鹽膏層高密度固井水泥漿性能研究

王 波，侯云翌，張文哲，鄧琳納，遲立賓.

(1.陜西延長石油(集團)有限責(zé)任公司研究院，陜西西安 710075；2.延長油田股份有限公司勘探開發(fā)技術(shù)研究中心(延安分院)，陜西延安 716009；3.中國石油集團東南亞管道有限公司，北京 100028)

鹽膏層高密度固井水泥漿性能研究

王 波1,2，侯云翌1,2，張文哲1，鄧琳納3，遲立賓1,2.*

(1.陜西延長石油(集團)有限責(zé)任公司研究院，陜西西安 710075；2.延長油田股份有限公司勘探開發(fā)技術(shù)研究中心(延安分院)，陜西延安 716009；3.中國石油集團東南亞管道有限公司，北京 100028)

目前鉆井中常遇到鹽膏地層，而常規(guī)固井水泥漿性能受鹽膏層影響較大。水泥石與地層膠結(jié)質(zhì)量差，影響固井質(zhì)量。通過試驗，對一種密度為2.0 g/cm3的鹽膏層固井水泥漿的常規(guī)性能、抗溫能力、抗鹽能力、稠化時間及抗壓強度進行了研究。結(jié)果表明，該水泥漿常規(guī)性能優(yōu)異，當(dāng)溫度低于130 ℃時具有較好的基本性能和較合適的稠化時間及水泥石抗壓強度；受鹽、鈣侵影響較小，抗鹽達到20%以上。結(jié)合試驗結(jié)果分析鹽、鈣對該水泥漿影響的原因，結(jié)果表明，該高密度鹽膏層固井水泥漿具有較好的抗溫能力，受NaCl、CaSO4影響小，適用于鹽膏層的固井施工并具有良好的固井質(zhì)量。

水泥漿；鹽膏層；抗溫能力；稠化時間；抗壓強度

鹽膏層是巖鹽地層和膏鹽地層的統(tǒng)稱。鹽膏層的可流動性對固井質(zhì)量的影響程度比鹽膏層擴徑對固井質(zhì)量的影響要大，鹽膏層在較小壓差下的流動速度取決于鹽膏層所含的雜質(zhì)、溫度、上覆巖層壓力、顆粒尺寸、含水量和含氣量[1-2]。鹽膏層固井技術(shù)一直是固井作業(yè)中公認的難題，經(jīng)過多年科學(xué)研究，仍未能從根本上解決。鹽膏層存在于我國的許多油田區(qū)塊，如我國華北油田、中原油田、勝利油田、河南油田、江蘇油田、江漢盆地、四川盆地、塔里木盆地和柴達木盆地等地區(qū)分布著深部較厚的鹽膏層，主要分布在二疊系、三疊系、第三系、石炭系、寒武系、白呈系。國外的鹽膏層主要分布在二疊系、第三系、侏羅系、石炭系[3-4]。

1 鹽膏層固井作業(yè)中存在的問題

鹽膏層的性質(zhì)決定了它在鉆井過程中所產(chǎn)生的問題，如：①鹽巖層的蠕變流動和塑性變形會造成井徑擴大或縮??；②在鉆穿鹽膏層尤其是復(fù)合鹽膏地層時，鹽層易溶解、坍塌，從而影響鉆井液及固井水泥漿的性能，造成固井質(zhì)量差；③鹽膏層覆蓋下，存在異常壓力帶形成非均勻載荷而導(dǎo)致套管變形和擠毀[5]。

常規(guī)水泥漿在鹽膏層固井過程中極易發(fā)生鹽侵鈣侵現(xiàn)象，主要表現(xiàn)在：①注水泥階段，由于濃差效應(yīng)，地層水中離子進入水泥漿造成增稠或膠凝，或者水泥漿中水進入地層造成地層膨脹、井徑縮小；②普通水泥漿受鹽膏層蠕變影響嚴重，造成水泥石與地層膠結(jié)質(zhì)量差，嚴重影響固井質(zhì)量及后期作業(yè)；③鹽膏層地層水中電解質(zhì)含量高，易腐蝕一般水泥石、甚至腐蝕套管，從而造成事故[6]。

因此，國內(nèi)外固井服務(wù)公司及科研單位對鹽膏層固井水泥漿進行了大量研究，從抗鹽水泥漿到鹽水水泥漿，形成了一系列不同性能指標(biāo)、滿足作業(yè)要求的水泥漿體系[7]。隨著研究深入，鹽膏層水泥漿也在不斷地發(fā)展和進步，建立一套針對鹽膏層過飽和高密度固井水泥漿體系是非常有必要的。該體系要求水泥漿具有優(yōu)異的抗鹽和抗鈣侵能力，具有較高強度和膠結(jié)性能，能有效避免對厚壁套管的侵蝕，延長油氣井使用壽命，保證復(fù)雜鹽膏層井段套管地層的有效封固，固井效果好[8]，解決常規(guī)水泥漿在復(fù)雜鹽膏層施工時不耐腐蝕、膠結(jié)性能差、膠凝強度緩慢、早期強度低、不能有效抵御因鹽層地層蠕變引起的外擠力導(dǎo)致厚壁套管變形等問題[9]。

2 室內(nèi)試驗

2.1 固井水泥漿組成

高密度鹽膏層固井水泥漿以NaCl飽和水為基礎(chǔ)，分別加入G級油井水泥以及抗鹽降失水劑、緩凝劑、分散劑、消泡劑、膨脹劑、增強劑等水泥外加劑，用加重劑加重至密度為2.0 g/cm3。配置高密度鹽膏層水泥漿的配方為：100%G級油井水泥+50%淡水+15%抗鹽降濾失劑+22%NaCl+0.8%分散劑+0.6%緩凝劑+0.5%消泡劑+1%膨脹劑+12%新型增韌劑+12%加重劑?？果}降失水劑是一種由AMPS多元復(fù)合的抗溫抗鹽的固井水泥降失水劑；新型增韌也是一種聚合物，具有增強水泥石強度的作用；分散劑具有良好的抗溫抗鹽能力，能改善水泥漿的流變性及重晶石的分散效果[10]。

2.2 試驗儀器

本試驗用到的儀器主要有：常壓稠化儀、高溫高壓稠化儀、六速旋轉(zhuǎn)黏度計、試模和抗壓強度試驗機、高溫高壓失水儀、攪拌器、鉆井液密度計、水浴鍋、天平、量筒。

2.3 試驗方法

水泥漿的配置與性能評價均按照API標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進行。在配置過程中按配方的水灰比及配方加料順序依次加入并充分攪拌混合均勻，最后加重晶石調(diào)節(jié)密度為2.0 g/cm3，然后在常壓稠化儀中養(yǎng)護。試驗測定配置好的水泥漿的流變性、失水量、稠化性能及稠化時間及抗壓強度，評價高密度鹽膏層固井水泥漿的性能。

3 結(jié)果與討論

3.1 水泥漿常規(guī)性能

固井水泥漿良好的流變性、較小的失水量、稠化時間及強度是影響固井質(zhì)量的重要因素，紊流狀態(tài)下的水泥漿能夠有效填充環(huán)空間的間隙，提高頂替效率，因此就要求水泥漿具有較好的流變性。較少的失水量是水泥漿性能穩(wěn)定的前提，特別在鹽膏層地層中，有效控制失水既是水泥漿性能穩(wěn)定的保證，又是保持地層穩(wěn)定的關(guān)鍵。通過測試該高密度鹽膏層固井水泥漿在25 ℃和90 ℃的基本性能，來評價其性能，結(jié)果見表1。

表1 高密度鹽膏層水泥漿常規(guī)性能Table 1 The routine performance of high density salt layer paste slurry

表1中高溫高壓失水試驗在7 MPa、30 min條件下測定，稠化試驗在不同溫度、45 MPa養(yǎng)護中測定，水泥石強度試驗在不同溫度、21 MPa養(yǎng)護24 h后測定，下同。由表1中測試結(jié)果可知，該抗鹽膏層固井水泥漿在低溫(≤90 ℃)下具有較好的流變性，動塑比適中，能保證較好的頂替效率；高溫高壓失水較低，有效抑制水進入鹽膏層影響水泥漿性能，且初始稠度和稠化時間適當(dāng)，養(yǎng)護24 h后的水泥石抗壓強度較高。因此，該固井水泥漿整體性能良好，失水較少，稠化時間適中，抗壓強度大，基本能滿足鹽膏層固井施工。

3.2 水泥漿抗溫性能

為了滿足水泥漿在深井固井中的應(yīng)用，固井水泥漿應(yīng)具有良好的耐溫性能。依據(jù)試驗規(guī)范，配制密度為2.0 g/cm3的水泥漿，測定其在不同溫度養(yǎng)護下的塑性黏度、切力、高溫高壓失水量、初始稠度、稠化時間和抗壓強度等性能。通過對不同溫度下水泥漿稠化時間的研究，能夠清楚認識水泥漿對溫度敏感性及現(xiàn)場施工的安全性。試驗測試結(jié)果如表2、圖1所示。

表2 溫度對水泥漿性能影響Table 2 Temperature effect on cement slurry performance

由表2的結(jié)果可知，當(dāng)溫度增加時，塑性黏度增大，動塑比減小，失水量也隨之增加。130 ℃以下仍具有較好的流變性和較低的失水量；當(dāng)溫度高于130 ℃后，流變性變差，失水量也相應(yīng)增大很多。

圖1 溫度對水泥漿稠化時間和抗壓強度影響Fig.1 Temperature effect on cement slurry thickening time and compressive strength

由圖1可知，隨著溫度升高，稠化時間減少，水泥石強度也隨之增大。這是因為當(dāng)溫度升高時，水泥中的主要成分硅酸三鈣、硅酸二鈣水化反應(yīng)加快。當(dāng)溫度為130 ℃時，稠化時間及水泥石抗壓強度變化明顯。結(jié)合上述溫度對水泥漿流變性和高溫高壓失水量的影響可知，水泥漿在130 ℃以下時性能穩(wěn)定，當(dāng)溫度超過130 ℃后性能變化明顯，因此該鹽膏層固井水泥漿具有良好的抗溫能力。

3.3 水泥漿抗鹽性能

氯化鈉和石膏是一種強電解質(zhì)，能對水泥漿性能產(chǎn)生較為復(fù)雜的影響，主要表現(xiàn)在使水泥漿產(chǎn)生分散、密度升高、促凝緩凝、失水量及稠化時間難以控制等方面[11]。因此，要求水泥漿要具備較強的抗鹽抗鈣能力，以保持水泥漿自身性能不受較大影響，保證固井質(zhì)量。本研究試驗測試了加入不同量的氯化鈉和硫酸鈣的水泥漿性能變化來研究其影響，結(jié)果見表3。

表3 NaCl加量對水泥漿性能的影響Table 3 Effects on cement slurry performance of the addition of NaCl

注：高溫高壓失水量測試條件為90 ℃×30 min×7 MPa，稠度測試條件為90 ℃×45 MPa養(yǎng)護，抗壓強度測試條件為90 ℃×21 MPa×24 h養(yǎng)護。

圖2 NaCl加量對水泥漿稠化時間和抗壓強度影響Fig.2 Effect on cement slurry thickening time and compressive strength of the addition of NaCl

由表3、圖2結(jié)果可知，NaCl加量在20%以內(nèi)時水泥漿體系比較穩(wěn)定，流變性變化不大，失水量稍有增加。稠化時間隨著NaCl加量的增加雖呈現(xiàn)出先減小后增加的現(xiàn)象，但變化量小，這是由于水泥漿水化過程中要消耗一部分水，而原本水泥漿中就有近飽和的NaCl，因此即使再加入NaCl，對其稠化時間的影響也較小[12]?？箟簭姸入S著NaCl加量的增加，在加量20%以內(nèi)時降低緩慢，這是因為在近飽和鹽的水泥漿體系中，鹽膏層中的鹽很難再溶入到體系中，一方面阻止了鹽膏層地層的鹽溶而導(dǎo)致井壁發(fā)生變化，另一方面也保證了水泥漿體系性能受鹽影響不明顯。

鹽膏層也存在鈣鹽，鈣鹽的侵入對水泥漿體系也會產(chǎn)生一部分影響，因此本文通過試驗研究硫酸鈣的加量對水泥漿性能的影響，結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 CaSO4加量對水泥漿黏度和失水量的影響Fig.3 Influence on the cement slurry viscosity and water loss of the addition of CaSO4

圖4 CaSO4加量對水泥漿稠化時間和抗壓強度影響Fig.4 Influence on the cement slurry thickening time and compressive strength of the addition of CaSO4

注：高溫高壓失水量測試條件為90 ℃×30 min×7 MPa，稠度測試條件為90 ℃×45 MPa養(yǎng)護，抗壓強度測試條件為90 ℃×21 MPa×24 h養(yǎng)護。

隨著硫酸鈣加量的增加，塑性黏度和高溫高壓失水量開始增加緩慢，增量不大，說明水泥漿體系流變性和高溫高壓失水量受硫酸鈣影響不明顯。由稠化時間和抗壓強度受硫酸鈣加量的影響可知，稠化時間隨著硫酸鈣加量先減小后增加，這是因為一定量的硫酸鈣與水泥熟料礦物水解吸出的氫氧化鈣和水泥熟料中的層C3A反應(yīng)，提高水泥水化液相中的固相比例，加快水泥凝結(jié)速度和早強強度，因而可以看到強度在硫酸鈣含量少時呈現(xiàn)出稍有增強的現(xiàn)象[13]。但當(dāng)硫酸鈣含量增加時，這些硫酸鈣又與水泥中的鋁酸鹽反應(yīng)生成次生鈣礬石，使水泥形成一定的膨脹，無控制的膨脹又會導(dǎo)致強度降低[14]。從試驗結(jié)果可知，雖然硫酸鈣加量增加時稠化時間和抗壓強度都受影響，但變化量較小，在硫酸鈣含量為4%時仍具有較好的抗壓強度和較合適的稠化時間，表明該鹽膏層固井水泥漿具有較好的抗鹽抗鈣性能。

4 結(jié)論

(1)該密度為2.0 g/cm3的鹽膏層固井水泥漿具有較好的常規(guī)性能，稠化時間可調(diào)并具有很好的抗壓強度，能夠滿足鹽膏層的固井施工。

(2)該水泥漿體系具有良好的抗溫能力，在溫度低于130℃時仍具有很好的流變性和較少的高溫高壓失水量。籌劃性能穩(wěn)定，隨著溫度升高，仍具有較合適的稠化時間。

(3)該鹽膏層水泥漿體系具有較好的抗鹽效果和抗鈣能力，在氯化鈉加量為20%、硫酸鈣加量為4%時仍有較高的抗壓強度和合適的稠化時間，說明受鹽膏層影響較小，能夠滿足鹽膏層的固井施工并能保證固井質(zhì)量。

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ThePropertiesStudyofHighDensityEvaporiteBedCementSlurry

Wang Bo1,2, Hou Yunyi1,2, Zhang Wenzhe1, Deng Linna3, Chi Libin1,2

(1.ResearchInstituteofYanchangPetroleum(Group)Co.,Ltd.,Xi＇an,Shaanxi710075,China; 2.ExplorationandDevelopmentResearchCenterofYanchangOilfieldCo.,Ltd.,Yan＇an,Shaanxi716009,China; 3.CNPCSoutheastAsiaPipelineCo.,Ltd.,Beijing100028,China)

Currently, the evaporite bed is often encountered in drilling, while the properties of conventional cement slurry are affected by the evaporite bed. The quality of cement rock and formation cementing is poor and the cementing quality is affected. In this paper, the conventional performance, temperature resistance, salt resistance, thickening time and compressive strength of a evaporite bed with a density of 2.0 g/cm3have been studied. Results showed that the cement slurry had good basic performance and the appropriate thickening time and compressive strength of cement stone when the temperature was below 130 ℃. The cement slurry was less affected by the salt and the calcium and the salt resistance was more than 20%. Combined with the test result analyzed why salt and calcium could influence the cement slurry, the results showed that the high density evaporite bed cement slurry had good temperature resistance, the effect of NaCl and CaSO4was small and suitable for evaporite bed cementing operation and had good cementing quality.

cement slurry; evaporite bed; temperature resistance; thickening time; compressive strength

王波(1990—)，男，碩士，工程師，主要從事油氣井工作液技術(shù)研究工作。郵箱：swpu.2008@qq.com.

TE256.6

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