溫高壓勘探進(jìn)程。經(jīng)過幾年的技術(shù)創(chuàng)新與實(shí)踐，研制了一套密度達(dá)到2.40 g/cm3抗高溫高密度防竄水泥漿體系，并成功在鶯瓊盆地3口高溫高壓探井進(jìn)行成功應(yīng)用，高溫高壓井段固井質(zhì)量良好。

一、鶯瓊盆地高溫高壓固井難題

1.高密度水泥漿易氣竄

鶯瓊盆地超高溫高壓目的層黃流組氣層埋深4 200 m左右，現(xiàn)場一般使用?244.5 mm套管封固黃流組頂部高壓砂體，下深在4 000 m左右，該井深鉆井液密度一般高達(dá)2.20～2.30 g/cm3，井底靜止溫度(BHST)為165℃～200 ℃，井底循環(huán)溫度(BHCT)為125℃～165 ℃，?244.5 mm套管固井時水泥漿密度達(dá)到2.25～2.40 g/cm3。在高溫條件下，由于高密度水泥漿固相含量高，高溫使布朗運(yùn)動加劇，破壞了漿體內(nèi)部的粘滯力，易造成加重材料顆粒沉降加快，水泥漿凝固后在上部容易產(chǎn)生自由水槽或水帶，水泥石密度不均勻，鶯瓊盆地地層高壓氣體活躍，極易引起氣竄[4-5]。

2.漏失和壓穩(wěn)矛盾突出

鶯瓊盆地超高溫高壓井安全密度窗口極窄，通過前期十余口高溫高壓探井鉆探情況分析可知，進(jìn)入黃流組地層后頻繁發(fā)生井漏、溢流，部分井目的層安全密度窗口只有0.01～0.03。高溫高壓固井過程中，水泥漿和鉆井液的密度均較高，漿體性能控制困難，給固井設(shè)計和施工帶來很大困難，水泥漿的流變性較差或頂替速度稍有不當(dāng)就可能壓漏地層[6-8]。

二、高密度水泥漿優(yōu)化設(shè)計

1.加重材料優(yōu)選

為進(jìn)一步提高高密度水泥漿膠體穩(wěn)定性，鶯瓊盆地高溫高壓井固井水泥漿嘗試使用錳礦粉替代鐵礦粉加重，錳礦粉顆粒及鐵礦粉顆粒掃描電鏡及粒度分布結(jié)果如圖1、圖2所示。錳礦粉顆粒密度為4.8 g/cm3，可加重水泥漿密度至2.8 g/cm3，且錳礦顆粒粒徑較小，大部分部分顆粒粒徑集中在0.5～1.0 μm范圍內(nèi)，因而在水泥漿中懸浮性好，水泥漿漿體穩(wěn)定，另外由掃描電鏡結(jié)果可知，鐵礦粉顆粒棱角分明，錳礦粉顆粒為球形顆粒，根據(jù)加重材料的顆粒級配和“滾珠效應(yīng)”理論，錳礦粉顆粒圓形度越好，在流動過程中顆粒摩擦的過程中表現(xiàn)為滾動摩擦，可顯著提高水泥漿的流動性，因而在同等條件下錳礦粉加重的高密度水泥漿的流變性就更好[9-10]。

圖1 鐵礦粉顆粒掃描電鏡及粒度分布結(jié)果

圖2 錳礦粉顆粒掃描電鏡及粒度分布結(jié)果

2.防氣竄劑優(yōu)選

常規(guī)防竄劑在井溫高于110℃的情況下水泥漿失水量增大，為提高高溫高壓防氣竄能力，選用抗高溫膠乳型防氣竄劑BA-58L。該處理劑在水泥漿中顆粒之間聚結(jié)成對液體和氣體的滲透率非常小的膜，顯著提高氣竄阻力；同時膠乳型防氣竄劑具有一定彈性，在一定壓差作用下，可充填在水泥顆粒及其他固相顆粒之間，可顯著降低水泥石的滲透率[11-12]。

三、高密度水泥漿性能評價

1.綜合性能評價

高密度防竄水泥漿配方如下：嘉華G級油井水泥+水+40%硅粉S-8+0.9%防氣竄黏合劑BA-58L+0.35%降失水劑Ultra-7L+0.15%分散劑CD-33L+1.10%緩凝劑R-450L+0.1%消泡劑FP-12L。分別使用錳礦粉加重至2.30 g/cm3、2.40 g/cm3，水泥漿的綜合性能如表1所示。

表1 高密度防竄水泥漿綜合性能

由表1可知，高密度防竄水泥漿綜合性能較好，失水量較低，零游離液，過渡時間段只有5 min左右，有利于封固高壓氣層，同時由于體系加入40%硅粉，高密度水泥漿的早期強(qiáng)度高溫強(qiáng)度超過18 MPa。

2.防竄性能評價

研究表明，水泥漿頂替到環(huán)空后，環(huán)空氣竄多發(fā)生在靜膠凝強(qiáng)度48～240 Pa，在該區(qū)間內(nèi)，靜膠凝強(qiáng)度發(fā)展所用時間越短，氣竄發(fā)生的可能性就越少。通過超聲波水泥強(qiáng)度分析儀可測定密度2.30 g/cm3、2.40 g/cm3水泥漿靜膠凝強(qiáng)度發(fā)展情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，高密度水泥漿在高溫(165℃、180℃)條件下，靜凝膠強(qiáng)度由48 Pa發(fā)展到240 Pa所用時間僅為1 min左右，靜膠凝強(qiáng)度快速發(fā)展，可以有效地防氣竄，有利于提高高溫高壓井固井質(zhì)量。

圖3 高密度水泥漿靜膠凝強(qiáng)度發(fā)展情況

3.溫敏性評價

由于溫度是影響水泥漿稠化時間的關(guān)鍵因素，在高溫高壓固井過程中，井下溫度的估算總會存在一定的誤差，高溫高壓固井為保證固井作業(yè)安全，必須考慮溫度波動對高密度水泥漿稠化時間的影響。室內(nèi)考察了抗高溫高密度防竄水泥漿在5℃溫差范圍內(nèi)的性能變化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。由表2可知，5℃溫差范圍內(nèi)水泥漿的API失水、稠化時間、稠化過渡時間、水泥石強(qiáng)度變化均不大，均能滿足現(xiàn)場需求。

表2 高密度水泥漿溫敏性能評價

4.水泥漿穩(wěn)定性評價

高密度水泥漿漿體固相含量高，加重材料易沉降，導(dǎo)致水泥漿凝固密度分布不均勻。室內(nèi)對密度2.30 g/cm3、2.4 g/cm3水泥漿進(jìn)行沉淀穩(wěn)定性測試，待水泥漿完全凝固后均勻切成6節(jié)，水泥石密度測量結(jié)果如表3所示，由表3可知，高密度水泥漿沉降密度差只有0.01 g/cm3，可見錳礦粉加重的高密度水泥漿具有優(yōu)良的沉降穩(wěn)定性。

表3 高密度水泥漿沉降穩(wěn)定性測試結(jié)果

四、現(xiàn)場應(yīng)用

該高密度防竄水泥漿體系在鶯瓊盆地3口超高溫高壓井中得到成功應(yīng)用。以LD101-E井為例，該井?311.2 mm井眼鉆進(jìn)至黃流組I氣組4 089 m，?244.5 mm套管設(shè)計下至4 084 m，電測顯示井底靜止溫度189 ℃，根據(jù)固井軟件模擬得到循環(huán)溫度為155℃，氣竄風(fēng)險高。同時，該井上層?339.7 mm套管鞋深度為3 330 m，管鞋處地層破裂壓力系數(shù)為2.24；在?244.5 mm套管固井作業(yè)前循環(huán)期間發(fā)生井漏，發(fā)生井漏時鉆井液密度為2.15 g/cm3，井底ECD為2.20。安全密度窗口僅有0.04，?244.5 mm套管固井作業(yè)面臨井漏及壓穩(wěn)雙重風(fēng)險。

?244.5 mm套管固井設(shè)計采用采用水下雙膠塞，首、尾漿單級固井。首漿返至?339.7 mm管鞋以上200 m，段長624 m，尾漿返至?244.5 mm管鞋以上300 m，段長300 m。頂替排量變化的設(shè)計依據(jù)是CemFACTS壓力和ECD模擬，設(shè)計頂替壓力不超過5.5 MPa，?339.7 mm管鞋處ECD不超過2.23，不會壓漏地層，尾漿失重后?244.5 mm套管鞋當(dāng)量密度2.19 g/cm3，可以有效壓穩(wěn)地層。首、尾漿密度為2.30 g/cm3，均使用錳礦粉加重，現(xiàn)場首、尾漿稠化曲線如圖4所示。

圖4 現(xiàn)場首、尾漿稠化曲線

首、尾漿均呈直角稠化，稠化過渡時間均在5 min左右。首漿可泵時間305 min，安全時間121 min；尾漿可泵時間268 min，安全時間120 min；從管線試壓開始至頂替結(jié)束，整個固井作業(yè)預(yù)計歷時244 min。該井固井施工過程順利，無漏失，順利碰壓，在候凝24 h后，采用CBL(水泥膠結(jié)測井)-VDL(變密度測井)方式對固井質(zhì)量進(jìn)行了評價，評價結(jié)果如表4所示，由表4可知，固井水泥漿有效封隔氣層，固井質(zhì)量較好，滿足下一步作業(yè)要求。

表4 LD101-E井?244.5 mm套管固井質(zhì)量檢測表

五、結(jié)論

(1)錳礦粉顆粒為球形顆粒，且粒徑較小，錳礦粉高密度水泥漿在流動過程中顆粒摩擦的過程中表現(xiàn)為滾動摩擦，可顯著提高水泥漿的流動性。

(2)抗高溫膠乳型防氣竄劑在水泥漿中顆粒之間聚結(jié)成膜，同時由于具有一定彈性，可充填在水泥顆粒及其他固相顆粒之間，可顯著降低水泥石的滲透率，提高氣竄阻力。

(3)通過使用抗高溫膠乳型防氣竄劑，以球形顆粒的錳礦粉作為加重材料，構(gòu)建了一套抗高溫(180 ℃)高密度(2.40 g/cm3)防竄水泥漿體系。該體系流變性較好、沉降穩(wěn)定性好、稠化過渡時間短、靜膠凝強(qiáng)度發(fā)展快，有效解決了鶯瓊盆地高溫高壓固井氣竄及井漏難題。