復(fù)配高密度水泥漿及前置液體系研究與應(yīng)用

王 樂 張云華

（中國石化西南石油工程有限公司固井分公司）

復(fù)配高密度水泥漿及前置液體系研究與應(yīng)用

王 樂 張云華

（中國石化西南石油工程有限公司固井分公司）

針對四川地區(qū)高壓固井需要，根據(jù)粒級級配和緊密堆積理論原理，選擇將不同粒徑與密度的磁鐵礦F與高密度磁鐵礦FF進行復(fù)配實驗，研制出密度2.50 g/cm3的高密度水泥漿體系以及密度2.45 g/cm3的前置液體系。該水泥漿體系流變性能好，API失水小于50 mL，無沉降，抗壓強度高；選擇不同密度的重晶石與磁鐵礦進行復(fù)配，篩選出流變性能優(yōu)異，性能穩(wěn)定，抗污染能力強的前置液體系，并成功應(yīng)用于MY 2井和YB 273-1H井，固井質(zhì)量優(yōu)良。表3參5

復(fù)配型磁鐵礦高密度水泥漿前置液

0 引言

在四川地區(qū)高壓油氣井鉆井過程中，需要使用高密度水泥漿固井，水泥漿密度可高達2.50 g/cm3左右，為了配制高密度水泥漿，需要添加大量加重材料。大量室內(nèi)實驗證明，單一添加磁鐵礦F或高密度磁鐵礦FF，不能配制出性能良好的超高密度水泥漿體系[1]，由于加重材料比例較高，水泥的用量減低較大，使水泥漿流動性、穩(wěn)定性等性能變差，沉降嚴重，且抗壓強度達不到設(shè)計要求，影響固井質(zhì)量甚至引發(fā)氣竄。因此我們根據(jù)粒級級配和緊密堆積理論［2，5］，采用不同粒度的加重劑進行顆粒級配,使單位體積水泥漿內(nèi)的固相顆粒比例最大,降低水灰比,并且提高水泥石的抗壓強度,降低其孔隙度和滲透率,實現(xiàn)水泥漿體系的密度的增加和性能的優(yōu)化［3-4］，從而保證水泥漿滿足流變性、析水量、稠化時間等性能要求，并獲得最好的力學性能，提高固井質(zhì)量，防止氣竄發(fā)生。

1 實驗部分

1.1 實驗材料與儀器

本文中所采用實驗材料如下：葛洲壩G級油井水泥；磁鐵礦F（密度5.05 g/cm3，100目）；高密度磁鐵礦FF（密度6.0 g/cm3，120目）；重晶石（密度4.10 g/cm3，180目）；降失水劑；分散劑；緩凝劑；膨脹劑；塑性劑；穩(wěn)定劑；隔離劑1；隔離劑2等。

本文中所采用實驗儀器如下：YMS數(shù)顯示液體密度計；ZNN-D6A型六速旋轉(zhuǎn)黏度儀；OWC-9350常壓稠化儀；OWC-93600UD恒速攪拌器；OWC-9380增壓稠化儀等。水泥漿性能實驗以《GB/T19139—2003油井水泥試驗方法》所規(guī)定的方法進行。

1.2 實驗基礎(chǔ)配方

高密度水泥漿實驗基本配方（以水泥質(zhì)量分數(shù)為基準）：

葛洲壩G級油井水泥500g+適量磁鐵礦+適量高密度磁鐵礦+2%膨脹劑+1.5%塑性劑+5%降失水劑+ 1.5%分散劑+0.5%穩(wěn)定劑+緩凝劑+0.5%穩(wěn)定劑+適量水

高密度前置液實驗基本配方（以水質(zhì)量分數(shù)為基準）：

［適量重晶石+適量磁鐵礦］100%+3%隔離劑Ⅰ型+5%隔離劑Ⅱ型+0.5%穩(wěn)定劑+5%緩凝劑+適量水

1.3 實驗方法

室內(nèi)對磁鐵礦F和高密度磁鐵礦FF進行復(fù)配實驗，由于磁鐵礦粉FF的密度高于磁鐵礦粉F，F(xiàn)F的加量少于F的加量，因此選擇4個磁鐵礦FF加量比例（40%、45%、50%、60%），在不同高密度鐵礦F加量進行復(fù)配實驗，通過對水泥漿體系各項性能進行評價分析，得到最優(yōu)復(fù)配型高密度水泥漿配方。同樣，首次將重晶石與磁鐵礦F進行復(fù)配實驗，最終得到最優(yōu)高密度隔離液體系配方。

1.4 復(fù)配加重劑加量優(yōu)選實驗

由表1數(shù)據(jù)表明，當FF加量為40%時，隨著F加量的增加，漿體流變性有一定改變，但加重劑所占比例小，要達到2.5 g/cm3高密度水泥漿，水灰比降低，因此水泥漿體稠，流動度小，下灰時間長，不利于現(xiàn)場混配，高溫養(yǎng)護后穩(wěn)定性較差；增加FF加量為60%時，漿體流變性明顯改善，流動度增加，但漿體經(jīng)過高溫養(yǎng)護后，靜置2 h后，測其上下層密度差，水泥漿體不穩(wěn)定，說明FF加量太大；從而降低FF加量為50%以后，漿體經(jīng)過高溫養(yǎng)護，上下層密度差有所減小，漿體穩(wěn)定性較之前有所改善，但考慮到現(xiàn)場水泥漿侯凝期間的穩(wěn)定性，防止發(fā)生氣竄問題，可以考慮再降低FF的加量。因此優(yōu)選出FF的加量為45%時，隨著F加量的增加，水泥漿體流變性，流動度達到最優(yōu)狀態(tài)，考慮到冬季施工，現(xiàn)場混配等問題，最終優(yōu)選出FF的加量為45%，F(xiàn)的加量為90%進行級配，配制出密度為2.50 g/cm3的超高密度水泥漿體系。

表1

1.5 前置液體系的優(yōu)選

從固井設(shè)計以及現(xiàn)場施工綜合考慮，前置液體系的密度為2.45 g/cm3。重晶石通常被選作前置液加重材料，其密度為4.10 g/cm3左右，因此要想配制出密度為2.45 g/cm3的前置液體系，只有降低水灰比，由表2數(shù)據(jù)可以看出，單獨依靠重晶石作為加重材料，配制出的前置液體系漿體稠，流動度差，不利于現(xiàn)場泵送，給施工帶來風險，且驅(qū)替能力差，影響固井質(zhì)量。而單獨選用磁鐵礦F作為前置液加重材料，配制密度為2.45 g/cm3的前置液體系，漿體經(jīng)過高溫養(yǎng)護后沉降嚴重，漿體不穩(wěn)定，且考慮到現(xiàn)場必須用方罐提前混配，這樣不僅增加了成本，而且增加工作量，因此首次將重晶石和磁鐵礦進行室內(nèi)復(fù)配實驗。

表2

由表2中數(shù)據(jù)可以看出，當重晶石的加量和磁鐵礦F的加量為40%∶60%和50%∶50%的時，可以配制出性能較好的高密度前置液體系，但從節(jié)約成本的角度最終選出前置液體系為后者的加量。

1.6 配伍性實驗

由表3數(shù)據(jù)可看出，該高密度隔離液體系具有較強抗污染能力。隔離液與水泥漿、鉆井液按比例混合后稠化時間不縮短，隔離液與水泥漿，隔離液與鉆井液混合后無增稠現(xiàn)象發(fā)生，可以有效解決因多相污染而引發(fā)的安全施工問題。

表3

2 現(xiàn)場應(yīng)用

MY2井是位于四川省綿陽市涪城區(qū)城郊鄉(xiāng)的一口預(yù)探井，井身結(jié)構(gòu)如下：Φ444.5 mm鉆深82 m，Φ339.7 mm套管下深78.98 m；Φ311.15 mm鉆深1502 m，Φ244.5 mm套管下深1501.36 mm；本開Φ215.9 mm鉆深4133 m，采用鉀石灰聚磺體系鉆井液，完鉆泥漿密度2.44 g/cm3，含油1%。鉆進至3944.31 m井漏，在堵漏時發(fā)生溢流，井內(nèi)情況復(fù)雜。井筒壓力安全窗口窄，施工排量受限，頂替效率難以保證封固段長，上下溫大，泥漿密度高，黏度、切力高，水泥漿頂替過程中難以驅(qū)替干凈。采用高密度雙凝膨脹防氣竄水泥漿體系，單級注水泥全封固井，水泥漿返出地面，有效封隔氣層，防止氣竄及層間互竄。

YB 273-1H井是位于四川省蒼溪縣陵江鎮(zhèn)的一口開發(fā)井，該井上開Ф346.1 mm技術(shù)套管下深2958 mm,本開Ф314.1 mm鉆深4872.00 m，泥漿密度為2.41 g/cm3,選用高密度雙凝膨脹防氣竄水泥漿體系，Ф273.1 mm+Ф282.6 mm技術(shù)尾管固井。

MY2井和YB273-1井兩口井中超高密度水泥漿體系均采用優(yōu)選出的實驗配方進行配灰，加量分別為磁鐵礦FF 45%和磁鐵礦F 90%；而優(yōu)選出的高密度前置液體系高密度前置液加量分別為重晶石粉50%和磁鐵礦粉50%，在進行固井施工作業(yè)前，先試配了1 m3的隔離液，從現(xiàn)場來看，前置液的性能滿足現(xiàn)場施工要求。MY2井整個固井施工過程非常順利，前置液平均密度為2.44 g/cm3，領(lǐng)漿平均密度為2.49 g/cm3，尾漿平均密度為2.47 g/cm3，井下未出現(xiàn)任何事故和復(fù)雜情況，通過聲幅及聲波變密度測井曲線顯示，全井封固質(zhì)量優(yōu)良，滿足下步作業(yè)要求。YB273-1井施工現(xiàn)場前置液平均密度為2.43 g/cm3，領(lǐng)漿平均密度為2.51g/cm3，尾漿平均密度為2.49g/cm3，通過聲幅及聲波變密度測井曲線顯示，全井封固質(zhì)量優(yōu)良。

3 結(jié)論

（1）選用不同比重，不同目數(shù)加重劑，以復(fù)配方式優(yōu)選出的超高密度（2.50 g/cm3）水泥漿具有流變性能較好，水泥漿體穩(wěn)定，析水為0,早期抗壓強大于14 MPa，SPN值小于3等特點，將其應(yīng)用到現(xiàn)場，固井質(zhì)量優(yōu)良。

（2）高密度隔離液體系中首次采用重晶石粉與磁鐵礦按一定比例進行復(fù)配實驗，優(yōu)選出的重晶石粉與磁鐵礦按1:1比例進行復(fù)配的隔離液體系密度達2.45 g/cm3，高溫下穩(wěn)定性良好，具有抗污染能力強、現(xiàn)場易操作的特點，在現(xiàn)場得到了很好的運用。

1趙進，楊遠光，謝應(yīng)權(quán)，等.磁鐵礦對超高密度水泥漿體系性能的影響[J].重慶科技學院學報（自然科學版），2012，14（4）：49-52.

2趙軍，馮建建，朱江林，等.二元赤鐵礦粉粒度級配技術(shù)研究[J].科教前沿，2012，33:547-548.

3萬偉，岳志華，陳馥，等.高密度水泥漿中赤鐵礦粒級級配對水泥漿性能的影響[J].天然氣勘探與開發(fā)，2008，31（1）: 48-51.

4宋茂林，徐璧華，謝應(yīng)權(quán).鐵礦粉對高密度水泥漿流變性的影響[J].精細石油化工進展，2010,11（4）:1-4.

5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）:1-9.

（修改回稿日期2015-09-07編輯景岷雪）

王樂，女，1984年出生，工程師；2007年畢業(yè)于西南石油大學應(yīng)用化學專業(yè)，現(xiàn)在中石化西南石油工程有限公司固井分公司從事固井工作。地址：(618000)四川省德陽市廬山南路一段81號。電話：13808108178。E-mail：48157987@qq．com