早強低密度水泥漿體系提高低壓易漏井固井質(zhì)量

周劍 高德偉 嚴海兵

1.中國石油西南油氣田公司生產(chǎn)運行處 2.中國石油西南油氣田公司川西北氣礦3.中國石油川慶鉆探工程公司井下作業(yè)公司

早強低密度水泥漿體系提高低壓易漏井固井質(zhì)量

周劍1高德偉2嚴海兵3

1.中國石油西南油氣田公司生產(chǎn)運行處 2.中國石油西南油氣田公司川西北氣礦3.中國石油川慶鉆探工程公司井下作業(yè)公司

川西南部地區(qū)儲層段地層壓力系數(shù)低，采用常規(guī)密度水泥漿固井作業(yè)時易產(chǎn)生漏失，造成儲層傷害，降低油氣井產(chǎn)能，且固井質(zhì)量難以保證，影響后期井筒完整性。為此，采用顆粒級配技術(shù)，利用不同密度不同粒徑微硅（2.16 g／cm3、 0.1μm）、漂珠（0.7 g／cm3、 45～ 300μm）等外摻劑與水泥進行復(fù)配，研制了一套密度介于1.25～1.40 g／cm3的早強低密度漂珠水泥漿體系。該水泥漿體沉降穩(wěn)定性良好，上、下密度差小于0.03 g／cm3，稠化時間可調(diào)，稠化過渡時間最長15 min，最短5 min，失水小于50 m L，48 h抗壓強度大于10 MPa，有效地保障了低壓氣井的平衡壓力固井作業(yè)，加入復(fù)合纖維的早強低密度漂珠水泥漿增加了水泥石的塑性，從而提高了低壓易漏失產(chǎn)層段的固井質(zhì)量。

早強低密度水泥漿 漂珠 顆粒級配 低壓 易漏 固井質(zhì)量

以往使用減輕劑材料如膨潤土、粉煤灰、礦渣等配置的低密度水泥漿體系，存在配制工藝復(fù)雜，穩(wěn)定性不佳，水泥石強度低、滲透率高，易開裂（如膨潤土、粉煤灰、礦渣體系）等缺陷，不能滿足深井低壓易漏失層段固井作業(yè)的要求［1－2］。通過調(diào)研和對比試驗研究，以顆粒級配技術(shù)作指導(dǎo)，確定了早強低密度水泥漿的水泥和減輕材料、增強材料等外加劑，設(shè)計多組干混材料并配制低密度水泥漿，對水泥漿的流變性和水泥石的質(zhì)量進行室內(nèi)實驗評價，得出不同密度的干混料最佳配比，較好地解決了低密度水泥漿配制和強度不合格兩方面的難題［3］，提高了低壓易漏井的井筒完整性。

1 川西南部固井難點與技術(shù)對策

川西南部地區(qū)所鉆井為典型的四開四完井身結(jié)構(gòu)，如圖1所示， 127.0 mm尾管主要封固上二疊統(tǒng)須家河組須二段儲層，壓力系數(shù)僅1.05，屬于低壓裂縫性產(chǎn)層，因而采用低密度漂珠水泥漿體系進行平衡壓力固井。

127 mm尾管固井具有如下難點：①須二段、須一段及雷口坡組儲層地層壓力系數(shù)低，且裂縫及孔隙發(fā)育，注替過程中易誘發(fā)井漏；②井壁不穩(wěn)定，施工過程中易發(fā)生井壁垮塌；③井斜較大，環(huán)空間隙小，下套管難度大，套管不易居中，且固井施工摩阻大，泵壓高；④斜井固井，井眼底邊存在巖屑床，且鉆井液密度高，黏切大，頂替效率難以保證；⑤鉆具在套管中的摩阻高，尾管重量輕，尾管懸掛器座掛以及倒扣存在困難。

圖1 川西南部典型井身結(jié)構(gòu)圖

在做好固井前鉆井液性能調(diào)整、通井及套管扶正器安放等技術(shù)措施的基礎(chǔ)上，重點加強隔離液和水泥漿性能來確保固井質(zhì)量：①采用隔離液來防止水泥漿和鉆井液污染，要求隔離液與鉆井液密度一致或略高且沉降穩(wěn)定性好，與水泥漿的相容性好，形成密度差的漿柱結(jié)構(gòu)有利于提高頂替效率［4］；②按地層漏失壓力來確定水泥漿密度，確保作用于儲層的液柱壓力能平衡地層壓力；③水泥漿中加入復(fù)合纖維提高漿體的防漏能力、增加了水泥石的塑性，更好地保證低壓易漏失產(chǎn)層段的固井質(zhì)量。

2 早強低密度水泥漿體系室內(nèi)研究

2.1 水泥漿體系設(shè)計思路

根據(jù)Furnas顆粒堆積最密實級配原理配制低密度高強度水泥漿，即：在第一級大顆粒堆積空隙中充填進比第一級大顆粒小得多的第二級粒子，第二級粒子充填滿第一級顆?？障逗?，總體積不變；依次繼續(xù)填入更小的粒子，使總體積不變，從而使混合體堆積空隙率最?。?－7］。

顆粒級配技術(shù)可以增加水泥石的密實度，對不同密度不同粒徑微硅（2.16 g／cm3、 0.1μm）、漂珠（0.7 g／cm3、 45～ 300μm）等外摻劑與水泥進行復(fù)配，配制成有利于現(xiàn)場施工的不同密度的干混料。

2.2 水泥漿配方優(yōu)化與討論

選定了各種干混料后，按照需要的密度和經(jīng)驗水灰比確定所需干混料的混合密度，查表或計算機計算所需干混料組分的比例。分別配制了1.20、1.35、1.42 g／cm3的3套低密度水泥漿，對其實驗室性能進行了考察，3套配方的性能見表1。

1＃配方：嘉華G級水泥＋漂珠＋微細材料＋250 g H2O＋降失水劑＋分散劑＋緩凝劑（根據(jù)溫度調(diào)節(jié)）＋消泡劑，密度1.42 g／cm3。

表1 低密度水泥漿實驗性能表

2＃配方：286 g嘉華G級水泥＋漂珠＋微細材料＋300 g H2O＋降失水劑＋分散劑＋緩凝劑（根據(jù)溫度調(diào)節(jié)）＋消泡劑，密度1.35 g／cm3。

3＃配方：251.5 g嘉華G級水泥＋漂珠＋微細材料＋325 g H2O＋降失水劑＋分散劑＋緩凝劑（根據(jù)溫度調(diào)節(jié)）＋懸浮劑＋消泡劑，密度1.20 g／cm3。

3＃配方水泥漿體系在90℃下的典型稠化曲線（圖2）和3＃水泥漿配方養(yǎng)護水泥石和相同密度水泥漿養(yǎng)護水泥石的對比圖（圖3），從圖3中可以明顯觀察到，普通低密度水泥漿的水泥石出現(xiàn)嚴重的分層，強度不合格；而該低密度高強度水泥漿的水泥石無明顯的分層現(xiàn)象，均勻致密，強度更高。

圖2 3＃配方典型稠化曲線圖

圖3 不同水泥漿養(yǎng)護水泥石對比圖

實驗結(jié)論：室內(nèi)配制密度介于1.20～1.45 g／cm3的低密度水泥漿體系，適用溫度范圍60～110℃，漿體穩(wěn)定性好（上下密度差小于0.03 g／cm3），流變性能好，失水小，稠化時間可調(diào)，稠化過渡時間短，48 h抗壓強度大于10 MPa，且水泥石無明顯的分層現(xiàn)象，均勻致密。

討論：配制密度為1.20 g／cm3的水泥漿時，漿體出現(xiàn)微沉的情況，在高溫（3＃配方105℃）上下密度差達0.05 g／cm3，漿體穩(wěn)定性不易控制。溫度過高，稠化時間不易控制（3＃配方實驗做到90℃）。這是由于漂珠粒徑較大，空心程度較高，在拌漿或增壓養(yǎng)護過程中更容易碎裂進而滲水，因此，自由水容易進入漂珠內(nèi)部，進而影響低密度水泥漿的密度和稠度，根據(jù)實驗結(jié)果，控制水泥和外摻料（漂珠、微硅）的質(zhì)量才能保證低密度水泥漿的性能指標(biāo)。

3 試驗井固井質(zhì)量分析

在川西南部地區(qū)3 500～5 400 m的井深范圍內(nèi)進行了 127 mm尾管段應(yīng)用早強低密度（1.30～1.40 g／cm3）漂珠水泥漿體系固井應(yīng)用，聲波測井評價固井質(zhì)量結(jié)果見表2。

表2 127 mm尾管聲波測井評價固井質(zhì)量結(jié)果表

表2 127 mm尾管聲波測井評價固井質(zhì)量結(jié)果表

測井優(yōu)質(zhì)率蓮花000－X5 4 340～井號 井段／m溫度／℃稠化時間／min測井合格率4 540 101 403 80.9%75.73%蓮花2 4 695～5 370 120 382 92.5%64.10%灌口003－2 4 790～5 356 112 409 99.6%86.62%平落006－5 3 519～4 009 90 277 82.6%58.37%張家001－1 3 695～4 120 85 347 93.6%56.90%

從表2統(tǒng)計的聲波檢測結(jié)果明顯看出，早強低密度漂珠水泥漿有效克服了本區(qū)井壁不穩(wěn)定、井漏風(fēng)險大的固井難題，試驗井尾管固井合格率超過80%，優(yōu)質(zhì)率超過55%。

4 認識與建議

1）形成了一套針對川西南部地區(qū)低壓易漏失產(chǎn)層尾管固井作業(yè)的早強低密度漂珠水泥漿體系，密度介于1.25～1.40 g／cm3，漿體沉降穩(wěn)定性良好，上下密度差小于0.03 g／cm3，稠化時間可調(diào)，48 h抗壓強度大于10 MPa。

2）早強低密度漂珠水泥漿可有效解決低壓易漏井的尾管固井作業(yè)，防止固井作業(yè)發(fā)生井漏，現(xiàn)場共應(yīng)用5井次，優(yōu)質(zhì)率超過55%，合格率超過80%。

3）低密度水泥配方復(fù)雜，干混料因密度差大在運輸過程中，由于車輛顛簸，可能發(fā)生二次分層導(dǎo)致不均勻，尤其是密度低于1.25 g／cm3的低密度干混料，更容易出現(xiàn)這種現(xiàn)象。因此，低密度水泥運輸?shù)骄畧龊?，在檢查水泥質(zhì)量與出庫時不一致時，必須進行一次立式灰罐之間的倒混，更好地滿足特殊施工要求。

4）室內(nèi)配制拌漿或增壓養(yǎng)護過程中漂珠碎裂滲水，進而影響低密度水泥漿的密度和稠度。因此，建議進一步對漂珠的質(zhì)量進行控制和改進，更好地保障入井水泥漿質(zhì)量，從而有效地提高固井質(zhì)量。

［1］劉德平.漂珠低密度水泥固井技術(shù)研究［J］.天然氣工業(yè)，1997，17（3）：14－17.

［2］郭小陽.提高注水泥質(zhì)量的綜合因素［J］.西南石油學(xué)院學(xué)報，1998，20（3）：55－59.

［3］李明，齊奉忠，靳建洲，等.適合煤層氣井固井的低密度水泥漿體系［J］.天然氣工業(yè)，2011，31（7）：63－66.

［4］馬勇，劉偉，唐庚，等.川渝地區(qū)“三高”氣田超深井固井隔離液應(yīng)用實踐［J］.天然氣工業(yè)，2010，30（6）：77－79.

［5］李坤，徐孝思，黃柏宗.緊密堆積優(yōu)化水泥漿體系的優(yōu)勢與應(yīng)用［J］.鉆井液與完井液，2002，19（1）：14－16.

［6］黃柏宗.緊密堆積理論優(yōu)化的固井材料和工藝體系［J］.鉆井液與完井液，2001，18（6）：17－20.

［7］黃柏宗.緊密堆積理論的微觀機理及模型設(shè)計［J］.石油鉆探技術(shù)，2007，35（1）：23－26.

A early－strength and low－density cement slurry system used to improve cementing in low－pressure thief zones

Zhou Jian1，Gao Dewei2，Yan Haibing3
（1.Production Deployment Department，Southwest Oil ＆Gasfield Company，PetroChina，Chengdu，Sichuan 610051，China；2.Northwest Sichuan Division of Southwest Oil ＆Gasfield Company，PetroChina，Jiangyou，Sichuan 621709，China；3.Downhole Operation Services，Chuanqing Drilling Engineering Co.，Ltd.，CNPC，Chengdu，Sichuan 610051，China）

NATUR.GAS IND.VOLUME 32，ISSUE 4，pp.72－74，4／25／2012.（ISSN 1000－0976；In Chinese）

Due to the low formation pressure coefficient in the south of West Sichuan Basin，the regular density cement slurry will easily lead to lost circulation，resulting in formation damage and thus reducing well productivity and even having bad effect on the wellbore integrity.So grading of grains is performed，micro－silicons（ρ2.16 g／cm3and 0.1μm）and beads（ρ0.7 g／cm3and 45－300μm）with different densities and sizes are mixed with cement to prepare a low－density and early－strength cement slurry system.This system has a high settling stability，the density difference between the top and the bottom is less than 0.03 g／cm3，and its thickening time can be adjusted between 5 and 15 minutes.And its water loss is less than 50 m L，its 48 h compression strength is over 10 MPa，providing guarantee for balanced pressure cementing in low pressure gas wells.The composite fibers added in the earlystrength and low－density bead cement slurry can improve the plasticity of cement stones and ensure the cementing quality in low－pressure thief zones.

early－strength low－density cement slurry，bead，grading of grains，low pressure，thief zone，cementing quality

周劍等.早強低密度水泥漿體系提高低壓易漏井固井質(zhì)量.天然氣工業(yè)，2012，32（4）：72－74.

10.3787／j.issn.1000－0976.2012.04.018

2009年中國石油西南油氣田公司固井新技術(shù)現(xiàn)場試驗項目（編號：20090304KS02－01）。

周劍，1981年生，工程師；2003年畢業(yè)于原西南石油學(xué)院石油工程專業(yè)，從事鉆井技術(shù)現(xiàn)場管理工作。地址：（610051）四川省成都市府青路一段3號。電話：（028）86011708，18208165618。E－mail：zhou.jian＠petrochina.com.cn

2011－12－25 編輯 凌 忠）

DOI：10.3787／j.issn.1000－0976.2012.04.018

Zhou Jian，engineer，born in 1981，graduated in petroleum engineering from Southwest Petroleum University in 2003.He is now engaged in management of drilling operation.

Add：No.3，Sec.1，F(xiàn)uqing Rd.，Chengdu，Sichuan 610051，P.R.China

Tel：＋86－28－8601 1708 Mobile：＋86－18208165618 E－mail：zhou.jian＠petrochina.com.cn