低破碎水泥漿在蘇里格氣田的應用

付雄濤 馬永飛 劉佳凡

中國石油集團川慶鉆探工程有限公司長慶固井公司 陜西 西安 710018

引言

蘇里格氣田是目前我國開發難度較大的低滲透、低壓、低豐度的典型“三低”特大型氣藏，地質構造錯綜復雜，巖性發育層理交錯，洛河組、延安組、劉家溝組等地層承壓能力低，鉆固井過程中容易發生漏失[1]。隨著氣藏的大力開采，地層壓力逐漸降低，為滿足一次上返固井，低密度水泥漿體系發揮著關鍵作用。低密度水泥漿體系主要是通過增大需水量、摻入減輕材料、充入氣體等方式實現[2]。受水泥漿綜合性能和施工工藝制約，蘇里格氣田使用的低密度水泥漿主要是通過加入減輕材料來實現。常用的漂珠、珍珠巖等減輕材料，能將水泥漿密度降至1.30g/cm3左右，但存在破碎率高等缺點，在經過井底高壓后實際密度增加0.08～0.12g/cm3左右，減輕效果變差。蘇里格氣田桃2、蘇54等區域部分漏失區塊，漏失當量密度在1.25～1.30g/cm3左右，施工中極易發生漏失。需要調配出密度1.20～1.30g/cm3的破碎率低、材料來源廣泛、成本低的水泥漿體系，滿足固井需求。

1 水泥漿體系的研制

1.1 減輕材料的類型及性能

目前常用的低密度水泥漿減輕材料種類較多，但主要包括玻璃微珠、漂珠、珍珠巖、粉煤灰、微硅等[3]。不同的減輕材料來源不同，性能差異較大，所配制的水泥漿體系都有一定的密度限制。

漂珠是煤燃燒的副產物，其直徑范圍大約在25～300μm，隨著火電廠燃煤方式的改變，漂珠的產量越來越少。珍珠巖屬于火山玻璃質熔巖，屬富含SiO2的酸性巖類，密度一般為2.40g/cm3，堆積密度為0.10～0.20g/cm3，孔隙間可吸存比自質量重5～6倍的水分。這兩類減輕材料耐壓能力有限，通常壓力超過20MPa就會出現大量破碎，致使實際水泥漿密度明顯增加，無法滿足一些高壓易漏井的要求。粉煤灰作為一種來源廣、成本低，且具有潛在活性的減輕材料，具有較好的應用價值。其形狀各不相同，粒度大小不等，一般在0.5～300μm，堆積密度為1.00～1.80g/cm3，真密度為2.0～2.6g/cm3，其配置的水泥漿密度一般在1.50～1.55g/cm3。玻璃微珠是一種人造的空心微珠，其真密度在0.20～0.60g/cm3，粒徑在2～130μm之間，具有重量輕、抗壓強度高、流動性好等特點。其優點是可人為控制密度，從而為制備性能優良的超低密度水泥漿，耐壓程度可通過工藝控制，制備出耐壓程度很強的空心微珠，從而滿足高壓復雜地層的固井需求。其缺點是成本很高，在低成本開采模式下不利于其推廣應用[4]。微硅可以從多種途徑獲得，如球磨石英砂、火力發電廠煙道粉塵、硅鐵合金生產過程中得到的副產物硅灰等，SiO2的量達90%，密度為2.50～2.60g/cm3。常用的減輕材料來源、主要成分及配漿密度如表1所示。

表1 常用減輕材料類型及相關性能

由表1可知，在常用的減輕材料中玻璃微珠可以很好地配制1.30g/cm3以下的低密度水泥漿，珍珠巖復配一些的其他的需水材料也可以使水泥漿降至1.30g/cm3。

1.2 減輕材料的選擇

單一的減輕材料配制的水泥漿往往存在一定的缺陷，實踐中通常采用多種減輕材料復配在一起使用，以達到更加的效果。良好的減輕劑要具備較高的承壓能力、穩定性好、能抗高溫、水泥石強度高，且成本低、來源廣泛，易大面積推廣等特點，以提高固井質量和效益。復合減輕材料的選擇主要參照緊密堆積理論來指導，緊密堆積體系里的大、中、小不同粒徑級別的成分，以最佳的比例實現最為緊密的堆積，孔隙度最小，實現較好的穩定性和較低的破碎率。

通過評價篩選，以實芯的超細粉體為主要材料的次納米硅CXW復合材料具有較高抗壓強度。該材料主要以粒徑尺寸不同的超細礦渣、超細微硅、粉煤灰、珍珠巖等復配，加以合適的激活劑，有效控制水化速度，對粉煤灰和礦渣進一步激活，更好地提高體系的結構強度。該復合材料的組分粒徑分布如表2所示。

表2 復合減輕材料粒徑分布

1.3 水泥漿體系的確定

良好的水泥漿體系要滿足流動性好，具有良好的沉降穩定性，經過井底高壓后破碎率低，稠化時間滿足施工要求且稠化時間可調。通過室內大量的實驗篩選，以次納米硅CXW復合材料、粉煤灰為主要減輕材料，再加以珍珠巖、微硅及降失水劑和緩凝劑，調配出密度為1.25g/cm3的低破碎水泥漿體系，稠化時間可調。基漿配方為：30%G級水泥+40%次納米硅CXW+20%粉煤灰+10%珍珠巖+微硅+降失水劑+緩凝劑，水固比1.1，密度1.25g/cm3。

2 水泥漿性能對比評價

2.1 破碎率對比實驗

實驗主要通過增壓稠化儀來測試水泥漿的耐壓能力。具體做法是：配制低密度水泥漿體系測定起初始密度，在增壓稠化儀內加壓至一定壓力并保持恒定壓力30min，再取出漿杯測試加壓后水泥漿的密度，減輕劑含有一定的空心材料，存在隨壓力增加水泥漿密度增大的情況，水泥漿前后密度差反映出水泥漿的破碎率高低。實驗中分別對常用的復合低密度、低密高強、輕珠水泥和低破碎體系進行加壓40MPa實驗，測試結果如表3所示。

表3 不同水泥漿體系加壓40MPa后密度變化

由表3可知，在加壓后輕珠體系密度增加最大，體系破碎率最高，低破碎體系密度增加最小，體系破碎率最低。

實驗針對低破碎體系，在不同的壓力下進行測試，30MPa壓力下密度增加0.02g/cm3，50MPa壓力下密度增加0.05g/cm3，60MPa壓力下密度增加0.05g/cm3。通過實驗可以看出該體系超過50MPa后破碎率基本不再增加，密度增加值保持0.05g/cm3，在深井中使用仍具有較低的破碎率。

2.2 流變性能對比實驗

通過六速旋轉黏度計測量常溫常壓下不同水漿體系的流變性能，其結果如表4所示。由表中數據可以看出，低破碎水泥漿體系稠度系數k值小，流行指數n值大（接近于1），漿體具有較好的流動性。

表4 不同水泥漿流變參數

對低破碎水泥漿體系分別加30MPa、40MPa和50MPa壓力后，測試其流變參數，如表5所示。由表中數據可知，加壓后水泥漿仍具有較大的流性指數和較小的稠度系數，說明水泥漿經過高壓后破碎率低，耐壓能力好。

表5 低破碎水泥漿加壓后流變參數

2.3 綜合性能評價

室內對低破碎水泥漿沉降穩定性、游離液、API失水、抗壓強度等進行測試，結果如表6所示。由表可以看出，該水泥漿穩定性好、游離液低，抗壓強度能滿足支撐套管要求（24h強度大于3.5MPa），稠化時間可調，能夠滿足現場固井施工要求。

表6 低破碎水泥漿性能參數

3 現場應用

采用該低破碎水泥漿體系在蘇里格區塊現場應用2口井。蘇54-24-101H4井，Φ177.8mm技術套管下深3805m，使用低破碎水泥漿40m3，常規密度水泥漿15m3，施工壓力0～20～25MPa，該低密度水泥漿封固2625～3300m，封固段一界面合格率100%，二界面合格率94.7%。蘇東48-84井，Φ114.3mm生產套管下深3623m，使用復合低密度21m3，低破碎水泥漿37m3，常規密度水泥漿8m3，施工壓力0～22.5～27MPa，該低密度水泥漿封固1200～3100m，封固段一界面合格率93.6%，二界面合格率91.2%。

4 結束語

根據顆粒級配和緊密堆積理論，篩選出以超細礦渣、超細微硅為主要材料的次納米硅CXW復合減輕材料，搭配一定比例珍珠巖、粉煤灰及相應外加劑，調配出密度1.25g/cm3的低密度水泥漿體系。該體系經高壓后破碎率低，在經過井底后密度增加值小，漿體流動性好，在深井和漏失井固井中具有較好的效果，在蘇里格氣田應用2口井，固井質量良好。