膠乳納米液硅高溫防氣竄水泥漿體系

高元，桑來玉，楊廣國，常連玉，魏浩光

（中國石化石油工程技術研究院，北京100101）

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膠乳納米液硅高溫防氣竄水泥漿體系

高元，桑來玉，楊廣國，常連玉，魏浩光

（中國石化石油工程技術研究院，北京100101）

高元等.膠乳納米液硅高溫防氣竄水泥漿體系[J].鉆井液與完井液，2016，33（3）：67-72.

摘要針對順南區(qū)塊超深高溫高壓氣井固井面臨井底溫度高、氣層活躍難壓穩(wěn)的問題，研究了膠乳納米液硅高溫防氣竄水泥體系。通過將納米液硅防氣竄劑與膠乳防氣竄劑復配使用，協同增強水泥漿防氣竄性能；不同粒徑硅粉復配與加量優(yōu)化，增強水泥石高溫穩(wěn)定性；無機纖維橋聯阻裂堵漏，抑制裂縫延展，提高水泥漿防漏性能和水泥石抗沖擊性能。該水泥漿體系具有流動性好、API失水量小于50 mL、直角稠化、SPN值小于1，水泥石具有高溫強度穩(wěn)定性好、膠結強度高、抗沖擊能力強的特點。密度為1.92 g/cm3的水泥漿體系在190 ℃、21MPa養(yǎng)護30 h后超聲波強度逐漸平穩(wěn)，一界面膠結強度達12.6 MPa；水泥石彈性模量較常規(guī)低失水水泥石降低52%，抗沖擊強度增加了188%，且受霍普金森桿沖擊后僅縱向出現幾條未貫穿的裂紋。該高溫防氣竄水泥漿體系在順南5-2井和順南6井成功應用，較好地解決了順南區(qū)塊超深氣井固井難題。

關鍵詞膠乳； 納米液硅； 耐高溫； 防氣竄； 固井

順南區(qū)塊位于塔里木盆地塔中沙漠腹地。2013年西北分公司在順南區(qū)塊順南4井和順南5井取得勘探重大突破，分別在奧陶系一間房組、鷹山組、蓬萊壩組鉆遇油氣顯示且獲得工業(yè)油氣流。該區(qū)塊奧陶系儲層埋藏深，儲集類型以裂縫-孔洞型為主，固井面臨高溫、高壓、易漏等難題，固井后對水泥環(huán)完整性和長期密封性能要求高。

1　主要固井難題

1）儲層埋藏深、 溫度高。順南區(qū)塊奧陶系灰?guī)r儲層埋深約7 000 m，受熱巖改造作用影響，進入一間房組地層溫度突變，井底靜止溫度在180 ℃左右，其中順南501井四開井深6 890 m處測井溫度為183 ℃。井底溫度高，對水泥漿抗高溫性能和水泥石強度高溫穩(wěn)定性提出了更高的要求。

2）高壓縫洞型儲層，氣竄風險大，壓穩(wěn)與防漏困難。該區(qū)塊為裂縫-孔洞型儲層，部分裂縫貫穿氣層，壓力窗口窄，壓穩(wěn)與防漏矛盾突出，通常發(fā)生漏失與氣侵并存現象。其中，順南6井鉆井液密度為1.92 g/cm3時，進出口密度差接近0.2 g/cm3，達不到安全下套管和固井要求，循環(huán)排氣超過1個月，但后效仍然嚴重。

2　膠乳納米液硅高溫防氣竄水泥漿

2.1水泥漿體系設計

針對順南區(qū)塊超深高溫高壓氣井面臨的固井難題，從增強防氣竄性能、水泥石高溫強度穩(wěn)定性和抗沖擊性方面進行研究[1-2]。

1）膠乳與納米硅乳液防氣竄劑復配，協同增強防氣竄性能。納米液硅為一種新型防氣竄劑，是由球型納米二氧化硅顆粒經特殊處理形成的水性乳液。實驗采用SCLS納米液硅，其固相含量為45%，球形度高，二氧化硅平均粒徑為160 nm左右，比表面積高達23 m2/g，粒徑分布曲線如圖1所示。

納米液硅乳液中所含的二氧化硅顆粒呈無定形態(tài)，表面含有大量硅羥基，可與水泥水化產物CH反應生成CSH凝膠，因具有較高活性，能迅速提高水泥漿膠凝強度，增加氣竄阻力；同時，納米二氧化硅顆?？沙涮钣谒囝w粒空隙，增強水泥石密實性，降低水泥石滲透率。室內評價了納米液硅加量對常規(guī)低濾失水泥石滲透率的影響，見圖2。由圖2可知，隨著納米液硅加量的增加，常規(guī)低濾失水泥石的滲透率逐漸降低，加量為15%時水泥石滲透率降幅可達65%，增強了水泥石防氣竄性能。

圖2 SCLS納米液硅加量對水泥石滲透率影響

在優(yōu)選納米液硅防氣竄劑的同時，復配使用耐溫達200 ℃的DC200型膠乳防氣竄劑，依靠柔性膠乳粒子顆粒填充與聚結成膜作用防止氣竄，與納米二氧化硅顆粒協同增強水泥漿和固化水泥石的防氣竄性能，且膠乳防氣竄劑和納米液硅防氣竄劑中含有的表面活性劑可改善界面膠結質量[3-5]。

2）復配SiO2顆粒，增強水泥石高溫穩(wěn)定性。納米液硅中活性二氧化硅顆粒可參與水泥水化反應，增強水泥石強度，提高水泥石高溫穩(wěn)定性。表1顯示了不同納米液硅加量對常規(guī)低濾失水泥石強度的增強效果。針對井底190 ℃下水泥石高溫強度衰退問題，通過不同SiO2粒徑組合，在井底高溫下，大粒徑SiO2顆粒可與水泥水化產物CH反應，降低液相Ca2+濃度，打破C2SH2或C2SH（A）、C2SH（C）高鈣水化硅酸鹽的水化平衡，使其繼續(xù)水化生成以高溫強度較高的纖維狀CSH（B）為主的低鈣硅酸鹽；微小粒徑SiO2顆?？膳cC2SH反應，生成高溫強度較高的雪鈣硅石（C5S6H5）和硬硅鈣石（C6S6H），從而提高了水泥石高溫強度和熱穩(wěn)定性，減少了水泥石高溫強度衰退[6-9]。實驗結果顯示，在硅粉總加量為50%～70%時，粒徑為0.180～0.280 mm（60～80目）和0.090～0.098 mm（160～180目）粗細粒徑硅粉與納米液硅搭配形成SiO2的多級粒徑組合，可有效改善水泥石高溫強度，提高水泥石高溫穩(wěn)定性，結果如表2所示。由表1可知，納米液硅加入后可增強常規(guī)低失水水泥石強度，長期強度增加尤為明顯，增幅達86%。由表2可知，當粗∶細∶超細硅粉質量比為30∶60∶10時，水泥石高溫強度發(fā)展穩(wěn)定性最好，水泥石高溫強度由0.5 d時的31.5 MPa降低至3 d時的26.0 MPa，后恢復至7 d時的28.2 MPa，至14 d時強度達到39.2 MPa，表現出良好的高溫強度穩(wěn)定性，無劇烈強度衰退與恢復。

表1　納米液硅水泥石抗壓強度發(fā)展

表2　硅粉粒徑組合對水泥石高溫強度的影響

3）膠乳和無機纖維復合降脆增韌，提高水泥石抗沖擊性能。短切耐高溫無機纖維（3 mm）可干混，表面含有親水基團，使其易分散，在水泥石中形成網狀結構，且較高的彈性模量可抑制水泥石裂紋的生成與延展，提高水泥石抗沖擊性能[10-13]。在水泥水化過程中，膠乳顆粒的空間阻礙作用和電荷吸附作用影響和改變了CH晶體生成與發(fā)育；同時膠乳粒子還參與CSH凝膠網的形成，混存于CSH凝膠相之中形成有機統(tǒng)一整體，從而降低水泥石脆性。室內評價了無機纖維加量對水泥石抗拉強度的影響，在80 ℃、0.1MPa下無機纖維加量為0、1%、2%、3%時，水泥石48 h抗拉強度分別為2.1、3.8、4.3、4.4 MPa。由此可知，無機纖維顯著增強水泥石抗拉強度，加量為2%時，水泥石抗壓強度增加1倍以上，但加量大于2%后，水泥石抗拉強度增加不明顯，因此優(yōu)選無機纖維加量為2%。

4）耐高溫無機纖維搭橋成網，降低漏失。纖維作為常用的堵漏材料，廣泛應用于堵漏水泥漿中。但普通有機纖維在180 ℃高溫老化后，發(fā)生碳化發(fā)黑現象，其力學性能明顯降低，堵漏效果明顯下降。所選無機纖維經高溫燒制而成，具有耐高溫、耐酸堿、高彈性模量特性，保證了其在井底高溫下仍具有足夠力學強度，搭橋成網并降低水泥漿漏失[14-15]。

2.2水泥漿常規(guī)性能評價

室內優(yōu)選出不同密度的膠乳納米液硅高溫防氣竄水泥漿體系，其常規(guī)性能如表3所示。膠乳納米液硅高溫防氣竄水泥體系流變性能良好，155 ℃下API失水量小于50 mL，直角稠化，SPN值小于1，沉降穩(wěn)定性好。水泥漿配方如下。

1#AG+40%復合硅粉+1.0%無機纖維SFP-2+2.0%降失水劑DZJ-Y+0.5%分散劑SCD+ 10%膠乳DC200+1%膠乳穩(wěn)定劑SD-1+8%納米液硅SCLS+2.8%高溫緩凝劑SCR-3+1.2%消泡劑DZX，水灰比為0.44

2#AG+55%復合硅粉+3%微硅+40%鐵礦粉+1.5%SFP-2+1.8%DZJ-Y+0.5%SCD+10% DC200+1.2%SD-1+6%SCLS+4.2%SCR-3+1.2% DZX，水灰比為0.65

3#AG+55%復合硅粉+3%微硅+57%鐵礦粉+1.0%SFP-2+1.8%DZJ-Y +0.7%SCD+10% DC200+1.2%SD-1+6%SCLS+2.5%SCR-3+1.2% DZX，水灰比為0.68

表3　膠乳納米液硅高溫防氣竄水泥漿體系常規(guī)性能

2.3水泥漿直角稠化與快速膠凝特性

利用chandler 8040和5265U測量1#配方的稠化與靜膠凝強度發(fā)展情況，結果見圖3和圖4。由圖3可知，膠乳液硅水泥漿體系初始稠度低，稠化過渡時間小于2 min，稠化后期水泥水化突然加劇，呈直角稠化，有利于防止氣竄。

圖3　150 ℃1#配方水泥漿體系稠化曲線

圖4　190 ℃1#配方水泥漿體系靜膠凝強度發(fā)展曲線

圖5　190 ℃1#配方水泥石超聲波強度發(fā)展曲線

圖6　190 ℃常規(guī)膠乳水泥石超聲波強度發(fā)展曲線

由圖4可以看出，體系靜膠凝強度發(fā)展快，190 ℃下靜膠凝強度過渡時間為15 min，有利于阻止氣體竄流[16]。

2.4水泥石強度高溫穩(wěn)定性

利用超聲波儀器對1#配方水泥漿進行190 ℃下高溫高壓養(yǎng)護，觀察水泥石高溫下強度變化（見圖5）；室內對比了加有35%硅粉（0.125 mm）的常規(guī)膠乳水泥漿體系190 ℃下強度發(fā)展情況（見圖6）。由圖5可知，190 ℃下膠乳納米液硅水泥石抗壓強度經過2次發(fā)展后雖有所降低，但30 h后強度曲線趨于平穩(wěn)且有所上升，根據脫模時水泥石從靜膠凝釜體脫落的壓力，折算一界面膠結強度達12.6 MPa。圖6顯示，加有35%硅粉（粒徑為0.125 mm）的常規(guī)膠乳水泥石190 ℃下出現明顯高溫強度衰退現象，雖然后期強度緩慢回升，但前期大幅度的強度衰退已經對水泥石內部結構和環(huán)空膠結質量造成不可逆的損壞，降低了水泥環(huán)整體密封性能。相比而言，經過SiO2顆粒復配和加量優(yōu)化的膠乳納米液硅水泥石顯示出良好的高溫穩(wěn)定性和膠結強度，可保證井底高溫水泥環(huán)的良好膠結。

2.5水泥石彈性與抗沖擊性

利用TONI壓力機和霍普金森沖擊桿對高溫膠乳液硅水泥石的彈性和抗沖擊性進行評價，結果如表4所示。從表4可知，無機纖維增韌膠乳液硅水泥石彈性模量較常規(guī)水泥石降低52.6%，顯示出較好的彈性變形；霍普金森沖擊實驗顯示，其沖擊強度提高188%，觀察水泥石受沖擊后的情況，水泥石僅在縱向出現幾條未貫穿裂紋，沖擊后試樣依然完整，顯示出高抗沖擊性，可減少后期作業(yè)時應力變化造成的水泥環(huán)破環(huán)，保持水泥環(huán)整體完整性。

表4　無機纖維增韌膠乳液硅水泥石彈性模量與沖擊強度

3　現場應用

高溫膠乳納米液硅防氣竄水泥漿體系作為一種新型防氣竄水泥漿體系，在西北油田分公司順南區(qū)塊超深氣井順南5-2和順南6井進行了應用，效果良好。下面以順南5-2井為例介紹其現場應用情況。該井是順南區(qū)塊評價井，井深為7 414 m，四開采用φ215.9 mm鉆頭鉆至井深6 920 m中途完鉆，下入φ177.8 mm生產尾管至井深6 918.43 m，懸掛器位置為5 721.78 m。鉆井液為鉀胺基聚磺鉆井液，密度為1.70 g/cm3，黏度為52 s，塑性黏度為24 mPa··s，動切力為6.0 Pa，泥餅厚度為0.4 mm，Cl-離子含量為13 000 mg/L，Ca2+離子含量為300 mg/L，井底實測溫度為178 ℃。在四開地層6 334～6 586 m井段鉆遇油氣顯示層位6個，鉆井及中途完鉆期間最高油氣上竄速度為32.95 m/h，全烴值最高為78.50%；固井前循環(huán)排后效點火火焰為橘黃色，高度為2 m，點火時間為30 min，油氣上竄速度為8.71m/h，上竄高度為473.31m，最大全烴值為62.19%。

該井使用膠乳納米液硅高溫防氣竄彈韌性水泥漿雙凝體系，短候凝尾漿快速形成強度，阻止氣體上竄，水泥漿性能如表5所示。現場入井液依次為20 m3密度為1.75 g/cm3隔離液，4 m3密度為1.89 g/cm3過渡漿，12 m3密度為1.91g/cm3領漿，13 m3密度為1.91g/cm3尾漿，2 m3密度為1.04 g/cm3壓塞液，75.3 m3替漿，替漿到量后壓力由4 MPa上升到9.5 MPa碰壓，放回水正常，起鉆1柱反循環(huán)10 h，循環(huán)排量為1.0 m3/min，壓力為9 MPa；再上提3柱，憋壓6 MPa，關井候凝24 h，總共候凝48 h。

表5　順南5-2井φ177.8 mm尾管固井水泥漿體系性能

注：領漿、尾漿均為1#配方；稠化實驗條件為145 ℃× 110 MPa×80 min。

候凝結束后下鉆探上水泥塞面位置5 690 m，塞長37.98 m；探得下水泥塞面位置6 630 m，塞長288.43 m；喇叭口試壓30 MPa合格；5 721～6 290 m聲幅值不大于20%，6 750～6 920 m聲幅值不大于15%。

4　結論

1.膠乳納米液硅高溫防氣竄水泥漿體系的API失水量小于50 mL，呈直角稠化，SPN值小于1，防氣竄效果好；水泥石190 ℃超聲波強度發(fā)展曲線平穩(wěn)，高溫力學性能好，一界面膠結強度為12.6 MPa，水泥石彈性模量較常規(guī)低濾失水泥石低52.9%，抗沖擊強度提高188.2%，抗沖擊性能好。

2.膠乳納米液硅高溫防氣竄水泥漿體系在順南5-2井和順南6井進行了應用，有效地封固了氣層，達到了固井目的，較好地解決了順南區(qū)塊超深氣井固井技術難題。

3.針對順南區(qū)塊超深高溫高壓氣井固井技術需求，還需加強水泥石長期高溫穩(wěn)定性、水泥環(huán)長久密封性及配套固井工藝研究。

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Cement Slurry Treated with Latex Nano Liquid Silica Anti-gas-migration Agent

GAO Yuan, SANG Laiyu, YANG Guangguo, CHANG Lianyu, WEI Haoguang
(Sinopec Research Institute of Petroleum Engineering, Beijing 100101)

AbstractCement slurry treated with latex nano liquid silica anti-gas-migration agent has been studied for the possibility of using it in Shunnan area, where ultra-deep wells have penetrated high temperature high pressure formations. The nano liquid silica anti-gasmigration agent and latex anti-gas-migration agent are both used to synergistically enhance the anti-gas-migration performance of the cement slurry. By optimizing the particle sizes and concentrations of the silica powder, the high temperature stability of the set cement can be improved. Inorganic fbers are added into the cement slurry to stop the development of fractures，thus controlling the losses of cement slurry and improving the shock resistance of the set cement. This cement slurry has good mobility，API flter loss less than 50 mL, right-angle thickening curve, and SPN less than 1. The set cement has good high temperature stability, high bond strength, and high shock resistance. Cement slurry with density of 1.92 g/cm3, after aging at 190 ℃ and 21MPa for 30 h, has strength (measured with ultrasonic wave method) gradually stabilized, and interface (between casing string and cement sheath) bond strength of 12.6 MPa. Compared with conventional cement slurry, the elastic modulus of the set cement has been reduced by 52%, and the shock resistance increased by 188%. Striking the set cement with Hopkinson bar has only left several pieces of fractures that do not penetrate the set cement. This cement slurry has been successfully used in the cementing of the well Shunnan5-2 and well Shunnan6, overcoming the diffculties encountered in ultra-deep gas well cementing.

Key wordsLatex; Nano liquid silica; High temperature resistant; Anti-gas migration; Well cementing

中圖分類號：TE256.6

文獻標識碼：A

文章編號：1001-5620（2016）03-0067-06

doi:10.3696/j.issn.1001-5620.2016.03.014

基金項目：國家科技重大專項課題“大型油氣田及煤層氣開發(fā)”（2011ZX05049-02）。

第一作者簡介：高元，工程師，碩士，1986年生，畢業(yè)于中國石油大學（華東）油氣田開發(fā)工程專業(yè)，現在從事固井水泥漿體系與固井工藝方面的研究工作。電話（010）84988358；E-mail：gy2431@126.com。

收稿日期（2016-1-19；HGF=1603M4；編輯馬倩蕓）