巨厚鹽膏層固井用過飽和氯化鉀水泥漿

楊培龍，許明標(biāo)，王　雷　程　爽，王曉亮

（1.中國海油伊拉克有限公司，北京100010；2. 非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢430100）

巨厚鹽膏層固井用過飽和氯化鉀水泥漿

楊培龍1，許明標(biāo)2，王雷1程爽1，王曉亮2

（1.中國海油伊拉克有限公司，北京100010；2. 非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢430100）

楊培龍等.巨厚鹽膏層固井用過飽和氯化鉀水泥漿［J］.鉆井液與完井液，2016，33（5）：.

為提高巨厚鹽膏層固井質(zhì)量，解決固井過程中的鹽溶問題，提出利用過飽和氯化鉀溶液（相當(dāng)于38%鹽濃度氯化鉀溶液）配制水泥漿，通過優(yōu)選抗鹽降失水劑CG80S、增強防竄劑GS12L以及非滲透劑BX-80等材料，構(gòu)建了一套過飽和氯化鉀水泥漿體系。室內(nèi)對過飽和氯化鉀水泥漿體系的物理性能、抗污染性能以及界面膠結(jié)性能進(jìn)行了評價研究。實驗結(jié)果表明，過飽和氯化鉀固井水泥漿體系稠化時間以及失水量可控；68 ℃、24 h養(yǎng)護(hù)抗壓強度大于15 MPa，混入5%的石膏、芒硝或頁巖巖屑均不會對水泥漿的性能產(chǎn)生較大的影響，界面膠結(jié)實驗顯示該水泥漿能夠顯著提高水泥漿與鹽巖地層的膠結(jié)質(zhì)量，能夠保障巨厚鹽膏層一、二界面的膠結(jié)質(zhì)量。

巨厚鹽膏層；固井；過飽和氯化鉀；過飽和鹽水水泥漿

鹽膏層固井成功的關(guān)鍵是讓注入環(huán)空的水泥漿與鹽層間較快地形成平衡，避免因鹽巖層溶解、堿金屬運移而造成水泥漿凝固時間改變、強度降低、水泥與鹽層間的膠結(jié)變差等現(xiàn)象的發(fā)生。如何使水泥漿與巨厚鹽巖層間快速形成平衡，是設(shè)計固井水泥漿的關(guān)鍵。通過文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，氯化鉀水泥漿體系在抑制鹽巖層的溶解以及石膏、芒硝、頁巖等污染時有顯著的效果，且其效果隨氯化鉀鹽水濃度的增加愈加顯著［1-2］。一方面，氯化鉀具有良好的黏土膨脹抑制性，能夠防止含有泥頁巖鹽膏層發(fā)生膨脹而造成井徑縮小或失穩(wěn)；另一方面，過飽和氯化鉀溶液易使近井筒地帶地層發(fā)生脫水，孔隙壓力降低，有利于增加地層強度和近井筒的有效應(yīng)力［3-4］。構(gòu)建一套過飽和氯化鉀水泥漿體系是提高巨厚鹽膏層固井質(zhì)量的關(guān)鍵。室內(nèi)對過飽和氯化鉀水泥漿體系的性能進(jìn)行了評價研究，發(fā)現(xiàn)該水泥漿體系不僅有利于提高巨厚鹽膏層油氣井的固井質(zhì)量，在鉀鹽礦藏的勘探開采過程中也具有廣闊的應(yīng)用空間。

1　水泥漿配方設(shè)計

1.1設(shè)計原理

過飽和氯化鉀水泥漿體系應(yīng)用于巨厚鹽膏層固井面臨著諸多問題，最為突出的是高鹽濃度下水泥石強度發(fā)展緩慢、難以固化的現(xiàn)象。筆者認(rèn)為構(gòu)建過飽和氯化鉀水泥漿體系應(yīng)從以下3個方面著手。

1）使用四元共聚物降失水劑CG80S來控制水泥漿失水量。CG80S為含有磺化基團(tuán)的高分子量聚合物，其在過飽和鹽水中能夠自由伸展而不受壓縮，所以能夠控制水泥漿黏度和失水量，同時該降失水劑具有良好的熱穩(wěn)定性，在0～150 ℃范圍內(nèi)不會發(fā)生分解而產(chǎn)生緩凝問題。CG80S有助于過飽和氯化鉀水泥漿漿體保持良好的均勻穩(wěn)定性。

2）使用增強劑GS12L提高水泥石強度。GS12L為無定形、活性的二氧化硅微粒通過特殊的處理工藝與水混合形成的懸濁液；其平均顆粒粒徑為0.2 μm，比表面積高達(dá)21 m2/g，具有極強的表面活性。增強劑GS12L加入水泥漿中，能束縛水泥漿中的間隙水，與Ca（OH）2反應(yīng)生成C—S—H凝膠，加快水泥漿的凝固，降低水泥石的滲透率，使水泥石較快地形成強度。

3）使用非滲透劑BX-80降低水泥石滲透率，提高水泥石強度。BX-80為納米有機材料，其含有獨特的小分子，其與水分子反應(yīng)生成的韌性薄膜迅速包裹水泥顆粒，這層薄膜具有優(yōu)異的彈性和拉伸強度，能夠防止水泥本體固化過程中因收縮而產(chǎn)生微裂隙。另外，納米材料良好的分散性和填充效果能夠提高水泥石致密性，進(jìn)而提高水泥石早期強度。

1.2水泥漿配方

以M油田鹽膏層固井為例。M油田上部地層以鹽膏層為主，埋深2 500 m左右，厚度在800 m左右，屬典型的巨厚鹽膏層。在固井時需針對封固地層設(shè)計相應(yīng)的水泥漿密度，以期達(dá)到最佳封固效果。考慮到巨厚鹽膏層固井時，為保障水泥漿安全泵送，根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)要求，水泥漿68 ℃的稠化時間控制在200～240 min。室內(nèi)配方設(shè)計時通過適當(dāng)?shù)卦鰷p緩凝劑H21L加量來控制水泥漿的稠化時間，適當(dāng)增減赤鐵礦CDX加量以及混合水比例，確定了水泥漿配方，如表1所示。

表1　水泥漿配方

2　水泥漿性能評價

2.1物理性能

室內(nèi)對不同密度過飽和氯化鉀水泥漿配方的物理性能進(jìn)行了綜合評估，結(jié)果如表2所示。

表2　過飽和氯化鉀水泥漿的性能

由表2可知，不同密度過飽和氯化鉀水泥漿均具有較高的抗壓強度，24 h抗壓強度大于15 MPa，API失水量能夠控制在50 mL內(nèi)，稠化時間可控；隨水泥漿密度的升高水泥漿的流變讀數(shù)略有增大，這與水泥漿中固相含量增大有關(guān)，而水泥漿自由水以及漿體沉降穩(wěn)定性變化較小，均能夠得到較好地控制。綜合可見，不同密度水泥漿配方均具有良好的物理性能，能夠滿足巨厚鹽膏層固井作業(yè)需要。

2.2抗污染性能

巨厚鹽膏層中鹽層厚度較大，且多為復(fù)合鹽層。鹽層中常含有鉀鹽、鈉鹽、石膏、芒硝以及粉質(zhì)泥頁巖［5］。部分復(fù)合鹽巖地層存在較強的不穩(wěn)定性，易出現(xiàn)井眼縮徑、坍塌的現(xiàn)象。針對這類地層封固，水泥漿需要具有良好的抗污染能力。室內(nèi)對混入5%氯化鈉、石膏、芒硝、頁巖巖屑等固體顆粒的過飽和氯化鉀水泥漿性能進(jìn)行了評價，結(jié)果見表3。

表3　過飽和氯化鉀水泥漿抗污染性能評價

從表3可以看出，該水泥漿中混入5%氯化鈉后水泥石強度下降比例為3.6%，稠化時間延長了21 min，整體變化幅度不大，可以看作5%氯化鈉混入水泥漿中影響較輕微；通過2#配方污染前后性能對比分析可知，5%石膏、芒硝混入水泥漿后，水泥漿稠化時間出現(xiàn)縮短趨勢，水泥石的抗壓強度和流變讀數(shù)出現(xiàn)略微增大的現(xiàn)象，但總體影響較小；通過對比分析5%頁巖巖屑混入前后水泥漿性能數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，頁巖巖屑對水泥漿性能影響較大，污染后水泥石強度下降了近15%，而水泥漿的稠化時間延長了41 min，這可能與頁巖巖屑本身強度較低，且不能很好地在水泥漿中分散有關(guān)。綜合分析可知，過飽和氯化鉀水泥漿體系的抗污染性能較好。值得注意的是，在確定要封固的巨厚鹽膏層中含有頁巖時，需要適當(dāng)提高水泥漿抗壓強度，保證即使有巖屑混入水泥漿也能具有較高強度。

2.3膠結(jié)性能

室內(nèi)以7#淡水水泥漿配方和8#半飽和鹽水水泥漿配方作為參照，與2#配方的膠結(jié)性能進(jìn)行對比，結(jié)果如表4所示。由表4可以看出，與一界面膠結(jié)質(zhì)量最佳者為淡水水泥漿，半飽和鹽水水泥漿和過飽和氯化鉀水泥漿與一界面的膠結(jié)強度相差不大，相對而言2#配方性能略強；與二界面的膠結(jié)質(zhì)量最佳者為過飽和氯化鉀水泥漿，其拉伸強度較半飽和鹽水水泥漿提高了9.7%，相對淡水水泥漿提高了37%，其拉伸強度較半飽和鹽水水泥漿提高了10%，相對淡水水泥漿提高了19%。綜合評價可知，過飽和氯化鉀水泥漿能夠顯著提高鹽膏層二界面的膠結(jié)質(zhì)量。

表4　水泥漿體系與一、二界面的膠結(jié)強度對比

3　現(xiàn)場應(yīng)用

3.1工程概況

GJ-2井為勘探井，其鉆探目的為勘探深層鹵水層，了解鹵水層巖性、物性與厚度，求取鹵水儲量資源評價所需參數(shù)。該井完鉆井深為3 681 m。在用密度為2.27 g/cm3鉆井液鉆至井深3 581.4 m時，鉆遇高壓鹵水層發(fā)生嚴(yán)重溢流，在處理事故過程中又發(fā)生了卡鉆、鉆具內(nèi)鹽結(jié)晶堵水眼等故障。經(jīng)過專家組討論決定將鉆井液密度提高至2.30 g/cm3，搶鉆至井深3 600 m提前完鉆，迅速組織實施尾管固井作業(yè)。為保證現(xiàn)場固井作業(yè)安全有效實施，研究決定使用新研制的2.40 g/cm3過飽和氯化鉀水泥漿體系進(jìn)行現(xiàn)場固井作業(yè)。

3.2水泥漿材料用量與性能

固井方式：懸掛尾管固井，封固段長388 m（3 212～3 600 m，上部井段重疊段長200 m），上部套管裸眼段井徑φ165.1 mm，尾管直徑為φ127 mm，裸眼段平均井眼擴大率為47.8%，實際設(shè)計按照60%附加量準(zhǔn)備水泥漿。 理論計算現(xiàn)場共需要水泥漿9.7 m3，實際按照15 m3水泥漿準(zhǔn)備，共使用10 t G級水泥、10 t 淡水、0.50 t CG80S、2 t GS12L、0.15 t BX-80、0.05 t EXP-1、0.10 t H21L、3.60 t 氯化鉀、15 t CDX。

為實現(xiàn)配方中氯化鉀過飽和要求，現(xiàn)場采用氯化鉀飽和溶液配制水泥漿，在混拌水泥灰的過程中同時加入1%的固體氯化鉀顆粒（BWOC）。

現(xiàn)場作業(yè)工程中采用雙凝水泥漿設(shè)計，領(lǐng)漿密度為2.35 g/cm3，稠化時間為260 min，尾漿稠化時間為147 min。領(lǐng)漿保持較長的稠化時間，有利于上部漿柱的液柱壓力順利向下傳導(dǎo)，有助于短稠化時間尾漿快速固化壓穩(wěn)裸眼段高壓鹽水地層，確保底部裸眼段固井質(zhì)量。

表5　現(xiàn)場水泥漿物理性能

4　結(jié)論

1.過飽和氯化鉀水泥漿體系具有良好的物理性能，能夠滿足巨厚鹽膏層固井需要。

2. 5%的氯化鈉、石膏、芒硝均不會對水泥漿的性能產(chǎn)生較大影響，5%頁巖巖屑混入會延長水泥漿稠化時間，降低水泥石強度，所以當(dāng)?shù)貙雍许搸r時，需要適當(dāng)提高水泥漿抗壓強度。

3.通過對比發(fā)現(xiàn)，淡水水泥漿與一界面的膠結(jié)強度最高，過飽和氯化鉀鹽水水泥漿與二界面的膠結(jié)強度最高。

4.密度為2.40 g/cm3的過飽和鹽水氯化鉀水泥漿在GJ-2井應(yīng)用成功，說明該水泥漿體系針對巨厚鹽膏層以及含鉀石巖以及含石巖、石膏以及芒硝的粉質(zhì)泥巖地層固井具有推廣應(yīng)用的空間。

［1］陳良，彭博，黃敏.聚合物氯化鉀水泥漿體系性能評價及應(yīng)用研究［J］.長江大學(xué)學(xué)報（自然版），2015，12（25）：14-16，57.

CHEN Liang，PENG Bo，HUANG Min. Performance evaluation and application study of polymer potassium chloride cement slurry system［J］. Journal of Yangtze University（Natural Science Edition），2015，12（25）：14-16，57.

［2］周明明.適用于巨厚鹽膏層的高密度水泥漿體系研究［D］.武漢：長江大學(xué)，2013.

ZHOU Mingming. Research on high density cement slurry system apply to thick salt-gypsum［D］.Wu Han： Yangtze University，2013.

［3］彭雷，許明標(biāo).鹽膏層固井用抗溫抗鹽低濾失聚合物鹽水水泥漿體系研究［J］.石油天然氣學(xué)報（江漢石油學(xué)院學(xué)報），2008，30（25）：550-552.

PENG Lei，XU Mingbiao. Study on the anti - temperature and salt - resistant low loss polymer salt water cement slurry system for cementing in Salt-gypsum［J］. Journal of Oil and Gas Technology，2008，30（25）：550-552.

［4］顧君.含鹽水泥漿體系的室內(nèi)評價和現(xiàn)場試驗［J］.油田化學(xué)，2002，19（1）：19-20.

GU Jun. Laboratory evaluation and field trial uses of salt tolerant cementing slurry for high sal inity wells［J］. Oilfield Chemistry，2002，19（1）：19-20.

［5］侯殿波.深井鹽膏層固井水泥漿體系研究與應(yīng)用［J］.石油鉆探技術(shù)，2004，32（3）：18-19.

HOU Dianbo. Research and applications of cement slurries for salt-gypsum beds in deep wells［J］. Petroleum Drilling Techniques，2004，32（3）：18-19.

［6］齊奉忠，袁進(jìn)平.鹽層固井技術(shù)探討［J］.西部探礦工程，2005，10：58-60.

QI Fengzhong，YUAN Jinping. Investigate of cementing technology in the salt bed［J］. West-china Exploration Engineering，2005，10：58-60.

［7］SIM?O C A， MIRANDA C R， VARGAS A A， et al. Cementing in front of soluble salt zones［J］. SPE 145719，2012.

［8］MUECKE，B N. Heated mud systems: a solution to squeezing-salt problems［J］.SPE Drilling & Completion，SPE 25762-PA，1994， 9（4）：276-280.

［9］HUNTER BILL，TAHMOURPOUR FARZAD，F(xiàn)AUL RONNIE. Cementing casing strings across salt zones: an overview of global best practices［J］. SPE 122079，2009.

Oversaturated Potassium Chloride Cement Slurry for Cementing Boreholes Penetrating Thick Salt and Gypsum Formations

YANG Peilong1， XU Mingbiao2， WANG Lei1， CHENG Shuang1， WANG Xiaoliang2
（1. CNOOC Iraq Limited， Beijing 100010；2. Hubei Cooperative Innovation Center of Unconventional Oil and Gas， Wuhan， Hubei 430100）

To improve the job quality of cementing the borehole penetrating thick salt and gypsum formations， an over-saturated potassium chloride solution （contains 38% KCl） was used in formulating a cement slurry， in an effort to avoid rock salt dissolution during well cementing. The over-saturated KCl cement slurry formulated was treated with a salt-resistant filter loss reducer CG80S， an enhanced anti-channeling agent GS12L， and a non-penetrating agent BX-80. Laboratory evaluation showed that the over-saturated KCl cement slurry had controllable thickening time and filter loss. The compressive strength of the set cement， after aging for 24 h at 68℃， was greater than 15 MPa. When contaminated by 5% gypsum， Glauber’s salt or shale cuttings， the properties of the cement slurry did not change noticeably. Laboratory experiments also showed that the bond of the cement slurry and the salt formations improved remarkably， indicating that the quality of the bond between the cement sheath and the casing string， and the bond between the cement sheath and the formations can both be guaranteed.

Thick salt and gypsum formations； Well cementing； Over-saturated potassium chloride； Over-saturated saltwater cement slurryResearch of thick salt layer cementing supersaturated potassium chloride cement slurry system

TE256

A

1001-5620（2016）05-0001-03

10.3696/j.issn.1001-5620.2016.05.00

國家科技重大專項課題“海洋深水油氣田開發(fā)工程技術(shù)（二期）”子課題“深水鉆井特殊環(huán)境水泥漿體系研究”（2011ZX05026-001-03）。

楊培龍，工程師，1985年生，2007年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（北京）石油工程專業(yè)，現(xiàn)為中國海油伊拉克有限公司鉆井部設(shè)計主管，主要從事油氣田鉆井技術(shù)工作。電話 18602240733；E-mail：yangpl@cnoociraq.com。

（2016-7-15；HGF=1604M7；編輯馬倩蕓）