一種高強(qiáng)低密度水泥漿體系研發(fā)及應(yīng)用
——以延安氣田延SS井區(qū)為例

楊先倫，王 濤，徐云林，白慧芳.

(1.陜西延長(zhǎng)石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院，陜西西安 710075；2.陜西省陸相頁(yè)巖氣成藏與開(kāi)發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(籌)，陜西西安 710075；3.陜西省二氧化碳封存與提高采收率重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710075)

隨著油氣田勘探開(kāi)發(fā)的不斷深入，低壓易漏失井、長(zhǎng)封固裸眼段多套壓力層系井越來(lái)越多，固井漏失的問(wèn)題也越來(lái)越突出，國(guó)內(nèi)外提出解決低壓漏失井的主要技術(shù)措施有：(1)采取防漏固井工藝，如分級(jí)注水泥工藝；(2)采用低密度水泥漿體系固井[1-5]。上述技術(shù)手段都是基于降低水泥漿液柱壓力與地層壓力差，實(shí)行合理壓差固井。為解決水泥漿漏失低返問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外研發(fā)了不同種類的低密度水泥漿體系，但普通低密度水泥漿存在諸如漿體穩(wěn)定性差、失水大、水泥石強(qiáng)度(特別是頂部強(qiáng)度)發(fā)展慢等缺陷，影響了固井質(zhì)量的提高，不能滿足低壓易漏地層的固井要求。延安氣田延SS井區(qū)固井要求全井筒封固，但該區(qū)域鉆遇地層存在多個(gè)漏失層，低密度水泥漿應(yīng)用于固井施工可降低靜液柱壓力有效防止漏失[6-9]。為此，從外摻料及外加劑入手，優(yōu)化水泥漿體系，提高體系的綜合性能，研發(fā)一種性能優(yōu)越的低密度水泥漿，并在延安氣田延SS井區(qū)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，研究成果對(duì)于提高低壓易漏井的固井質(zhì)量具有重要的意義。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)用油井水泥為G級(jí)水泥、粉煤灰均取自延長(zhǎng)石油延安氣田某固井隊(duì)，所用微硅是高級(jí)火山灰，為煉鋼時(shí)氣相沉淀出的二氧化硅微粒，屬礦渣廢料。實(shí)驗(yàn)用減阻劑為陰離子表面活性劑YCP-76，降失水劑采用改性PVA類降失水劑FLA-2和AMPS多元共聚物FLAS-8，早強(qiáng)劑為液體早強(qiáng)劑ZJJ、固體早強(qiáng)劑A和B，實(shí)驗(yàn)用緩凝劑為HNJ-1和GH-6。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器及方法

抗壓強(qiáng)度、稠化時(shí)間、游離液、失水、沉降穩(wěn)定性測(cè)試均采用GB/T 19139-2012(油井水泥應(yīng)用性能試驗(yàn)方法)中相關(guān)方法。為了達(dá)到水泥漿低密度的目的，在低密度水泥漿中需要加入外摻料，低密度水泥漿中外摻料為減輕劑和填充劑，兩者最佳組合采用水泥柱上下密度差最小的方法進(jìn)行優(yōu)選，實(shí)驗(yàn)用水泥柱為鋼性可拆卸圓筒，長(zhǎng)徑比為10，測(cè)試方法為按照規(guī)定養(yǎng)護(hù)一定時(shí)間后拆卸水泥柱，分別測(cè)試上中下水泥柱的密度。實(shí)驗(yàn)中溫度設(shè)計(jì)為低密度封固井段底界溫度60 ℃，外加劑耐溫能力測(cè)試上限為140 ℃，稠化實(shí)驗(yàn)溫度為循環(huán)溫度60 ℃、壓力設(shè)計(jì)為30 MPa。

水泥漿養(yǎng)護(hù)采用0720型增壓養(yǎng)護(hù)釜，壓力測(cè)試儀器為BSED-2001勻加荷壓力試驗(yàn)機(jī)，稠化測(cè)試采用0712增壓稠化儀，流變和失水測(cè)試分別采用ZNN-D6型流變儀和TG-71型失水儀。顆粒粒徑采用馬爾文公司生產(chǎn)的激光衍射系統(tǒng)Mastersizer 2000 粒度儀。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 外摻料優(yōu)選及配比設(shè)計(jì)

2.1.1 減輕劑

國(guó)內(nèi)外低密度水泥漿體系多是通過(guò)加入自身密度較小的材料來(lái)降低水泥漿的密度，如空氣或氮?dú)狻⒖招奈⒅椤⒎勖夯?、微硅等[10-20]，其中泡沫水泥漿密度最低，配漿密度可低至0.96 g/cm3，但隨入井深度的增加，氣泡隨壓力增加而被壓縮，密度也會(huì)增至1.20 g/cm3～1.40 g/cm3；天然空心微珠自身密度在0.60 g/cm3～0.70 g/cm3，可將漿體密度降至1.30 g/cm3～1.45 g/cm3，隨著更低密度的人造空心微珠的出現(xiàn)，可將漿體密度降至1.00 g/cm3左右，但材料成本較高；粉煤灰作為最廣泛和廉價(jià)的減輕材料，最適宜用的漿體密度為1.50 g/cm3～1.60 g/cm3。根據(jù)延安氣田鉆井漏失情況，合理的低密度水泥漿密度應(yīng)為1.30 g/cm3～1.35 g/cm3之間，同時(shí)考慮成本因素，選擇天然空心微珠(即漂珠)作為減輕劑。

2.1.2 填充劑

油井水泥、漂珠及微硅的粒徑測(cè)試結(jié)果如圖1所示，G級(jí)水泥粒徑細(xì)(d0.9=46.20 μm)，漂珠粒徑粗(d0.9=275.44 μm)。兩者混合后會(huì)產(chǎn)生空隙，這就需要粒徑達(dá)到納米級(jí)的微硅粉加入其中起填充作用，以達(dá)到顆粒級(jí)配的目的，使?jié){體穩(wěn)定且水泥石致密，微硅的平均粒徑只有10.31 μm，小于100 nm的粒子占體積的10%，能很好地充填空隙，達(dá)到緊密堆積的目的。

圖1 粒徑累計(jì)分布圖Fig.1 Cumulative distribution diagram of particle

2.1.3 外摻料組合

根據(jù)漂珠和微硅的密度，設(shè)計(jì)1.35 g/cm3低密度水泥漿的外摻料漂珠和微硅加量組合為35%漂珠+3%微硅。測(cè)試其基漿的沉降穩(wěn)定性，上下密度差達(dá)到0.14 g/cm3，水泥漿嚴(yán)重分層。因此增加微硅的加量，提高水泥漿內(nèi)顆粒的懸浮性能，同時(shí)適當(dāng)增加漂珠的加量以降低水泥漿密度，沉降穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖2。根據(jù)低密度水泥漿的沉降穩(wěn)定性設(shè)計(jì)要求，選擇42%漂珠+10%微硅作為低密度水泥漿基漿外摻料的加量組合。

圖2 外摻料不同組合下水泥漿沉降穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果Fig. 2 Test results of settlement stability of slurry with different combinations of admixtures

2.2 水泥漿外加劑優(yōu)化

2.2.1 減阻劑

減阻劑可以提高水泥漿可泵性，實(shí)現(xiàn)低泵速紊流注水泥，且能降低水泥漿循環(huán)當(dāng)量密度。通過(guò)對(duì)比分析不同種類的減租劑，本實(shí)驗(yàn)選用密度1.35 g/cm3水泥漿，基漿配方：JHG+42%漂珠+10%微硅，優(yōu)選陰離子表面活性劑YCP-76為減阻劑。

將0.5%YCP-76加入G級(jí)水泥漿中，與凈漿做流變性能對(duì)比，結(jié)果如表1所示。加入0.5%YCP-76可使水泥漿稠度系數(shù)K大大降低，流性指數(shù)n也有所提高，減緩了顆粒之間的聚集和絮凝，流變性能得到了極大改善，符合冪律流體方程，易于紊流。

表1 水泥漿流變性能Table 1 Rheological properties of cement slurry

2.2.2 降失水劑

優(yōu)質(zhì)的降失水劑，可有效控制水泥漿失水，穩(wěn)定漿體。延安氣田最高地層溫度為120 ℃，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況，本實(shí)驗(yàn)以溫度90 ℃作為臨界溫度選擇降失水劑，低于90 ℃選用改性PVA類降失水劑FLA-2，高于90 ℃選用AMPS多元共聚物FLAS-8。

(1)改性PVA類降失水劑——FLA-2

由于FLA-2由主劑和輔劑(穩(wěn)定劑)組成，主劑為化學(xué)改性PVA及天然高分子材料，輔劑由稀釋劑及交聯(lián)劑組成。通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定低密度漿體主、輔劑最佳比例，達(dá)到最佳效果。

在低密度基漿中分別加入6.0%、8.0%、10.0%(BWOC)的FLA-2，分別按照5：1、4：1、3：1的主輔劑比例加入輔劑，并加入減阻劑，配制成1.35 g/cm3水泥漿，在60 ℃下測(cè)濾失量，結(jié)果如表2所示。

表2 低密度水泥漿主輔劑加量對(duì)失水的影響Table 2 Influence of addition amount of main and auxiliary agents of low density cement slurry on water loss

由表2可知，F(xiàn)LA-2在按常規(guī)5：1的比例(常規(guī)密度所用比例)加入主劑和輔劑效果不太理想，水泥漿失水不能達(dá)到50 mL以下，將輔劑增加，比例增至4：1及3：1時(shí)可達(dá)到理想的降失水效果，綜合考慮成本及效果，選擇8.0%FLA-2及3：1的主輔比例，即穩(wěn)定劑加量為2.67%。

(2)AMPS多元共聚物類降失水劑——FLAS-8

多數(shù)降失水劑對(duì)溫度較為敏感，為提高固井施工安全性，將溫度評(píng)價(jià)的范圍擴(kuò)展至140 ℃，圖3是改性PVA類降失水劑FLAS-2與AMPS多元共聚物類降失水劑FLAS-8在90 ℃～140 ℃范圍內(nèi)的耐溫實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由圖中可知，當(dāng)溫度高于90 ℃時(shí)，F(xiàn)LAS-2的控水能力較差，失水普遍高于60 mL。而AMPS多元共聚物類降失水劑可輕易將低密度水泥漿的失水控制在50 mL以內(nèi)，溫度對(duì)其影響較小，因此當(dāng)井溫高于90 ℃時(shí)選擇耐溫能力更強(qiáng)的FLAS-8。

圖3 降失水劑耐溫實(shí)驗(yàn)Fig.3 Temperature resistance experiment of water loss reducer

2.2.3 早強(qiáng)劑

低密度水泥石的強(qiáng)度是固井水泥漿的另一個(gè)重要指標(biāo)，好的早強(qiáng)劑不僅具有早強(qiáng)作用，而且長(zhǎng)期強(qiáng)度不能衰退且具有持續(xù)增長(zhǎng)的潛力。優(yōu)選液體早強(qiáng)劑ZJJ，將其與常用的固體早強(qiáng)劑A及B在60 ℃下做3 d、7 d、28 d強(qiáng)度對(duì)比，結(jié)果圖4所示。由圖中可知，ZJJ可使水泥石早期及后期強(qiáng)度均得到顯著的增強(qiáng)，與空白樣相比3 d、28 d強(qiáng)度分別增大47.36%、54.37%。而A與B兩種早強(qiáng)劑則只對(duì)早期強(qiáng)度(3 d)有一定效果，長(zhǎng)齡期強(qiáng)度增長(zhǎng)較慢， 28 d時(shí)相較于空白樣強(qiáng)度反而較小。

圖4 不同早強(qiáng)劑水泥石強(qiáng)度對(duì)比Fig.4 Strength comparison of cement stones with different early-strength agents

2.2.4 緩凝劑優(yōu)選

優(yōu)質(zhì)的緩凝劑應(yīng)在其適用溫度范圍內(nèi)，無(wú)加量敏感點(diǎn)及溫度敏感點(diǎn)，與其它外加劑相容性強(qiáng)，對(duì)其它性能如強(qiáng)度、游離液等無(wú)明顯不良影響，因此對(duì)其加量和溫度敏感性等性能進(jìn)行測(cè)試。

(1)加量敏感測(cè)試。

將兩種液體中溫緩凝劑HNJ-1及GH-6進(jìn)行對(duì)比，測(cè)試條件為60 ℃，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。稠化時(shí)間隨HNJ-1的加量增加呈直線關(guān)系，無(wú)加量敏感點(diǎn)，而GH-6稍差，因此HNJ-1更易于人為可調(diào)。

圖5 緩凝劑加量對(duì)稠化時(shí)間的影響Fig.5 Effect of retarder dosage on thickening time

(2)溫度敏感測(cè)試。

在50～100 ℃之間調(diào)整緩凝劑的加量，使水泥漿稠化時(shí)間保持在200 min ～220 min，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。由圖中可知，隨著溫度的逐步增高，緩凝劑的用量也在逐漸增加，在90 ℃以下，緩凝劑加量呈勻速上升；90 ℃以上，加量急劇增加，呈倍增關(guān)系?？梢?jiàn)對(duì)于中溫緩凝劑90 ℃以上已近臨界點(diǎn)。兩種緩凝劑對(duì)比可知，HNJ-1加量在90 ℃后的增長(zhǎng)速率更慢，適用性要優(yōu)于GH-6。

圖6 溫度對(duì)緩凝劑加量的影響Fig.6 Effect of temperature on retarder dosage

(3)對(duì)其它性能的影響。

對(duì)加入0.4%緩凝劑漿體的強(qiáng)度及游離液進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)與空白樣對(duì)比，觀察其影響，結(jié)果如表3所示。由表中可以看出，HNJ-1的加入對(duì)強(qiáng)度及游離液幾乎無(wú)影響，而GH-6使強(qiáng)度有所損失，并且漿體穩(wěn)定性變差，故選擇HNJ-1做水泥漿體系的緩凝劑。

表3 緩凝劑對(duì)其它性能的影響Table 3 Influence of retarder on other properties

2.3 綜合性能評(píng)價(jià)

根據(jù)以上外加劑優(yōu)選結(jié)果，可以得出低密度水泥漿體系的配方為：G級(jí)水泥+42.5%漂珠+10%微硅+0.5%分散劑+8.0% 降失水劑FLA-2+2.67%穩(wěn)定劑+ 2.0%早強(qiáng)劑ZJJ +0.4%緩凝劑HNJ-1，該配方中當(dāng)溫度高于90 ℃時(shí)，降失水劑選擇FLAS-8。對(duì)上述配方的綜合性能進(jìn)行測(cè)試。

2.3.1 穩(wěn)定性及流變性能

測(cè)試上述水泥漿的密度、流動(dòng)度、自由水含量、上下密度差和失水量以評(píng)價(jià)體系的穩(wěn)定性，結(jié)果見(jiàn)表4、表5。由表4可知，該水泥漿體系自由水含量等三項(xiàng)指標(biāo)均遠(yuǎn)小于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6544《油井水泥漿性能要求》中低密度水泥漿自由水含量小于0.4%、上下密度差小于0.05 g/cm3、失水量小于100 mL的要求，具有良好的漿體沉降穩(wěn)定性，可以保證固井環(huán)空中水泥漿縱向的均勻分布。 表4中流動(dòng)度及表5的流變性能測(cè)試結(jié)果表明，該水泥漿體系具有良好的可泵性，流動(dòng)度適宜，加溫預(yù)置后(實(shí)際井下工況)，漿體在低速下粘度增加，增強(qiáng)了穩(wěn)定性，高速下粘度降低，有利于形成紊流，對(duì)于提高環(huán)空頂替效率更為有利。

表4 低密水泥漿失水劑穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果Table 4 Test results of low density cement slurry stability

表5 低密水泥漿流變性能測(cè)試結(jié)果Table 5 Rheological test results of high strength and low density cement slurry

2.3.2 抗壓強(qiáng)度

延安氣田要求水泥漿返至井口，低密封固段為產(chǎn)層以上300 m至井口，依據(jù)其封固段的溫度分布，分別測(cè)試常溫條件下(井口)、30 ℃(中部強(qiáng)度)、50 ℃(底部強(qiáng)度)三種溫度條件下不同齡期的抗壓強(qiáng)度，結(jié)果見(jiàn)表6。高溫條件下上述低密水泥漿24 h強(qiáng)度發(fā)展達(dá)6.51 MPa，遠(yuǎn)高于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中3.50 MPa的要求；其后仍然保持了較好的強(qiáng)度發(fā)展，24 h～48 h齡期內(nèi)強(qiáng)度提高了72.20%。常溫及30 ℃養(yǎng)護(hù)測(cè)試結(jié)果表明，中低溫下該水泥漿仍然具有較高的強(qiáng)度，常溫72 h強(qiáng)度達(dá)7.60 MPa，超過(guò)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求值一倍以上，能夠滿足延安氣田氣井全封固的要求。

表6 高強(qiáng)低密度水泥石強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果Table 6 Test results of high strength and low density cement strength

2.3.3 稠化性能

圖7是低密度水泥漿的稠化曲線，實(shí)驗(yàn)條件為60 ℃×30 MPa×30 min。由圖中可知，該水泥漿稠化時(shí)間為324 min，初始稠度為6 Bc，過(guò)渡時(shí)間為12 min?？傮w上具有初始稠度低、漿體過(guò)渡時(shí)間短的特征。較低的初始稠度可一定程度上減小循環(huán)摩阻，降低延安氣田低壓地層固井漏失風(fēng)險(xiǎn)；近乎直角的稠化過(guò)渡階段表明漿體內(nèi)部可在一定時(shí)期內(nèi)迅速形成網(wǎng)狀凝膠結(jié)構(gòu)，對(duì)油氣水上竄具有一定的阻礙作用。

圖7 高強(qiáng)低密度水泥漿稠化曲線Fig.7 Thickening curve of high strength and low density cement slurry

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

延安氣田延SS井區(qū)開(kāi)發(fā)井采用Φ311.1×Φ244.5 mm+Φ215.9×Φ139.7 mm二開(kāi)井身結(jié)構(gòu)，自上而下地層有第四系，白堊系志丹群，侏羅系安定組、直羅組、延安組、富縣組，三疊系延長(zhǎng)組、紙紡組、和尚溝組、劉家溝組，二疊系石千峰組、石盒子組、山西組，太原組，石炭系本溪組和奧陶系馬家溝組。其中主要目的層段，上古生界二疊系的下石盒子組盒8段、二疊系山西組、石炭系本溪組以及下古生界奧陶系馬家溝組。由于該區(qū)域內(nèi)存在劉家溝組、石千峰組等多個(gè)低承壓漏失層[21]，導(dǎo)致Φ139.7 mm生產(chǎn)套管固井漏失嚴(yán)重。依據(jù)氣藏開(kāi)發(fā)井筒完整性要求，低密度水泥漿成為該區(qū)域固井的有效技術(shù)方案[22]。

以延安氣田延SS井區(qū)X1井為例，該井井型為直井，設(shè)計(jì)井深3590 m，目的層系為上古生界二疊系的下石盒子組盒8段、二疊系山西組、石炭系本溪組。二開(kāi)Φ215.9 mm井眼用密度1.08 g/cm3鉆井液鉆進(jìn)，劉家溝組漏失嚴(yán)重，井筒承壓能力不足。固井要求全封固，采用雙級(jí)注水泥方式固井，分級(jí)箍位置位于劉家溝組頂部，目的層采用常規(guī)密度水泥漿封固，產(chǎn)層以上300 m至井口(除分級(jí)箍處)采用1.35 g/cm3高強(qiáng)低密度水泥漿封固。固井施工水泥漿成功返出井口，固井質(zhì)量評(píng)定低密度段合格率89.33%，低密度段優(yōu)良率80.02%。

上述1.35 g/cm3高強(qiáng)低密度水泥漿體系在延安氣田延SS井區(qū)十余口井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，統(tǒng)計(jì)情況見(jiàn)表7。應(yīng)用井中低密度水泥漿全部返出井口，表明該水泥漿密度穩(wěn)定、流動(dòng)摩阻可控，低密度封固段固井質(zhì)量合格率達(dá)85%以上，固井質(zhì)量?jī)?yōu)良率達(dá)75%以上，取得了較好的應(yīng)用效果。該水泥漿適用于低壓易漏地層固井，為井區(qū)的安全、高效開(kāi)發(fā)提供了良好的環(huán)空密封保證。

表7 低密度封固段固井質(zhì)量統(tǒng)計(jì)Table 7 Cementing quality statistics of low density cementing section

4 結(jié)論

(1)油井水泥、漂珠、微硅的外摻料組合可以提高低密度水泥漿的漿體穩(wěn)定性，42%漂珠、10%微硅組合為最優(yōu)化加量，漿體的上下密度差最低可降至0.02 g/cm3。

(2)分散劑YCP-76改善流變性能顯著，優(yōu)選的降失水劑可在其適用溫度范圍將失水控制在50 mL以內(nèi)，優(yōu)選的早強(qiáng)劑可提高低密水泥漿強(qiáng)度47%以上，優(yōu)選的緩凝劑在50 ℃～100 ℃范圍內(nèi)無(wú)溫度敏感點(diǎn)加量易于設(shè)計(jì)。

(3)研發(fā)的低密度水泥漿漿體穩(wěn)定、自由水含量為0、失水低至36 mL、稠化過(guò)渡時(shí)間僅為12 min、常溫下72 h強(qiáng)度達(dá)7.60 MPa，能夠滿足延安氣田天然氣井固井對(duì)低密度水泥漿的需求，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用井固井質(zhì)量?jī)?yōu)良率達(dá)75%以上，為區(qū)域的增儲(chǔ)上產(chǎn)提供了技術(shù)保障。