抗鹽高性能水泥漿體系研究與應(yīng)用

丹美涵

（中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028）

伊拉克米桑油田位于扎格羅斯山前構(gòu)造擠壓帶，所在構(gòu)造地井眼條件復(fù)雜，井底存在高壓鹽水層和易漏失層。米桑油田高壓鹽膏層固井的技術(shù)難點(diǎn)主要包括：安全壓力窗口窄，水泥漿密度高，但與鉆井液密度差小，水泥漿密度設(shè)計(jì)困難；循環(huán)排量和頂替排量均較常壓地層低近40%，頂替效率差，一級(jí)水泥漿返至分級(jí)箍后二級(jí)套管混漿難清除，導(dǎo)致固井質(zhì)量較差；候凝過(guò)程水泥漿失重，低于地層孔隙壓力，導(dǎo)致壓穩(wěn)難；鉆井液和水泥漿相容性較差，在鉆進(jìn)過(guò)程中發(fā)生漏、塌、卡等復(fù)雜情況和事故；高壓鹽膏層固井一直是固井界公認(rèn)的難題[1-3]。在前期的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)中，國(guó)內(nèi)外油田服務(wù)公司通常選用半飽和NaCl 溶液或者（3%～5%）KCl 溶液[4-10]，如在江漢油田鹽膏層選用濃度為17%的NaCl 鹽水、塔里木盆地某鹽膏層選用濃度為16%的NaCl 鹽水、在墨西哥灣某鹽膏層選用5%KCl以及10%NaCl+5%KCl 混合溶液、在伊拉克某鹽膏層選用5%KCl 鹽水，輔以其他優(yōu)選添加劑配制水泥漿，在現(xiàn)場(chǎng)混漿、水泥漿流變、失水量、自由液、抑制鹽膏層溶解等方面有所改善，但在高密度水泥漿下，加重材料加量一直占比很大，導(dǎo)致水泥漿孔隙度高，水泥石抗壓強(qiáng)度在24 MPa 以下，抗污染能力不強(qiáng)，界面膠結(jié)能力改善不明顯。

結(jié)合伊拉克米桑油田某井，φ244.48 mm 鹽膏層段，井底循環(huán)溫度為75 ℃，井底靜止溫度為85 ℃，從抑制鹽膏層鹽溶解，改善界面膠結(jié)質(zhì)量的角度，研選出適用于此井段固井的最優(yōu)鹽水類型及濃度，優(yōu)選耐鹽外加劑，結(jié)合水泥漿密度要求，摸索加重材料的最低加量，大幅度降低水泥漿孔隙度，提高水泥石抗壓強(qiáng)度和抗污染能力。

1 高鹽低孔隙度水泥漿外加劑的選擇

1.1 鹽水種類選擇

NaCl 在水中的溶解度隨溫度升高逐漸增加，CaSO4在水中的溶解度隨溫度升高呈先升高后降低的趨勢(shì)，且一般44 d 才能達(dá)到溶解平衡。伊拉克某作業(yè)區(qū)塊地層取心段礦物分析結(jié)果見表1。

表1 取心樣品礦物定量分析結(jié)果

由表1 可以看出，該區(qū)塊地層中鹽膏混合層、鹽層和石膏層共同存在。根據(jù)XRD 分析及樣品顆粒目測(cè)判定石膏相為無(wú)水石膏。地層中存在NaCl和CaSO4，會(huì)對(duì)水泥漿性能及膠結(jié)質(zhì)量造成影響。

從影響水泥漿性能方面考慮，在相同溫度、水灰比、水泥漿密度、其他外加劑種類和加量不變的情況下，NaCl 在混合水中濃度超過(guò)15%后，會(huì)延長(zhǎng)稠化時(shí)間、減低水泥石強(qiáng)度、引起水泥漿增稠或觸變[11-14]，在井筒中，只要孔隙溶液NaCl 濃度沒有達(dá)到飽和，巖層中的NaCl 就不可避免地向孔隙溶液中滲入，直至飽和，因此，只有初始水泥漿鹽濃度接近飽和，并且性能穩(wěn)定，流體在井下才能減少因地層中NaCl 的溶解帶來(lái)水泥漿性能的變化。無(wú)水石膏在混合水中有利于提高水泥石強(qiáng)度，但會(huì)引起漿體增稠或觸變，因此要控制無(wú)水石膏在混合水中的含量。在NaCl 溶液中CaSO4溶解度隨鹽濃度增加先增大后降低[15-17]，在25～80 ℃下 NaCl濃度為16%左右，CaSO4溶解度出現(xiàn)極大值。因此，最好控制混合水中NaCl 濃度低于5%或者高于25%，以降低CaSO4的溶解。綜合以上2 種因素，認(rèn)為選用濃度高于25%的NaCl 鹽水，有利于穩(wěn)定水泥漿各方面性能。

此外，由于此區(qū)塊作業(yè)窗口窄，流體間頂替效率差，水泥漿與殘存的泥餅長(zhǎng)時(shí)間接觸，也會(huì)引起相容性差的問(wèn)題。含有濃度為（20%～25%）NaCl、（5%～10%）KCl 的混合鹽水在新疆、伊拉克等鹽膏層鉆井液中一直在應(yīng)用[18-22]，但是由于其可能會(huì)導(dǎo)致水泥漿增稠、觸變等原因，在水泥漿中的應(yīng)用未見報(bào)道。選用現(xiàn)場(chǎng)用鉆井液配方：淡水+（0.3%～0.5%）NaOH+（0.3%～0.5%）Na2CO3+0.2%PF-VIS+3%FLC+25%NaCl+5%KCl+8%NaCOOH，重晶石加重至2.30 g/cm3。水泥漿混合水與鉆井液鹽類組成及比例相近有利于提高流體間相容性。

為優(yōu)選最佳鹽水配比，分別配制濃度為15%NaCl、25%NaCl、以及含有25%NaCl 和5%KCl的混合鹽水，在70 ℃下，將自制的20 gNaCl 鹽柱靜置于100 g 混合水中，不同混合鹽水對(duì)鹽柱的溶解速度見圖1。圖1 結(jié)果表明，在70 ℃下，在15%NaCl 溶液中，鹽柱均全部溶解，沒有明顯的抑制NaCl 溶解作用；在25%NaCl 溶液及25%NaCl 和5%KCl 溶液中，有一定的抑制NaCl溶解的作用，其中，在25%NaCl 和5%KCl 混合溶液中，抑制NaCl 溶解作用更加明顯。

圖1 NaCl 鹽柱在不同混合鹽水中的溶解情況

在影響界面膠結(jié)方面，混合水中NaCl 或KCl濃度越高，水泥石與鹽柱膠結(jié)性能越強(qiáng)。綜合上述結(jié)論認(rèn)為，混合水中含有濃度為25%NaCl 和5%KCl時(shí)為最優(yōu)選擇。

在該研究中，外加劑均選用抗鹽外加劑，包括抗飽和鹽水的接枝共聚物FL93L、抗鹽的緩凝劑R20L 以及抗鹽分散劑聚醚類聚羧酸分散劑F46L。優(yōu)選的目的旨在一方面最大程度地降低水泥漿流變，為降低鐵礦粉提供空間，另一方面，也是最主要作用，即避免水泥漿觸變或增稠。

1.2 抗鹽降失水劑優(yōu)選

在高鹽水泥漿中，大部分降失水劑會(huì)嚴(yán)重影響水泥漿的流變，導(dǎo)致觸變甚至無(wú)法配制水泥漿。降失水劑FLA93L 是一種以2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS）、丙烯酸（AA）等為主要單體的接枝共聚物，因其獨(dú)特的空間結(jié)構(gòu)，能夠在高鹽度，甚至飽和NaCl 溶液中表現(xiàn)出優(yōu)異的控失水能力。其在水泥漿中的加量為2%～5%，可使飽和鹽水水泥漿的API 濾失量降至100 mL 以下，稠化時(shí)間易于調(diào)節(jié)。同時(shí)，其接枝鏈段能夠起到一定的分散作用，有利于調(diào)節(jié)高密度水泥漿的流變性能。

1.3 緩凝劑優(yōu)選

為延長(zhǎng)水泥漿在井筒中的可泵送時(shí)間，保證現(xiàn)場(chǎng)施工安全，通常要加入緩凝劑。在鹽水水泥漿體系中，可選擇多聚有機(jī)酸鹽、AMPS 共聚物等類型緩凝劑。在高密度水泥漿中，為盡量降低水灰比，減少加重材料的加量，宜盡量選擇具有分散效果的緩凝劑。R20L 是一種高分子聚合物類緩凝劑，以AMPS/AA 為主要單體，一方面通過(guò)磺酸和羧酸基團(tuán)與空隙溶液中游離的Ca2+絡(luò)合，抑制Ca(OH)2結(jié)晶，另一方面吸附在C—S—H 凝膠表面，阻止水泥顆粒進(jìn)一步水化。因其具有羧酸基團(tuán)，緩凝劑R20L 具有一定的調(diào)節(jié)流變作用。

1.4 分散劑優(yōu)選

在油田固井分散劑中會(huì)出現(xiàn)許多的木質(zhì)素鹽酸以及各種形式的衍生物等。這些分散劑容易導(dǎo)致水泥漿出現(xiàn)觸變等問(wèn)題。優(yōu)選聚醚類聚羧酸分散劑F46L，耐鹽且加量小，占水泥比重不超過(guò)0.5%、對(duì)稠化時(shí)間影響小、分散效果顯著、能降低水泥漿靜膠凝值，降低水泥漿的觸變性。

1.5 加重材料選擇

伊拉克某井要求井下密度達(dá)到2.39 g/cm3，為壓穩(wěn)地層，需提高漿體密度至2.35 g/cm3，加重材料可選擇鐵礦粉、重晶石、錳礦粉等材料。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況，選用鐵礦粉作為加重材料。在控制降低黏度，最大限度降低水泥漿孔隙度的情況下，室內(nèi)研究選用粒徑為0.061 mm 的鐵礦粉為加重材料。

2 高鹽低孔隙度水泥漿室內(nèi)評(píng)價(jià)

通過(guò)伊拉克某井鹽膏層特點(diǎn)和固井難點(diǎn)的分析，發(fā)現(xiàn)在提高水泥石強(qiáng)度和抗污染改善界面膠結(jié)方面具有較大提高空間。一方面，通過(guò)選擇多功能外加劑，在保證漿體穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，最大限度降低水泥漿的水灰比和孔隙度，降低水泥漿的滲透率，優(yōu)化后水灰比從0.48 降低至0.29，水泥漿孔隙度從0.53 降低至0.48，水泥石24 h 抗壓強(qiáng)度由23 MPa 提高至43 MPa。另一方面，選用的混合鹽水與鉆井液鹽水一致，水泥漿抗鉆井液污染能力高，水泥漿受鉆井液污染后（污染體積比例為75∶25），24 h 抗壓強(qiáng)度由11.6 MPa 提高至19.6 MPa；鹽水濃度接近飽和，水泥漿與巖層界面膠結(jié)情況得到較好改善。

2.1 低孔隙度固井水泥漿體系性能評(píng)價(jià)

以濃度為25%的NaCl和5%的KCl為混合鹽水，以FLA93L 為降失水劑，R20L 為緩凝劑，F(xiàn)46L 為分散劑，摸索不加重情況下水泥漿能夠配制的密度上限和水泥漿密度達(dá)到2.39 g/cm3要求的加重材料最低加量，水泥漿組成情況見表2。由表2 可知，在不加加重材料的情況下，在25%NaCl+5%KCl 混合鹽水中，能夠配制的水泥漿密度上限為2.10 g/cm3，在此條件下，水泥漿無(wú)沉降、無(wú)觸變，水灰比達(dá)到0.30、孔隙度達(dá)到0.54。當(dāng)配制水泥漿密度達(dá)到地層要求的2.39 g/cm3時(shí)，原實(shí)驗(yàn)條件下（2#配方），需在15%NaCl 混合水中加入50%粒徑為0.002 mm的鐵礦粉和33%粒徑為0.061 mm 的鐵礦粉，漿體無(wú)沉降，無(wú)觸變，水灰比為0.48，孔隙度為0.53。優(yōu)化混合鹽水組成和濃度后，在25%NaCl+5%KCl混合鹽水中，鐵礦粉加量可降低至35%，漿體無(wú)沉降，無(wú)觸變，水灰比降低至0.29，較原體系降低19%，孔隙度降低至0.48，較原體系降低5%。

表2 不同密度水泥漿組成

優(yōu)化后的水泥漿綜合性能見表3。由表3 可知，不加重情況下，密度為2.1 g/cm3的水泥漿無(wú)增稠，無(wú)觸變，養(yǎng)護(hù)后穩(wěn)定性好，控失水能力強(qiáng)，抗壓強(qiáng)度達(dá)到48 MPa。密度為2.39 g/cm3的水泥漿，在原體系中，鐵礦粉加量總量達(dá)到83%，24 h 抗壓強(qiáng)度為23 MPa；在優(yōu)化后的高鹽體系中，鐵礦粉加量最低僅為35%，顯著降低水泥漿桶成本，漿體無(wú)增稠，無(wú)觸變，養(yǎng)護(hù)后穩(wěn)定性好，控失水能力強(qiáng)，抗壓強(qiáng)度可達(dá)到43 MPa，較原體系提高近一倍。

表3 不同密度水泥漿綜合性能

通常認(rèn)為，鹽濃度高會(huì)降低水泥石強(qiáng)度，這一結(jié)論是以水泥漿密度和加重材料加量固定為前提。但是隨著鹽濃度的提高，混合水中強(qiáng)電解質(zhì)濃度增加，水泥漿趨于分散，為減少鐵礦粉加量提供較大空間。該研究基于鹽濃度的增加以及引入抗鹽外加劑，使得鐵礦粉加量大幅度降低，進(jìn)而降低水灰比及孔隙度，提高了水泥石的抗壓強(qiáng)度。

2.2 流體間相容性

流體間頂替效率差是影響固井質(zhì)量的另一個(gè)重要原因。由于流體間密度窗口窄，在隔離液頂替鉆井液后，仍有大部分泥餅殘留在井壁和套管，水泥漿在候凝過(guò)程中，與泥餅接觸，影響固井二界面膠結(jié)。因此需考慮水泥漿與鉆井液的相容性。為滿足水泥漿、隔離液、鉆井液流體間的流變梯度遞減，綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)配漿、泵送等方面因素，選擇3#配方配制水泥漿，及現(xiàn)場(chǎng)用鉆井液配方。由表4 得知，在混漿情況下，混漿中φ100讀數(shù)均未超過(guò)原始水泥漿，說(shuō)明混合后沒有發(fā)生觸變，增稠等不相容情況。

將2#、3#配方分別與鉆井液進(jìn)行體積比75/25混合，在85 ℃下測(cè)水泥凈漿及混合漿24 h 的抗壓強(qiáng)度，結(jié)果見表5。對(duì)比結(jié)果表明，優(yōu)化后的3#水泥漿抗污染性能優(yōu)于2#原配方。

表5 流體按照不同比例混合后流變情況

2.3 界面性能

將純NaCl 鹽柱和NaCl/CaSO4質(zhì)量比為1：1的鹽柱置于2#配方和4#配方水泥漿中，在85℃下水浴養(yǎng)護(hù)24 h 后，觀察水泥石與鹽柱界面狀態(tài)，圖2 表明，無(wú)論何種鹽水配制的水泥漿，均不能與純NaCl 鹽柱發(fā)生膠結(jié)，但可與石膏產(chǎn)生良好膠結(jié)。總體上看，此種高鹽低孔隙度水泥漿有利于提高水泥石與鹽柱的界面膠結(jié)。

圖2 鹽柱與不同鹽濃度的水泥漿模擬膠結(jié)情況

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

目前，研制的抗鹽高強(qiáng)低孔隙度水泥漿在伊拉克米桑油田多口鹽膏層井段一級(jí)固井中應(yīng)用，應(yīng)用效果理想，水泥漿耐鹽性能較原能力提高21%，水泥石強(qiáng)度較原強(qiáng)度增長(zhǎng)1 倍，水泥石污染后強(qiáng)度較原強(qiáng)度提高0.8 倍，固井質(zhì)量有較大改善。某井φ244.48 mm 井段，不合格率由原來(lái)的大于40%降至23.6%，合格率提高至76.4%。鹽膏層段套管居中度、頂替效率、水泥石收縮在一定程度上均影響固井質(zhì)量，在后續(xù)研究中，可在扶正器選擇、頂替排量、隔離液研選、膨脹劑優(yōu)選等方面繼續(xù)開展深入研究。

4 結(jié)論與建議

1.以抑制鹽膏層中NaCl 溶解，降低對(duì)水泥漿性能影響為目的，優(yōu)選用于配制水泥漿的混合鹽水，含有25%NaCl 和5%KCl 的混合鹽水，能有效抑制鹽的溶解，并且與鉆井液相容性最好。

2.以改善水泥石與鹽膏地層界面膠結(jié)為目的，以優(yōu)選的高鹽混合水為基礎(chǔ)，優(yōu)選降失水劑、緩凝劑、分散劑等外加劑，構(gòu)建了一套高強(qiáng)高鹽低孔隙度水泥漿體系，該體系下，配制密度為2.39 g/cm3的水泥漿，最低只需加入30%鐵礦粉，24 h 抗壓強(qiáng)度可達(dá)48 MPa。水泥漿污染后24 h 強(qiáng)度依然大于14 MPa。

3.該水泥漿體系在伊拉克米桑油田鹽膏層應(yīng)用后改善了固井質(zhì)量，可在伊拉克米桑油田推廣應(yīng)用。