建筑水泥設計一次上返低密度防漏水泥漿體系室內(nèi)研究

路　寧，王文斌，羅麗霞

（1.低滲透國家工程實驗室，陜西西安710018；2.川慶鉆探鉆采工程技術(shù)研究院，陜西西安710018）

建筑水泥設計一次上返低密度防漏水泥漿體系室內(nèi)研究

路寧*1，2，王文斌1，2，羅麗霞1，2

（1.低滲透國家工程實驗室，陜西西安710018；2.川慶鉆探鉆采工程技術(shù)研究院，陜西西安710018）

針對長慶油田吳起、定邊區(qū)塊一次上返固井過程中易發(fā)生漏失造成水泥返高不夠或低密度水泥封固段固井質(zhì)量差的問題，研究開發(fā)防漏低成本膠凝材料建筑水泥、減輕材料和低密度水泥漿體系，形成適合吳定區(qū)塊一次上返固井施工要求的低密度防漏失水泥漿體系。通過大量室內(nèi)試驗研究，用建筑水泥與人造微珠、輕珠配制低密度水泥漿；密度1.15g/cm3的水泥石抗壓強度大于6.0MPa/7d （40℃）；同時研究完成改進型低溫早強劑GQD-2配方；研究完成A級水泥配制低密度水泥漿配方；完成建筑水泥、A級、G級水泥配制低密度水泥漿抗壓強度對比實驗。實驗結(jié)果表明，建筑水泥配制低密度低成本水泥石抗壓強度7d大于6MPa，滿足現(xiàn)場施工要求；改進后的低溫水泥早強劑GQD-2水泥石抗壓強度提高；A級油井水泥石滿足低密度水泥石抗壓強度的要求。

建筑水泥；減輕材料；低密度；低溫早強；抗壓強度；稠化時間

長慶油田吳起、定邊區(qū)塊地層結(jié)構(gòu)松散，壓力低易形成漏層。尤其是洛河層，鉆進過程中易發(fā)生大型漏失，其漏失特點是漏層裂縫發(fā)育、漏失層位地層壓力低，同時伴有活躍的地層水。發(fā)生井漏后井筒內(nèi)缺失水泥段長達800～1000m，難以保證井筒內(nèi)水泥環(huán)的完整，固井施工存在返高不夠（吳定區(qū)塊40%的井返高不夠）。同時分級固井已不能完全滿足目前完井施工的需要，目前低密度水泥漿，一次上返固井液柱壓力超過地層破裂壓力導致漏失現(xiàn)象時常發(fā)生，因此，迫切需要進行固井過程中的防漏水泥漿體系及相關(guān)施工工藝的研究。國內(nèi)外進行低密度水泥漿研究分為：①填充空心漂珠；②充填泡沫形成泡沫水泥漿；③充填空心玻璃微珠；④人造微珠；⑤緊密堆積低密高強水泥漿體系［1-2］。研究需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題：根據(jù)吳定區(qū)塊地層漏失特性，進行水泥漿減輕材料優(yōu)選及評價試驗，設計密度1.15 g/cm3的防漏水泥漿體系，在溫度40℃條件下抗壓強度大于6.0MPa。解決吳定區(qū)塊低密度水泥封固段返高不夠和固井質(zhì)量差的技術(shù)難題。

研發(fā)“防滲漏”和“減輕”2種不同特性集成為一體的水泥復合減輕劑，形成新型低密度防滲漏水泥漿體系。復合減輕劑產(chǎn)生一定的膨脹壓力，增大水泥漿在井壁與套管掛壁的摩阻，從而降低了環(huán)空壓力，對漏失有明顯的減緩和阻止的作用。水泥漿密度范圍1.15～1.35g/cm3，水泥漿體系穩(wěn)定、析水小、抗壓強度高，適用于低壓易漏地層固井，自身膨脹、降低地層壓力增強體系防漏失能力。地層承壓能力1.25～1.30g/cm3時，經(jīng)過理論計算，防漏水泥漿提高地層承壓能力，水泥漿密度可達到1.40g/cm3，現(xiàn)場使用密度1.25g/cm3的水泥漿可以返到地面。防漏失水泥漿復合減輕劑在長慶儲氣庫井榆37-2H井、靖平22-4-1井、G34-021井和其它井上現(xiàn)場施工上百口井。解決了低壓易漏地層一次上返固井質(zhì)量問題，固井質(zhì)量合格率達到100%。現(xiàn)在用建筑水泥代替G級水泥能達到同樣的防漏失提高固井質(zhì)量的目的。

1　實驗原料選擇及評價實驗

選擇525#建筑水泥（添加抗硫酸鹽腐蝕劑）、減輕材料輕珠（珍珠巖）、體系穩(wěn)定材料為低密度水泥漿基礎材料，優(yōu)選性能更優(yōu)的新減輕材料（人造微珠）輔配使用，優(yōu)選性能優(yōu)良的早強劑，配制低密度水泥漿體系。人造微珠具有良好的耐壓性能，且密度可控，具有更好的應用適應性?？招奈⒅槭且詨A石灰硼硅酸鹽玻璃為主要基質(zhì)材料的空心微球，通過人工控制加氣量、粒度、壁厚等控制其密度，具有質(zhì)輕、空心、導熱系數(shù)小、抗壓強度高、密度可控等特點［3］。

建筑水泥性能評價試驗：選擇525#建筑水泥做稠化時間、抗壓強度、析水試驗。稠化時間：建筑水泥700g，水灰比：0.46，密度1.85g/cm3；實驗條件：52℃、28min、36.5MPa，初稠：25Bc，稠化時間：100min。稠化曲線見圖 1。抗壓強度（38℃）：12.8MPa/8h，30.8MPa/24h，30.8MPa/48h，抗 壓 強 度（60℃）：10.3MPa/8h，33.8MPa/24h，35.8MPa/48h，析水率：0；實驗結(jié)果表明，525#建筑水泥（改性后）符合油井水泥固井要求。

圖1　建筑水泥性能評價試驗稠化曲線

建筑水泥耐溫性能實驗：水泥漿配方：建筑水泥∶粉煤灰=95∶5+2%降失水劑GSJ+0.2%USZ+0.05%消泡劑GXP；水灰比：0.46，密度 1.83g/cm3；70℃/24h抗壓強度：30.6MPa，70℃/48h抗壓強度：32.0MPa，70℃/72h抗壓強度：33.0MPa，70℃/7d抗壓強度：22.7MPa。隨養(yǎng)護時間延長，抗壓強度有降低趨勢。水泥漿流動性能實驗：常壓稠化儀70℃條件下攪拌25min稠度達到40BC。常壓稠化儀60℃條件下攪拌20min稠度達到35BC。這說明建筑水泥耐溫性能小于60℃條件。試驗結(jié)果表明：建筑水泥在60℃以上流動性變差，抗壓強度有降低趨勢，因此建筑水泥可以使用在60℃以下的油井上。

研究思路：為了降低固井成本，用建筑水泥代替油井水泥，用減輕材料和穩(wěn)定材料設計強度滿足要求的低密度水泥漿體系，解決油井低壓漏失段固井質(zhì)量問題。

2　建筑水泥配制低密度水泥漿試驗研究

用新減輕材料T45、T60（人造微珠）和低成本輕珠設計低密度水泥漿，抗壓強度評價優(yōu)選實驗數(shù)據(jù)見表1。

表1　減輕材料評價優(yōu)選實驗數(shù)據(jù)表

試驗結(jié)果表明：密度設計1.15g/cm3的水泥漿，水灰比選擇0.9比較合適。密度1.15 g/cm3的水泥漿最后確定配方是：建筑水泥∶輕珠∶WG∶CX∶T46=55∶27∶5∶5∶8+GQD-2 3%，48h、24×7h抗壓強度分別為5.0MPa、7.0MPa（40℃）。稠化時間165min（40℃、25min、20MPa）。

水泥漿耐溫性能試驗：水泥漿配方，525#建筑水泥：GJQ=70∶30+GSJ2.5%，水灰比0.9，密度1.29g/cm3。50℃條件下API失水，16mL/30min/6.9MPa；50℃稠化實驗，初稠：17BC，稠化時間：170min（50℃/25min/25MPa），稠化曲線見圖2；抗壓強度，實驗條件：50℃/0.1MPa，24h：4.8MPa，48h：6.8MPa，72h：11.2MPa，7d∶12.0MPa。

60℃條件下稠化時間，實驗條件：60℃/30min/30MPa，初稠：15BC，稠化時間：145min，稠化曲線見圖3。60℃條件下抗壓強度，實驗條件：60℃/0.1MPa，24h：6.3MPa，48h：8.1MPa，72h：8.4MPa，7d：8.4MPa。

圖2　密度1.29 g/cm3低密度低失水水泥漿50℃條件下稠化曲線

圖3　密度1.29 g/cm3低密度低失水水泥漿60℃條件下稠化曲線

70℃稠化實驗：初稠：15BC，稠化時間：130min （70℃/35min/35MPa）；70℃抗壓強度：24h：8.0MPa，48h：9.8MPa，72h：10.8MPa，7d：9.5MPa。

3　低溫早強劑GQD-2配方試驗研究

用硅酸鹽、碳酸鹽等無機鹽、有機物等復配早強劑GQD-2［4］；在40℃溫度下設計密度1.75g/cm3、密度1.28g/cm3的低密度水泥漿，評價早強劑性能，復配出低溫低密度水泥早強劑GQD-2。

4　A級水泥配制低密度水泥漿

A級水泥是一種相對粗磨的油井水泥，通常在無特殊性能要求循環(huán)溫度低于45℃的淺井中使用；G級油井水泥加促凝劑或緩凝劑，可在各種井深與溫度范圍內(nèi)使用［5］。由于現(xiàn)場生產(chǎn)用A級水泥進行油井表層固井，因此用A級水泥配制低密度水泥漿，減低固井成本。

水泥漿配方：A級水泥∶輕珠=70∶30+微硅5%+ GQD-2 2%+KSJ 0.1%+GSJ3%，水灰比1.0，密度1.22g/cm3，40℃抗壓強度：48h：5.0 MPa，7d：6.2 MPa；失水35mL（30min/6.9MPa/60℃）；稠化時間180min （60℃/30min/30MP a）。稠化曲線見圖4。65℃條件下稠化實驗，稠化時間：165min（65℃/35min/35MPa）。

5　建筑水泥、G級、A級水泥抗壓強度對比實驗

圖4　A級水泥配置密度1.22 g/cm3水泥漿稠化曲線

建筑水泥配制2種低密度水泥漿體系，A級、G級水泥配制低密度水泥漿體系，進行抗壓強度對比實驗。實驗結(jié)果見表2。

實驗結(jié)果表明：水泥石抗壓強度建筑水泥＞A級＞G級；建筑水泥配制的低密度水泥漿抗壓強度高于A級和G級水泥漿。

6　結(jié)論與認識

（1）建筑水泥初稠較高，在40℃條件下抗壓強度高于G級油井水泥，60℃以上耐溫性能差（流變性變差），70℃條件下后期抗壓強度有減小的趨勢，它適合配制低密度水泥漿體系（使用溫度50℃），滿足定吳油田一次上返固井技術(shù)要求。

（2）用建筑水泥、新的減輕料設計密度1.15g/cm3的水泥漿，7d抗壓強度大于7MPa。用建筑水泥、輕珠減輕劑設計密度1.15g/cm3的低密度低成本水泥石抗壓強度7d大于6MPa，滿足現(xiàn)場施工要求。改進后的低溫低密度水泥早強劑GQD-2，抗壓強度提高。A級油井水泥石抗壓強度小于建筑水泥石抗壓強度，但滿足低密度水泥石抗壓強度的要求。

表2　各種體系配方和抗壓強度試驗對比表

［1］路寧，陳興中.低密高強水泥漿固井技術(shù)研究［C］//石油天然氣高效開采國際學術(shù)研討會論文選編，2003.

［2］袁孟嘉，雷桐，路寧，等.長慶天然氣欠平衡鉆井低密度高強水泥漿固井技術(shù)研究應用［J］.天然氣工業(yè)，2002（6）.

［3］馬春旭，等.人造微珠低密度水泥漿的研究與應用［J］.鉆井液與完井液，2014，31（2）：63.

［4］徐璧華，等.深水低溫早強水泥漿體系的研究［C］//2010年固井技術(shù)研討會論文集.

［5］劉崇建，等.油氣井注水泥理論與應用［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2001：43-45.

TE2

A

1004-5716（2016）09-0059-04

2015-09-17

2015-09-29

路寧（1961-），男（漢族），甘肅鎮(zhèn)原人，工程師，現(xiàn)從事固井技術(shù)研究工作。