TS2井超低密度水泥漿固井技術(shù)

寧河清

（中國(guó)石化西南工程公司固井分公司）

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TS2井超低密度水泥漿固井技術(shù)

寧河清

（中國(guó)石化西南工程公司固井分公司）

摘要TS2井是中國(guó)石化西北油田分公司在新疆塔河油田庫(kù)車(chē)縣境內(nèi)部署的一口風(fēng)險(xiǎn)探井，處于低壓易漏區(qū)塊。在沒(méi)有該區(qū)塊類(lèi)似井況固井先例的情況下，研究了該井的固井技術(shù)難點(diǎn)、固井技術(shù)措施，優(yōu)選水泥漿體系，并基于顆粒級(jí)配理論提高PVF，使用國(guó)外先進(jìn)減輕材料，調(diào)制出密度為1.25g/cm3的超低密度水泥漿進(jìn)行固井作業(yè)，施工順利，質(zhì)量?jī)?yōu)良率82.32%。圖2表4參2

關(guān)鍵詞超低密度水泥漿漏失井固井工藝

TS2井是為了進(jìn)一步評(píng)價(jià)奧陶系兼顧三疊系、石炭系儲(chǔ)層發(fā)育特征及其油氣分布規(guī)律,及油氣藏范圍的一口探井，井深6632.42 m。該井井底段溫度高、壓力高、地層壓力低。因此如何在低密度、超深井、窄安全窗口等條件下成功固井,為該井固井的技術(shù)難點(diǎn)。

1　水泥漿技術(shù)難點(diǎn)

1.1溫度高

四開(kāi)215.9 mm鉆頭鉆至井深6630 m時(shí)出現(xiàn)既漏又垮、起下鉆困難等復(fù)雜情況，井底靜止溫度126℃,井底循環(huán)溫度101℃,井底壓力82 MPa。

1.2密度低

該井在鉆井液密度在1.23 g/cm3時(shí)，井下曾有不同程度的漏失,當(dāng)下套管過(guò)程中扶正器對(duì)井壁刮削或激動(dòng)壓力都有可能破壞井壁穩(wěn)定，造成下部裸眼段漏失，給注水泥施工帶來(lái)困難。

1.3壓力高

盡管?chē)?guó)際、國(guó)內(nèi)對(duì)低密度水泥漿進(jìn)行了大量研究和嘗試，但是對(duì)于井深超過(guò)6000 m、壓力80 MPa以上的條件下采用1.25 g/cm3左右的超低密度水泥漿及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用未見(jiàn)到公開(kāi)資料報(bào)道。高壓使水泥漿中的水分進(jìn)入漂珠內(nèi)部或者壓破漂珠，從而影響水泥漿性能。水泥漿性能稍微控制不好,水泥漿便會(huì)先期脫水,輕則形成橋堵,重則使水泥漿產(chǎn)生急劇稠化,致使固井失敗。

2　水泥漿技術(shù)

超低密度水泥漿的難點(diǎn)在于選用強(qiáng)度高、破碎率低的漂珠作減輕劑,使用超細(xì)微硅粉作基質(zhì)穩(wěn)定劑,利用緊密堆積原理,在水泥漿中優(yōu)化固相顆粒分布。目前國(guó)外使用較多的是DOWELL公司的Litecrete低密度水泥漿技術(shù)。該技術(shù)利用顆粒級(jí)配原理優(yōu)化水泥漿與低密度充填材料之間的粒度分布,使材料之間的堆積比例達(dá)到很大,減少材料顆粒之間的空隙,從而降低水灰比,提高水泥漿體系的整體性能[1]。國(guó)內(nèi)的超低密度水泥漿體系也較為常見(jiàn)，但大部分水泥漿體系只選用二級(jí)級(jí)配技術(shù)，其PVF(Packed volume factor,充填體積系數(shù))通常低于0.8，且缺乏在井深超過(guò)6000 m，壓力超過(guò)80 MPa井況時(shí)使用的經(jīng)驗(yàn)。

2.1減輕劑的優(yōu)選

超低密度水泥漿若僅靠增大水灰比將密度降低至1.25 g/cm3，則其水泥石強(qiáng)度較低,綜合性能將無(wú)法滿(mǎn)足本井難度要求。水泥漿的減輕材料很多，而漂珠具有密閉、質(zhì)輕、薄壁、粒細(xì)呈球形且具有活性,因此,漂珠就成了粗顆粒材料的首選。選擇以下3種漂珠進(jìn)行優(yōu)選，1號(hào)漂珠為國(guó)產(chǎn)托陽(yáng)漂珠，粒徑為150～250 μm，加量70%；2號(hào)漂珠為美國(guó)3M公司漂珠，粒徑為20～65 μm，加量85%；3號(hào)漂珠為美國(guó)3M公司漂珠，粒徑為18～70 μm，加量90%。

從表1可知：國(guó)產(chǎn)漂珠抗剪切性能和抗高壓性能不好，密度增量均在0.15 g/cm3以上，不適用于超低密度水泥漿。2號(hào)和3號(hào)漂珠在剪切和高壓后密度增量均能控制在0.06 g/cm3以下，都可以滿(mǎn)足超低密度水泥漿要求。由圖1可以看出1號(hào)漂珠表面存在孔洞，水泥漿中的液體介質(zhì)很容易進(jìn)入，造成“減輕失效”，2號(hào)和3號(hào)漂珠表面為光滑密閉形態(tài)，剪切和高壓均很難破壞其結(jié)構(gòu)，使之具有很好的穩(wěn)定性[2]。綜合考慮決定選用2號(hào)3M公司漂珠。

表1　漂珠的抗剪切、抗高壓性能對(duì)比

圖1　漂珠在電鏡下的形狀

2.2填充劑的優(yōu)選

根據(jù)緊密堆積原理要求,該水泥漿體系尚需選擇一種比水泥粒度相對(duì)細(xì)得多的微細(xì)顆粒作為充填空隙的材料,因此,選擇了微硅作為細(xì)顆粒。根據(jù)國(guó)內(nèi)相關(guān)研究經(jīng)驗(yàn),由公式[1]：

式中：

SG—混合物密度，g/cm3；

ρ—水泥漿密度，g/cm3；

V—水與固相質(zhì)量分?jǐn)?shù),通常取0.5～0.6。

A、B為漂珠和微硅占水泥的質(zhì)量百分比,漂珠和微硅的比例關(guān)系為經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。漂珠微硅的比例為（4: 1）～（3:1）時(shí),水泥石強(qiáng)度高,水泥漿流變性能較好[1]。

由此為依據(jù)進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2　漂珠和微硅比例對(duì)水泥漿性能的影響

圖2　水泥漿稠化曲線

由表2可知，微硅加量越大其PVF值越接近1，密實(shí)程度高，但是微硅加量太大會(huì)直接影響水泥漿的流動(dòng)性，沒(méi)有實(shí)用的意義。當(dāng)漂珠和微硅的比例為3:1 時(shí)PVF達(dá)到0.9，且流動(dòng)度20 cm，滿(mǎn)足超低密度水泥漿性能的需求，與理論公式結(jié)論一致。由于微硅平均粒徑在0.5 μm左右當(dāng)微硅作為充填劑加入水泥漿中,可以降低膠凝材料的孔膠比,改善水泥漿顆粒間的膠結(jié)能力,使水泥漿具有極好的懸浮性、密實(shí)性和穩(wěn)定性,極大提高水泥石的抗壓強(qiáng)度(尤其是后期強(qiáng)度)和水泥漿的總體性能。

2.3外加劑的優(yōu)選

通過(guò)對(duì)緩凝劑、降失水劑、分散劑的配套實(shí)驗(yàn)，加入改善水泥石力學(xué)性能的纖維狀外加劑。其作用機(jī)理如下：①通過(guò)纖維作微筋,增強(qiáng)與水泥基質(zhì)粘結(jié)力,從而使水泥石具有柔性,水泥石強(qiáng)度高且穩(wěn)定、工程力學(xué)性能較好。②使水泥石體積膨脹產(chǎn)生化學(xué)預(yù)應(yīng)力,減小水泥石孔隙度,增加自由水流動(dòng)阻力,有效阻止孔隙壓力下降,從而增加抗壓強(qiáng)度和降低孔隙度和滲透率。

2.4水泥漿配方及性能

水泥漿配方：阿克蘇G級(jí)水泥+55%3M漂珠+微硅20%CEA-1+超細(xì)水泥10% +早強(qiáng)劑3%OS-A+降失水劑9.5%FS-23 L +減阻劑0.5 %FS-13 L+緩凝劑1.5%FS-35 L+消泡劑0.2%DF-A密度:1.25 g/cm3，失水:20 ml/101℃×6.9 MPa×30 min；游離液:0%；初始稠度:18 Bc；40～100 Bc過(guò)渡時(shí)間:14 min；100 Bc稠化時(shí)間:310 min/101℃×82 MPa×60 min；24 h抗壓強(qiáng)度:14 MPa；流動(dòng)度:23 cm（圖2）。

此水泥漿性能已經(jīng)完全達(dá)到了“常規(guī)密度水泥漿”性能標(biāo)準(zhǔn)，且具有易配制，稠化時(shí)間可調(diào)，高強(qiáng)度，防竄性能好等優(yōu)點(diǎn)，符合固井設(shè)計(jì)要求。

2.5試配模擬

在固井前充分模擬配灰、運(yùn)輸、配水、配漿整個(gè)過(guò)程，保證入井水泥漿性能與實(shí)驗(yàn)室小樣性能一致。

2.6現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

在固井施工前進(jìn)行試配，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)顯示，水泥漿密度為1.25 g/cm3，流動(dòng)度達(dá)到23 cm，混制過(guò)程平穩(wěn)，達(dá)到了預(yù)先效果。

現(xiàn)場(chǎng)施工超低密度水泥漿實(shí)際入井密度:領(lǐng)漿最高1.26 g/cm3,最低1.22 g/cm3,平均1.25 g/cm3，尾漿最高1.28 g/cm3,最低1.27 g/cm3,平均1.28 g/cm3。水泥漿注、替順利,正常碰壓。

本次固井優(yōu)良率82.32%，合格率100%，套管鞋封固質(zhì)量?jī)?yōu)秀（表4）。

表3　TS2井身結(jié)構(gòu)

表4　TS2井固井質(zhì)量

3　結(jié)論

（1）TS2井超低密度水泥漿技術(shù)的成功應(yīng)用，驗(yàn)證了所使用的所有材料均可滿(mǎn)足深井高溫的要求。

（2）TS2井固井作業(yè)中，使用超輕密度且抗壓性能強(qiáng)的美國(guó)3M公司顆粒為20～65 μm的漂珠作為減輕材料，以微硅為填充劑，拉開(kāi)顆粒粒徑差距，進(jìn)行合理的顆粒級(jí)配，結(jié)果表明，水泥漿中漂珠和微硅的比例為3:1時(shí)水泥漿具有良好的流變性和較高的水泥石強(qiáng)度，滿(mǎn)足了該井水泥漿的高壓要求。

參考文獻(xiàn)

1周仕明.優(yōu)質(zhì)高強(qiáng)低密度水泥漿體系的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].鉆井液與完井液，2004.21(6).

2左景欒,孫晗森,吳建光,等.煤層氣超低密度固井技術(shù)研究與應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報(bào)，2012.37(12).

（修改回稿日期2015-12-09編輯景岷雪）

作者簡(jiǎn)介寧河清,男,1974年出生，工程師；從事固井工，現(xiàn)為分公司新疆項(xiàng)目部經(jīng)理。地址：（618000）四川省德陽(yáng)市旌陽(yáng)區(qū)廬山南路二段88號(hào)西南石油工程有限公司固井分分司。電話：15281459392。E-mail:1157317302@.com