1.25～1.30g/cm3低密高強(qiáng)水泥漿體系研究與應(yīng)用

李德偉

（中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司長慶固井公司,陜西西安710000）

隨著長慶油田對低壓低滲透油氣藏的進(jìn)一步勘探和開發(fā)，深井和長封固段井的數(shù)量也逐年增多，低壓易漏井和深井長封固井的固井難點(diǎn)也日趨突顯出來。為避免長封井和易漏井固井施工中出現(xiàn)漏失，并保證固井質(zhì)量，對固井水泥漿的各項性能提出了更高的要求，特別是在2019年，為了適應(yīng)新環(huán)保法的要求，長慶油田調(diào)整了油、氣井產(chǎn)建方案，油氣井實(shí)行全封固，同時對低密度段封固質(zhì)量及性能提出了更高的要求。不僅要進(jìn)一步降低水泥漿密度，還要保證水泥漿在大溫差下的各項性能，最大程度地滿足油田勘探開發(fā)的要求。

1 長慶油田低密度水泥漿應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，長慶油田應(yīng)用的低密度水泥漿密度范圍在1.35～1.65g/cm3之間，難以滿足地層承壓能力特低的區(qū)塊的固井要求和固井質(zhì)量要求。但該水泥漿密度和低溫條件下的抗壓強(qiáng)度，還不完全滿足長封段固井要求。1.25～1.30g/cm3低密高強(qiáng)水泥漿體系的研究的完成將有利于保證長慶油田深井和長封固井的固井施工及提高固井質(zhì)量，改善下部漏失層承壓能力；同時隨著水泥漿密度的進(jìn)一步降低，也減少了液柱壓力與地層壓力的過平衡的程度，盡可能避免了油氣層帶來的損害；為長慶油田后續(xù)開發(fā)的需求提供了有利的技術(shù)支撐，對固井技術(shù)的發(fā)展起到積極的推動作用。在優(yōu)選外摻料的過程中，應(yīng)用顆粒級配及緊密堆積理論，從而降低了水泥漿體系的應(yīng)用成本，為油田經(jīng)濟(jì)效益做出有效貢獻(xiàn)。

2 減輕材料的優(yōu)選

2.1 按減輕機(jī)理優(yōu)選

通過技術(shù)調(diào)研、優(yōu)選出減輕材料有白土、玻化珍珠巖、空心玻璃微珠、粉煤灰、微硅等外加劑，見表1。

表1 低密度水泥外摻料優(yōu)缺點(diǎn)

要配制出具有低密高強(qiáng)的水泥漿體系，優(yōu)選減輕材料時需要考慮有低的密度、沉降穩(wěn)定性能好、來源廣泛、符合長慶油田低成本開發(fā)戰(zhàn)略，能帶來較好的經(jīng)濟(jì)效益的減輕材料。另外，還需考慮減輕材料的粒度、硬度、吸水性、反應(yīng)活性等物化性質(zhì)對水泥漿體系的綜合性能。

2.2 按水泥漿力學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)選

在水泥漿靜止候凝過程中,要求漿體的固相顆粒不發(fā)生分層離析,達(dá)到預(yù)期封固高度和封固質(zhì)量。在超低密度水泥漿中, 由于減輕劑本身具有很低的密度,其上浮趨勢明顯,水泥漿存在不穩(wěn)定趨向。在漿體密度一定時,減輕劑顆粒直徑越大、密度越小,所需靜切應(yīng)力越大,因此減輕劑應(yīng)盡量選擇顆粒尺寸較小、密度與漿體接近的, 才更容易保證漿體的穩(wěn)定。另外,在滿足施工對流動性的要求的前提下,可適當(dāng)提高漿體的粘度,使減輕劑的上浮趨勢降低,保持漿體的穩(wěn)定。

3 實(shí)驗材料性能分析

3.1 ?；渲閹r的物化特性分析

玻化珍珠巖屬于火山玻璃質(zhì)熔巖，屬富含SiO2、Al2O3的巖類，外觀為灰白色可流動顆粒、顆粒密度0.6～0.75g/cm3，比表面積7.5～20m2/g，容重3kg/m3，平均粒徑0.50～30μm，SiO255%～70%，CaO25%～10%，容重3.0kg/m3，耐火度1100℃～1400℃，是將精選特殊粒徑的珍珠巖礦砂，在電爐加熱方式下膨化。在國內(nèi)產(chǎn)量豐富，具有極強(qiáng)的表面活性,價格相對較低。

3.2 空心玻璃微珠的性能

空心玻璃微珠是一種中空的圓球粉末狀超輕質(zhì)無極非金屬材料，是今年發(fā)展起來的一種用途廣泛、性能優(yōu)異的新型輕質(zhì)材料，其真密度在0.20～0.60g/cm3，粒徑在2～130μm 之間，具有質(zhì)量輕、體積大、導(dǎo)熱系數(shù)低、抗壓強(qiáng)度、流動性好的特點(diǎn)，見表2。

表2 空心玻璃微珠基本性能

3.3 粉煤灰加量確定

粉煤灰具有較高的水化活性、吸附性及較低的顆粒密度。粉煤灰具有減輕的特性，改善漿體的流動性能。較低的顆粒密度可以降低低密度水泥漿體系的水灰比，從而進(jìn)一步提高低密度水泥石的強(qiáng)度和沉降穩(wěn)定性。在長慶固井中已經(jīng)大量推廣應(yīng)用。粉煤灰屬于三廢利用，成本低、貨源廣，使用粉煤灰低密度水泥具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，見表3。

表3 粉煤灰不同加量對水泥石的影響

4 低密度水泥漿室內(nèi)實(shí)驗

4.1 兩種低密度體系各種性能實(shí)驗

配制水泥漿體系的過程是一個綜合分析的過程，要考慮多種因素的影響，通常影響水泥漿和水泥石性能的主要因素包括油井水泥的礦物組分、水灰比、外摻料、添加劑、溫度、壓力以及混配方法等。還應(yīng)考慮到各種材料復(fù)合后對整個體系產(chǎn)生的影響，是否存在協(xié)同效應(yīng)，而不是單純的各種外摻料最優(yōu)加量的累加。

通過大量室內(nèi)實(shí)驗形成了一種復(fù)合減輕劑（見圖1），外觀為灰白色固體顆粒粉末；具有極強(qiáng)的表面活性，物理密度0.85～0.95g/cm3，堆積密度0.55～0.65g/cm3，耐火度1100℃～1400℃，抗壓強(qiáng)度0.5MPa，閉合率不小于90%、D10 粒徑10.9μm，D50 粒徑64.1μm，D90粒徑189.7μm，是經(jīng)過優(yōu)化篩選三種減輕材料，按照最佳比例復(fù)配組合，實(shí)現(xiàn)更好的粒徑密集堆積效應(yīng)，見圖2。

圖1 復(fù)合減輕劑實(shí)物照片

圖2 復(fù)合減輕劑粒度分布圖

采用復(fù)合減輕劑與玻璃微珠作為減輕材料,并選用適合低密度水泥漿的超細(xì)水泥活性材料及水泥外加劑進(jìn)行實(shí)驗。形成配方1（G級水泥∶復(fù)合減輕劑∶超細(xì)水泥+GJ-S+GQD+GH-3+USZ）和配方2（G級水泥∶玻璃微珠∶微硅+GJ-S+GQD+GH-3+USZ）兩種不同類別低密高強(qiáng)水泥漿體系。經(jīng)實(shí)驗配方1結(jié)果為水灰比0.75，密度1.27g/cm3，析水率0%，API 失水48mL，45℃抗壓強(qiáng)度5.1MPa/24h、8.2MPa/48h，60℃/30MPa初稠15Bc、稠化時間208min（見圖3）；配方2 實(shí)驗結(jié)果為水灰比0.65，密度1.28g/cm3，析水率0%，API 失水39mL，45℃抗 壓 強(qiáng) 度7.9MPa/24h、15.5MPa/48h，60℃/30MPa初稠21Bc、稠化時間171min，見圖4。

圖3 配方1稠化曲線圖

圖4 配方2稠化曲線圖

4.2 水泥石抗壓強(qiáng)度實(shí)驗

為能了解低密度水泥石抗壓強(qiáng)度的長期變化情況，模擬井下上下封固段溫度，試驗了45℃（見圖5）、90℃常壓及21MPa 養(yǎng)護(hù)條件下水泥石的強(qiáng)度變化規(guī)律，按照配方1，制備水泥漿，實(shí)測密度為1.27g/cm3，模塊為50.8mm立方體水泥塊；如表4所示。

圖5 45℃/24h 常壓強(qiáng)度試驗

從表4可知，該體系凝固的水泥石24h抗壓強(qiáng)度達(dá)到5MPa 以上，從24h 到48h 期間，常壓或21MPa 下養(yǎng)護(hù)抗壓強(qiáng)度發(fā)展很快，特別是在增壓釜內(nèi)養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度發(fā)展較快，15d 后強(qiáng)度發(fā)展平緩；48h 后抗壓強(qiáng)度達(dá)到7MPa，完全可以滿足現(xiàn)場固井需要，說明該水泥漿體系固井，強(qiáng)度穩(wěn)定、水泥石不衰退，長效性能好。

表4 低密度水泥石實(shí)驗

5 現(xiàn)場試驗與應(yīng)用

5.1 現(xiàn)場試驗應(yīng)用情況

截止2019年11月10日，在蘇里格區(qū)塊一共完成氣完井固井施工158口，固井施工順利，一次上返成功率100%，固井質(zhì)量一次合格率100%。桃59 井是應(yīng)用1.25 ～1.30g/cm3低密度水泥漿第一口試驗井，固井質(zhì)量優(yōu)質(zhì)。

5.2 現(xiàn)場應(yīng)用情況實(shí)例

5.2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

桃59井為預(yù)探井位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂托克前旗昂素鎮(zhèn)巴彥烏素嘎查，于2019 年8 月1 日固井,設(shè)計井深5770m,屬二開固井，固井井深3900m。

井身結(jié)構(gòu):鉆頭?311mm×(1156～3900m)，進(jìn)入馬家溝地層318m；套管?244.5mm×3897m。?244.5mm技術(shù)套管固井的主要目的是封固劉家溝漏層及本溪組及其以上氣層，為下部施工降低風(fēng)險。

5.2.2 水泥漿體系

3380m 至井底氣層段采用1.88g/cm3常規(guī)密度膨脹降失水水泥漿，2960～3380m 采用1.75g/cm3降失水水泥漿，800～2960m采用1.28g/cm3低密高強(qiáng)水泥。

5.2.3 固井質(zhì)量效果

從測三樣結(jié)果分析：158口氣完井一次上返成功率100%，固井合格率：100%，目的層段優(yōu)質(zhì)率：89%，封固段合格率：87%。從聲幅圖上分析：在沒有增加成本的情況下，比常規(guī)低密度水泥漿體系固井質(zhì)量提高很多，得到甲方的一致認(rèn)可。

5.2.4 經(jīng)濟(jì)效益測算

1.25 ～1.30g/cm3低密高強(qiáng)水泥漿體系研究是2019年申報的科技項目，經(jīng)濟(jì)考核指標(biāo)8～10口井。低密高強(qiáng)減輕劑在蘇里格項目部、第三項目部得到了廣泛的推廣應(yīng)用，目前應(yīng)用井口數(shù)158口，每口井與常規(guī)低密度材料成本對比，一口井低密度水泥平均使用30t計算，每噸比同類低密度水泥節(jié)約280 元測算，每口井節(jié)約成本8400 元，且固井質(zhì)量優(yōu)于常規(guī)低密度水泥。158口井共創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益達(dá)130余萬元。

6 結(jié)論與建議

（1）1.25 ～1.30g/cm3低密高強(qiáng)水泥漿體系，優(yōu)選?；渲閹r、微硅、粉煤灰復(fù)配，具有沉降穩(wěn)定性及流變性能好，密度低，抗壓強(qiáng)度高、失水量小，適合溫度寬，稠化時間可調(diào)，可應(yīng)用長封固段固井作業(yè)。

（2）該體系析水接近于“0”，靜止后上下密度差小于0.03g/cm3，漿體沉降穩(wěn)定性好，能夠滿足一次注水泥封固段長達(dá)4000m 的固井施工作業(yè)需要，具有廣闊的應(yīng)用前景和現(xiàn)場應(yīng)用價值。

（3）該配方選用的降失水劑和緩凝劑已達(dá)到最高臨界點(diǎn)，超過90℃建議選擇其他添加劑。

（4）體系應(yīng)用物料種類少，混灰流程簡單且流動性好，可泵性強(qiáng)，有利于現(xiàn)場施工。具有很好的推廣應(yīng)用價值，建議在油田易漏、承壓能力較低的區(qū)塊大面積使用。