低摩阻耐壓防漏低密度水泥漿固井技術

王鼎，萬向臣，楊晨

（1.川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院,西安 710018；2.低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室,西安 710018；3.川慶鉆探工程有限公司長慶固井公司，西安 710018）

0 引言

長慶蘇里格氣田為保證井筒完整性，采用一次上返固井工藝進行全井段封固。一次上返固井最大難題為中部劉家溝地層承壓能力低，埋藏深度一般為2300～3000 m，漏失當量密度僅為1.27～1.40 g/cm3，采用1.25～1.35 g/cm3輕珠低密度水泥漿體系固井漏失時有發生，數據統計漏失率約占30%，嚴重影響水泥漿返高和封固段固井質量。結合現場應用情況進行室內研究發現，輕珠低密度水泥漿體系耐壓性能較差，水泥漿入井承受30～40 MPa壓力后，密度上升0.15～0.20 g/cm3，靜液柱壓力升高；水泥漿受壓后，空心微珠顆粒出現裂紋、發生破碎，圓整度降低，導致流動度降低、流變性能變差、范寧摩阻系數增大，流動摩阻壓耗增大，施工壓力升高，地層承受壓力當量密度大于漏失當量密度，從而發生漏失。

針對上述情況，開展低摩阻耐壓防漏低密度水泥漿固井技術研究。按四級顆粒級配理論進行水泥漿體系顆粒級配設計，優選耐壓且性能優良的微珠類低密度減輕材料、搭配超細活性填充材料和水泥，以最緊密堆積模型進行配比優化，并選擇合適的外加劑形成一套1.25～1.35 g/cm3低摩阻耐壓防漏低密度水泥漿配方；優化混拌工藝，形成低摩阻耐壓防漏低密度水泥漿固井技術。

1 低密度水泥漿四級顆粒級配設計

顆粒級配即通過研究材料的顆粒分布，選取合適的粒徑優化材料的配比，提高體系的堆積率，使得顆粒之間達到緊密堆積[1–3]。理論上來講，堆積體系的級配數越高，則整個堆積體體積分數（PVF）越大，堆積體系堆積更為密實，實際上顆粒級配數超過四后，堆積體體積分數變化不大。低密度水泥漿通過向油井水泥中加入低密度的減輕材料、增大水灰比從而降低水泥漿的密度。現對YB-G水泥的粒徑分布進行測試分析，見表1。

表1 YB-G水泥的粒度分布

YB-G水泥顆粒的粒徑分布具有連續性，Andreasen方程是連續堆積理論方程,研究表明該方程適用于水泥漿體系[4–6]。采用Andreasen方程計算YB-G水泥的最緊密堆積粒徑分布，n值取1/3。計算結果見表2。

表2 YB-G水泥最緊密堆積粒度分布

對比表1、表2可以看出，YB-G水泥實際粒徑分布與理論最緊密堆積粒徑分布存在一定的差距。YB-G水泥在0～11.04 μm范圍內，實際顆粒總體占比為40%，緊密堆積模型顆粒占比為41.91%，兩者差別不大，但粒徑越小占比差距越大，即YB-G水泥中微細顆粒含量較少；11.04～42.09 μm范圍內實際顆粒占比達到50%，而緊密堆積模型顆粒占比僅為23.56%，兩者差別較大。42.09～150 μm范圍內實際顆粒占比僅10%，而緊密堆積模型顆粒占比為34.53%，兩者差別較大，即YB-G水泥中實際較大顆粒含量較少。

由此進行低密度水泥漿體系四級顆粒級配設計。一級大顆粒選擇空心微珠類減輕材料，粒徑范圍為60～120 μm；二級較大顆粒選擇空心微珠類減輕材料，粒徑范圍為40～80 μm；三級顆粒為YB-G水泥，粒徑范圍為0～150 μm，平均粒徑為14.98 μm，密度為3.15 g/cm3；四級顆粒選擇超細活性材料，粒徑范圍為0～10 μm，平均粒徑控制在1 μm左右。一級、二級大顆粒為主要減輕材料，調節水泥漿體系的密度，提高體系中大顆粒的占比。三級、四級顆粒為活性水化材料，四級活性材料主要為了降低體系10～40 μm顆粒的占比，提高體系0～10 μm范圍內微細顆粒的占比。

2 顆粒級配材料優選與配比

2.1 級配材料優選

空心微珠類減輕材料密度低，能夠配制較低密度的水泥漿體系，但耐壓性能大多不理想，從而造成水泥漿的地面性能和井底性能的差距，影響水泥漿的現場應用。通過對比分析，選取4種空心微珠類減輕材料GJG、GJQ、JQ-1、JQ-2進行耐壓性能測試。通過測試不同壓力下減輕材料的破碎率來評價減輕材料實際承壓能力，見圖1。

圖1 減輕材料破碎率與施加壓力關系曲線

由圖1可知，GJQ耐壓性能最差，隨著壓力上升，破碎率快速上升，30 MPa破碎率達34.2%、40 MPa破碎率達55.4%；GJG耐壓性能較GJQ稍好，25 MPa以下能夠保持較好完整性，破碎率小于10%，當施加壓力增大到30 MPa，破碎率大幅度上升到33.9%，40 MPa破碎率達42.7%；JQ-2耐壓性能較好，30 MPa以下能夠保持較好完整性，破碎率小于10%，35～45 MPa處于破碎率快速增加階段，45 MPa破碎率達32.6%；JQ-1耐壓性能最好，50 MPa以內均能保持較好完整性，破碎率小于10%，40 MPa以內破碎率小于5%。

空心玻璃微珠是一種密閉中空的玻璃球體，晶體穩定，呈化學惰性，具有堅硬的外殼。JQ-1和JQ-2是2種國產空心玻璃微珠。通過粒徑分選，JQ-1顆粒粒徑范圍為60～120 μm，平均粒徑為95 μm，密度為0.46 g/cm3，選其作為低密度水泥漿體系的一級骨架支撐材料，40 MPa以內表現出良好的剛性，破碎率小于5%；JQ-2顆粒粒徑范圍為40～80 μm，平均粒徑為65 μm，密度為0.50 g/cm3，選其作為低密度水泥漿體系的二級可塑彈性材料，40 MPa以內破碎率約為25%，30～40 MPa區間較多的玻璃球體處于彈性壓縮變形狀態，當壓力進一步增大，形變量達到極限才發生破碎。

選擇由超細高爐礦渣、堿性激活劑、納米級高活性穩定劑復配而成的復合超細活性材料TC-4作為水泥漿四級顆粒填充材料。顆粒粒徑范圍為0～10 μm，平均粒徑為0.4 μm，密度為2.5 g/cm3。依靠其超細納米級尺寸進行微細孔隙填充，提高體系密實度，降低體系孔隙率；同時激活劑激發超細礦渣反應活性加快水化反應進程，提高體系早期強度。

2.2 顆粒級配材料配比

根據顆粒級配材料的粒徑分布進行質量配比研究，通過粒徑分布分析，篩選出粒度分布與理論最緊密堆積曲線擬合度較好的質量配比，結合水泥漿密度要求選定最佳質量配比，形成水泥漿體系基漿配方如表3所示。體系粒徑累計分布曲線見圖2。

表3 水泥漿基漿配方

從圖2可以看出，粒徑累計分布曲線呈現指數分布。通過線性回歸分析，最緊密堆積模型粒徑累計分布曲線方程為y=18.821x0.3333，R2=1；1.25 g/cm3水泥漿配比粒徑累計分布曲線方程為y=18.793x0.3615，R2=0.9909；1.30 g/cm3水泥漿配比粒徑累計分布曲線方程為y=19.085x0.3628，R2=0.9875；1.35 g/cm3水泥漿配比粒徑累計分布曲線方程為y=19.275x0.3639，R2=0.985。YB-G水泥粒徑累計分布曲線方程為y=4.1206x0.7947，R2=0.8646。3種密度水泥漿配比粒徑分布曲線與標準曲線擬合度較高，決定系數R2均大于0.98，相較于單一組分YB-G粒徑分布曲線提升明顯，趨向于最緊密堆積模型。

圖2 體系粒徑累計分布曲線

3 低摩阻耐壓防漏低密度水泥漿配方形成及性能評價

3.1 水泥漿配方的形成與基本性能

選擇改性PVA類降失水劑G409F1，控制水泥漿失水量，提高水泥漿體系的穩定性[7–8]。G409F1在水泥漿中能夠形成具有一定強度的空間網狀結構，束縛自由水的流動，增加體系的穩定性；同時有很好的成膜性能，在濾餅和過濾介質交界面形成韌性均勻、致密的聚合物膜，降低濾餅滲透率，從而控制失水量。

選擇醛酮縮聚物類降摩劑G408FJ，調節水泥漿的流變性能，降低范寧摩阻系數[9–11]。G408FJ具有良好的吸附性和分散性能，其分子結構中的極性端使其對水泥顆粒有較強的吸附性，能夠吸附在水泥顆粒表面的正電荷位置，使粒子表面帶同種電荷，在同性相斥的原理下抑制水泥顆粒的聚集；同時分子結構中的非極性端通過共軛效應和空間效應進一步增強分散效果。在水泥漿體系中均勻圍繞在空心玻璃微珠表面，流動過程中發揮軸承滾珠作用，降低范寧摩阻系數。

選擇改性淀粉類緩凝劑G407R1，調節水泥漿的稠化時間，保障施工安全。G407R1為窄溫帶緩凝劑，60～90 ℃范圍內水解性能好吸附性強，緩凝效果好；60 ℃以下緩凝效果變差。能夠賦予下部井段水泥漿充足稠化時間，同時保證上部井段水泥漿稠化時間不會過長，保障上部水泥石強度的發展。

通過室內實驗形成水泥漿配方如下，配方基礎性能見表4。

表4 水泥漿配方基礎性能

從表4可以看出，低摩阻耐壓防漏低密度水泥漿體系基礎性能優良，滿足現場固井需求。密度為1.25～1.35 g/cm3，初始稠度為15～16 Bc，稠化時間在240 min左右，失水量為50～60 mL，游離液為0.2%，流動度均大于20 cm，45 ℃下48 h抗壓強度均大于9 MPa，75 ℃下48 h抗壓強度均大于12 MPa。

3.2 水泥漿的耐壓性能評價

空心微珠類低密度水泥漿入井后受壓存在微珠破碎或流體進入微珠內造成水泥漿性能變化的情況，需要對低密度水泥漿的耐壓性能進行評價。范寧摩阻系數按Φ165.1 mm井眼下Φ114.3 mm套管，套管壁厚為7.37 mm，施工排量為8 L/s進行理論計算。評價結果如表5所示。

從表5可以看出，輕珠低密度水泥漿耐壓性能差，承壓40 MPa后，密度上升0.17 g/cm3，稠度增加6 Bc，流動度降低4 cm，流變參數變化大，范寧摩阻系數增大約一倍。低摩阻耐壓防漏低密度水泥漿體系耐壓性能優良，承壓40 MPa后，密度僅上升0.02 g/cm3，稠度變化小，流動度略有降低，流變參數變化小，范寧摩阻系數變化小。兩者對比可以看出，承壓40 MPa后，低摩阻耐壓防漏低密度水泥漿較輕珠低密度水泥漿范寧摩阻系數低約50%。低摩阻耐壓防漏低密度水泥漿耐壓性能優良，能夠較好地保證入井后水泥漿性能的穩定性。

表5 水泥漿承壓前后性能

3.3 水泥漿的防漏性能評價

室內模擬評價，采用QD-2型堵漏材料測定儀測定水泥漿防漏性能[12–13]。使用20目鋼珠模擬地層滲透性漏失，1、2、3 mm縫板模擬裂縫性漏失，先將縫板置于漿杯底部，裝入鋼球，再將水泥漿倒入漿杯，加壓模擬水泥漿進入地層裂縫的狀態，測試水泥漿承壓能力。水泥漿先經過升溫升壓養護后再進行評價。結果見表6。

表6 水泥漿的防漏性能

由表6可以看出，低摩阻耐壓防漏水泥漿的防漏能力明顯優于輕珠水泥漿；在漏層模型下承壓能力為2.9～5.5 MPa，可以保證水泥漿漏層處的滯留封堵，提高地層承壓能力。相對于輕珠水泥漿，低摩阻耐壓防漏水泥漿可以提高模擬漏層承壓約2 MPa。

現場理論計算。以Φ165.1 mm井眼下Φ114.3 mm套管，套管壁厚為7.37 mm，施工排量為8 L/s，低密度封固段長2600 m，易漏層垂深2500 m，進行理論計算分析水泥漿體系的防漏能力。

輕珠水泥漿靜液柱壓力P1=ρgh=1.47×9.81×2500÷1000=36.05 MPa,流動摩阻壓耗=0.2×0.0714×1.47×2600×0.7176÷(16.51?11.43) =5.53 MPa。低摩阻耐壓防漏水泥漿靜液柱壓力P1=ρgh=1.32×9.81×2500÷1000=32.37 MPa，流動摩阻壓耗=0.2×0.0347×1.32×2600×0.7176×0.7176÷(16.51?11.43)=2.41 MPa。相較于輕珠水泥漿，使用低摩阻耐壓防漏水泥漿易漏層承受壓力降低P=36.05+5.53?32.37?2.41=6.8 MPa，防漏效果明顯。

結合室內模擬評價和現場理論計算可知，低摩阻耐壓防漏水泥漿體系較輕珠低密度水泥漿體系防漏效果明顯，提高易漏層承壓能力、降低易漏層承受的壓力。

4 混配工藝優化

根據長慶市場分布和需求，目前長慶區域固井混配工藝均為氣動干混混拌工藝，混拌迅速、操作簡單，一次性混拌灰量大。在混拌低摩阻耐壓防漏低密度水泥時，由于空心玻璃微珠密度極低，極易從排空管線流失至除塵罐，空心玻璃微珠損耗大，嚴重影響混灰質量[14–15]。因此需嚴格控制混配氣壓，保持較低的混配壓力，但體系中復合超細活性材料TC-4粒徑小比表面大吸附性強，在較低的混配壓力下黏罐現象明顯、損失嚴重，且不易混配均勻，造成水泥漿性能不穩定，大小樣實驗性能差別大，影響混配效率。

針對上述問題，對混配工藝進行優化設計，采用機械混拌塔進行機械混拌，混拌基數為2.5 t，混拌時間10 min；混拌16批次，總混拌時間為160 min，混拌出低摩阻耐壓防漏低密度水泥40 t。小樣與混拌大樣復核結果對比性能見表7。

表7 低摩阻耐壓防漏低密度小樣與混配大樣性能對比

從表7看出，低摩阻耐壓防漏低密度水泥漿大樣和小樣性能基本無差別，吻合率高達99%。機械混拌塔混配工藝適用于低摩阻耐壓防漏低密度水泥漿的混配，提高了混灰質量和效率。

5 現場試驗應用

在長慶蘇里格氣田現場試驗應用低摩阻耐壓防漏低密度水泥漿固完井4口，水泥漿流動性好、施工壓力低，水泥返出正常均未發生漏失，固井質量均合格。

以S 36-*-*井為例進行應用分析。該井位于內蒙古自治區鄂爾多斯市鄂托克旗蘇米圖蘇木伊連陶勒蓋嘎查。井深結構：Φ241.3 mm×705 m+Φ193.7 mm×705 m+Φ165.1 mm×3532 m+Φ114.3 mm×3527 m。一次上返全井段封固，采用兩凝水泥漿體系，1.30 g/cm3低摩阻耐壓防漏低密度水泥漿封固0～2950 m井段，1.90 g/cm3防竄尾漿封固2950～3532 m井段。采用機械混拌塔混拌低摩阻耐壓防漏低密度水泥漿40 t，性能見表7中大樣1和大樣2，滿足現場施工需求。現場以0.8～1 m3/min排量注入5 m3隔離前置液，再以1.0～1.5 m3/min排量注入48 m3密度為1.30 g/cm3低摩阻耐壓防漏低密度水泥漿，最后以0.8～1.2 m3/min排量注入9 m3密度為1.90 g/cm3尾漿。1 m3壓塞液壓膠塞，以0.5～0.8 m3/min排量清水替量26.5 m3起壓24 MPa，碰壓至30 MPa。施工正常，水泥返出1 m3，全程未發生漏失，固井質量合格。

統計對比2種低密度水泥漿現場應用情況見表8。從表8可以明顯看出，使用低摩阻耐壓防漏低密度水泥漿固井施工壓力較低，減小漏失的可能性，封固段合格率和優質率均有明顯提升。

表8 2種低密度水泥漿固井情況對比

6 結論

1.低摩阻耐壓防漏低密度水泥漿配方結合四級顆粒級配設計和最緊密堆積理論，搭配性能優良的外加劑，水泥漿基礎性能優良，45 ℃養護48 h抗壓強度大于9 MPa，75 ℃養護48 h抗壓強度大于12 MPa。

2.低摩阻耐壓防漏低密度水泥漿耐壓防漏性能優良。承壓40 MPa后密度僅上升0.02 g/cm3，稠度、流動度、流變參數、范寧摩阻系數變化小，范寧摩阻系數較輕珠水泥漿降低約50%；較輕珠水泥漿明顯提高模擬漏層承壓能力、降低易漏層承受的壓力。

3.優化采用機械混拌塔混配工藝，低摩阻耐壓防漏低密度水泥漿大樣和小樣性能基本無差別，吻合率高達99%。開展現場試驗應用4口井，均未發生漏失，固井質量合格；施工壓力降低明顯，封固段合格率和優質率均有明顯提升。