適于平湖高溫高壓大位移井固井的水泥漿體系構(gòu)建

張敬濤

中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學事業(yè)部上海作業(yè)公司，上海

1. 引言

平湖油氣田屬于典型的高溫環(huán)境，高溫對于懸掛尾管以及水泥漿的性能都是一種挑戰(zhàn)，需要有針對性篩選抗高溫材料。而大位移井的井斜大、穩(wěn)斜段長，導(dǎo)致管柱摩阻和扭矩大幅度增加及井眼清潔困難；測深大，鉆井時間長，裸眼受鉆井液浸泡時間長，容易引發(fā)井下復(fù)雜和事故問題[1]。由于大位移井尾管固井對水泥漿高溫沉降穩(wěn)定性要求高，根據(jù)PH15 井施工資料，平湖地區(qū)固井存在氣竄風險，因此水泥漿膠凝期要具有高防竄能力[2] [3]。要解決以上固井技術(shù)難點，還要從高溫高壓大位移井固井工藝技術(shù)方面著手，通過對大位移井固井技術(shù)難點分析，室內(nèi)針對水泥漿密度以及配方進行合理優(yōu)化，開展彈性乳液、增強防竄劑GS12L、增韌防漏纖維、非滲透劑材料及緩凝劑的篩選，構(gòu)建抗高溫韌性防竄水泥漿體系。

2. 平湖油氣田固井技術(shù)難點分析

平湖油氣田已測井底最高溫度183℃，屬于典型的高溫環(huán)境。高溫對于懸掛尾管以及水泥漿的性能都是一種挑戰(zhàn)，需要有針對性篩選抗高溫材料；目的層存在有瀝青質(zhì)煤層，易造成掉塊、坍塌現(xiàn)象，大量發(fā)育的瀝青質(zhì)煤層對水泥漿的膠結(jié)質(zhì)量會有不利影響，需要提高水泥漿的膠結(jié)質(zhì)量[4]。大位移井目的層固井時，由于封固段較長，固井過程中易引起漏失，需要優(yōu)化水泥漿防漏堵漏性能，提高封隔質(zhì)量；封固段長高頂?shù)诇夭畈焕谒喹h(huán)封隔，在滿足長封固段大灰量施工時間的稠化性能同時，難以兼顧水泥漿頂部強度的發(fā)育速度，水泥漿的配方設(shè)計難度較大，對油井水泥緩凝劑等提出了較大的挑戰(zhàn)[5]。在PH13 井平湖組下段鉆遇有異常高壓油氣層，針對異常高壓油氣層需要適當提高水泥漿密度壓穩(wěn)地層，同時還需要水泥漿具有較好的防竄性能來有效抑制油氣上竄，需要針對水泥漿密度以及配方進行合理優(yōu)化。

3. 平湖油氣田固井水泥漿性能要求

1) 漿體穩(wěn)定無沉降水泥漿的高溫穩(wěn)定性差，嚴重時表現(xiàn)為懸浮能力下降，產(chǎn)生沉淀，使?jié){體的性能如失水量、強度發(fā)育等完全偏離設(shè)計值。不穩(wěn)定的水泥漿析水，固體顆粒沉降，析出的自由水易聚集起來形成油氣上竄通道。所以水泥漿高穩(wěn)定性是獲得良好固井質(zhì)量的基礎(chǔ)。

2) 良好的防氣竄性能大位移井封固段通常較長，要實現(xiàn)對不同目的層位的有效封固尤其是高壓油氣層的封固，水泥漿的防竄性能尤為重要。

3) 良好的膠結(jié)性能大位移井及油基泥漿壁面，頂替效率無法達到100%。如何實現(xiàn)與少量油基泥漿存在下的壁面膠結(jié)質(zhì)量是保障固井質(zhì)量的關(guān)鍵。

4) 良好的抗溫性井深溫度高要求水泥漿具有良好的抗溫性。為實現(xiàn)高壓油氣層的有效壓穩(wěn)，需要水泥漿具有良好的加重性能的同時保持良好的物理性能。

4. 抗高溫韌性防竄水泥漿添加劑材料的篩選

4.1. 彈性乳液加量的優(yōu)選

彈性乳液是采用最新技術(shù)獲得的穩(wěn)定乳液，相對于普通膠乳其對配漿水質(zhì)的要求更低，抗溫性以及穩(wěn)定性更優(yōu)異。從試驗結(jié)果(表1)可以看出，彈性乳液具有良好的分散性和韌性，抗溫性以及穩(wěn)定性優(yōu)異，有益于水泥漿致密結(jié)構(gòu)濾餅的形成。隨著彈性乳液加量的增加，抗竄性能呈先上升后下降的趨勢，在彈性乳液加量為20%時最大。

Table 1. Improving mechanical properties of cement paste with elastic emulsion 表1. 彈性乳液改善水泥石力學性能

韌性水泥石二界面膠結(jié)性能的提高，也同樣提高了水泥環(huán)的抗竄性能，抗沖擊強度以及彈性模量都表現(xiàn)出更好的效果。

4.2. 增強防竄劑GS12L 優(yōu)選

GS12L 是一種增強防竄材料，材料具有較大的比表面積，能夠極大程度上束縛水泥漿固體顆粒隙間中的自由水，有增強漿體穩(wěn)定性的作用；該材料同時能夠有效充填到水泥顆粒間，起到剛性填充的作用，起到降低水泥石的滲透率的作用；該材料具有明顯的火山灰效應(yīng)可以與氫氧化鈣發(fā)生二次水化，能夠促進水泥漿中C-S-H 凝膠的快速形成，表現(xiàn)為水泥石強度發(fā)展更早，有利于候凝期間水泥漿的防竄作用[6]。

試驗結(jié)果(表2)表明，GS12L 對水泥漿的流變影響小，GS12L 加入到水泥漿中可改善水泥石致密性，增早強，強度明顯得到了提高。

Table 2. Effect of GS12L dosage on the performance of cement paste 表2. GS12L 加量對水泥漿性能影響

4.3. 纖維類型的優(yōu)選

BZX-6 液體纖維是將纖維經(jīng)過分散到水溶液中做成流體纖維，具有更好的水分散性和水泥顆粒的膠結(jié)性，添加到水泥石中分散性良好，在起到了防漏的作用的同時還能夠大幅度提高纖維水泥石韌性。試驗結(jié)果(表3)表明，液體纖維對水泥石的強度性能、柔韌性能都有一定程度提高，水泥石的總體韌性較好?？紤]性能和成本綜合因素，室內(nèi)選擇液體纖維作為備選的增韌材料。

Table 3. Effect of fiber type on mechanical properties of cement paste 表3. 纖維類型對水泥石力學性能的影響

4.4. 非滲透劑加量的篩選

試驗結(jié)果(表4)表明，隨著非滲透劑加量的升高，水泥漿抗壓強度先升高后下降?？箟簭姸仍囼灊M足平湖高溫高壓井段的設(shè)計要求，該體系BX82L 非滲透劑加量推薦為3%。

Table 4. The influence of the amount of non permeable agent on the compressive strength of cement paste 表4. 非滲透劑加量對水泥漿抗壓強度的影響

4.5. 緩凝劑的優(yōu)選

試驗結(jié)果(表5、表6)表明，無論是中溫緩凝劑還是高溫緩凝劑與固井添加劑均具有良好的適應(yīng)性。通過調(diào)節(jié)緩凝劑加量水泥漿的稠化時間均能有效延長，未表現(xiàn)出異?，F(xiàn)象；緩凝劑不同加量下，稠化轉(zhuǎn)化時間短，均能滿足固井作業(yè)要求。

Table 5. Medium temperature cement slurry system (thickening time regulated by retarder dosage) 表5. 中溫水泥漿體系(緩凝劑加量調(diào)節(jié)稠化時間)

Table 6. High temperature cement slurry system (thickening time regulated by retarder dosage) 表6. 高溫水泥漿體系(緩凝劑加量調(diào)節(jié)稠化時間)

5. 抗高溫韌性防竄水泥漿體系構(gòu)成

5.1. 體系配方

根據(jù)平湖油氣田高溫高壓大位移井對固井水泥漿性能設(shè)計分析和對添加劑材料的篩選，確定了抗高溫韌性防竄水泥漿體系的配方：

1) 1.90 g/cm3中溫配方G級水泥 + 27.5%水 + 2% GS12L + 3% CG88L降失水劑 + 0.2% CX601L消泡劑 + 10%彈性乳液 + 1% CF44L分散劑 + 0.13% H21L緩凝劑 + 0.5% EXP-1膨脹劑 + 3% BX82L非滲透劑 + 3% FIB-1 液體纖維。

2) 1.90 g/cm3高溫配方G 級水泥 + 34%淡水 + 3% GS12L + 4% CG88L 降失水劑 + 0.2% CX601L消泡劑 + 10%彈性乳液 + 1.5% CF44L 分散劑 + H63L 緩凝劑 + 35%硅粉 + 3% BX82L 非費滲透劑 + 3% FIB-1 液體纖維。

3) 2.20 g/cm3高溫配方G 級水泥 + 48%淡水 + 4% GS12L + 4% CG88L 降失水劑 + 0.2% CX601L消泡劑 + 8%彈性乳液 + 100% W1200 加重劑 + 2% CF44L 分散劑 + H63L 緩凝劑 + 35%硅粉 + 3% BX82L 非滲透劑 + 3% FIB-1 液體纖維。

5.2. 體系性能評價

根據(jù)平湖油氣田高溫高壓大位移固井特點分析，室內(nèi)針對抗高溫韌性防竄水泥漿體系流變性能、穩(wěn)定性、膠結(jié)強度進行了性能對比評價(表7)。

Table 7. Performance evaluation data of high temperature and toughness anti channeling cement slurry 表7. 抗高溫韌性防竄水泥漿性能評價數(shù)據(jù)表

試驗結(jié)果表明，該水泥漿體系不僅具有抗高溫體系穩(wěn)定性強、降失水效果好、防氣竄性能強等優(yōu)點，而且水泥漿凝固后能形成致密的水泥環(huán)，滿足高溫條件下的抗壓強度，符合平湖高溫高壓的固井需要。

水泥漿經(jīng)過高溫高壓稠化儀130℃養(yǎng)護30 min 后，冷卻到90℃取出，倒入50 cm 高的細管中，反復(fù)震蕩50 次，靜置待凝固后測試水泥石密度。結(jié)果表明，1.90 g/cm3水泥漿上下密度差0.02 g/cm3，2.20 g/cm3水泥漿上下密度差0.04 g/cm3，滿足現(xiàn)場固井作業(yè)需求。

通過在水泥漿體系中添加非滲透劑BX82L 優(yōu)化了水泥漿配方。 采用膠結(jié)強度測試儀進行膠結(jié)強度測試，測試結(jié)果如表8、表9 所示，可以看出BX82L 能夠顯著改善水泥漿與油基界面的膠結(jié)強度，I、II界面膠結(jié)強度均得到了顯著提高。

Table 8. Influence of casing wall performance on interface cementation and shear strength 表8. 套管壁面性能對界面膠結(jié)、剪切強度的影響

Table 9. The influence of the second interface property on the interface cementation and shear strength 表9. 第二界面性質(zhì)對界面膠結(jié)、剪切強度的影響

6. 結(jié)論

1) 通過對彈性乳液加量的優(yōu)選，確定了彈性乳液加量為20%；GS12L 作為增強防竄材料，顯著降低了水泥石的滲透率，促進水泥石早期強度發(fā)展快；優(yōu)選液體纖維作為添加劑配置水泥漿，使得力學性能效果最佳，水泥漿韌性優(yōu)異。

2) 通過在水泥漿體系中添加非滲透劑BX82L 優(yōu)化了水泥漿配方。試驗結(jié)果顯示，BX82L 能夠顯著改善水泥漿與油基界面的膠結(jié)強度，I、II 界面膠結(jié)強度均得到了顯著提高。

3) 該抗高溫韌性防竄水泥漿體系，不僅具有抗高溫體系穩(wěn)定性強、降失水效果好、防氣竄性能強等優(yōu)點，而且水泥漿凝固后能形成致密的水泥環(huán)，滿足高溫條件下的抗壓強度，符合平湖高溫高壓大位移井的固井需要。