一種適于鹽膏層大井眼固井的抗鹽高強(qiáng)水泥漿
——以巴西Libra油田為例

黃偉 (中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)事業(yè)部塘沽作業(yè)公司，天津 300459)

王曉亮 (非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心(長江大學(xué))，湖北 武漢 430100 荊州嘉華科技有限公司，湖北 荊州 434000)

楊曉榕，胡順，劉郢，張敏 (荊州嘉華科技有限公司，湖北 荊州 434000)

張易航 (長江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100)

研究對象為巴西Libra油田，其資料顯示：井底壓力64.8MPa，井底溫度最高98℃，水深2040m，完鉆井深6000m，鹽膏層厚度633～2537m；鹽膏層溫度68±3℃；區(qū)別于以往的鹽膏層井，井眼直徑16in(1in=2.54cm)，套管直徑13in，環(huán)空間隙更大；孔隙壓力2.24～2.38g/cm3(當(dāng)量密度)，破裂壓力2.41～2.45g/cm3(當(dāng)量密度)；泥漿密度窗口較窄[1～3]。采用常規(guī)水泥漿對鹽膏層進(jìn)行封固，巖鹽的大量溶解會對水泥漿穩(wěn)定性能產(chǎn)生極大的影響，固井作業(yè)存在較大風(fēng)險(xiǎn)。可見，水泥漿體系的抗鹽侵能力直接決定了固井作業(yè)成敗[4～6]。針對鹽膏層大井眼固井封固段長、膠結(jié)質(zhì)量差的情況，需要水泥漿具有更好的流動(dòng)性，而原普通水泥漿體系的強(qiáng)度發(fā)展速率偏低，24h強(qiáng)度為8.2MPa，48h強(qiáng)度為16.4MPa。為獲得良好的固井質(zhì)量需要更高的強(qiáng)度發(fā)展速率，通過試驗(yàn)研制出了一種密度為2.4g/cm3抗鹽高強(qiáng)水泥漿進(jìn)行鹽膏層固井作業(yè)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

荊州嘉華科技工業(yè)產(chǎn)品加重劑MICD，荊州嘉華科技工業(yè)產(chǎn)品降失水劑CG82L，鹽水。

1.2 試驗(yàn)儀器

1)六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)ZNN-D6B：測定抗鹽高強(qiáng)水泥漿體系的流變性能。

2)增壓稠化儀TG-8040DA：測定抗鹽高強(qiáng)水泥漿體系的稠化時(shí)間。

3)高溫高壓失水儀TG-71：測量抗鹽高強(qiáng)水泥漿體系的失水量。

4)勻加荷壓力試驗(yàn)機(jī)YJ-201：測試抗鹽高強(qiáng)水泥石的強(qiáng)度。

5)TONI 壓力機(jī)和霍普金森沖擊桿：測試抗鹽高強(qiáng)水泥漿體系抗沖擊功和彈性模量。

2 抗鹽高強(qiáng)水泥漿體系配制

2.1 鹽水質(zhì)量分?jǐn)?shù)的優(yōu)選

在鹽膏層鉆井過程中，由于鹽的溶解使得井眼的規(guī)則性受到影響，增加了水泥漿和沖洗隔離液頂替鉆井液的難度[7，8]。鹽膏層大井眼固井采用抗鹽高強(qiáng)水泥漿可以達(dá)到抑制鹽巖沖蝕、鹽膏層溶解，以防止水泥漿性能受鹽及高價(jià)金屬離子的污染導(dǎo)致性能惡化的目的。

密度為2.4g/cm3水泥漿基礎(chǔ)配方如下：嘉華G級水泥600g+(0%～36%)鹽水300g+分散劑6g+消泡劑5g+緩凝劑2g+消泡劑5g。

圖1給出了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)鹽水的水泥漿對巖溶速率的影響。從圖1分析得到，鹽水質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，鹽溶解速率越低；同一水泥漿上返速率，鹽水質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)15%以上時(shí)，鹽溶解速率降低50%；當(dāng)鹽水質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到飽和狀態(tài)(即鹽水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為36%)時(shí)，鹽的溶解速率為0。巴西Libra油田固井水泥漿上返速率在 1.12～1.37m/s范圍內(nèi)，此時(shí)使用不含鹽(即淡水)的水泥漿沖蝕鹽層的溶解速率為 0.03kg/(s·m2)，但使用含鹽15%～20%的水泥漿沖蝕鹽層的溶解速率僅為 0.006～0.012 kg/(s·m2)。說明鹽膏層溶解對鹽水水泥漿的污染較小，故鹽膏層固井需要采用高密度抗鹽水泥漿體系。

鹽水質(zhì)量分?jǐn)?shù)對水泥漿性能有著復(fù)雜的影響。對普通水泥漿而言，隨著水泥漿中鹽水質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，水泥漿的稠化時(shí)間和抗壓強(qiáng)度將發(fā)生明顯惡化，因此通過評價(jià)不同鹽水質(zhì)量分?jǐn)?shù)對抗鹽高強(qiáng)水泥漿主要性能的影響，來確定特定抗鹽高強(qiáng)水泥漿的最佳鹽水質(zhì)量分?jǐn)?shù)[9～11]。在30MPa和80℃條件下，室內(nèi)針對密度為2.4g/cm3的水泥漿開展鹽水質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%、36%的性能評價(jià)，結(jié)果見圖2。由圖2(a)可見，5%以內(nèi)的鹽水質(zhì)量分?jǐn)?shù)所配制的水泥漿稠化時(shí)間明顯是縮短的，5%～15%范圍內(nèi)水泥漿稠化時(shí)間相對淡水水泥漿變化不大，當(dāng)鹽水質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過15%時(shí)，不同溫度條件下水泥漿稠化時(shí)間越長，稠化時(shí)間波動(dòng)越明顯，因此鹽水質(zhì)量分?jǐn)?shù)不宜超過15%。由圖2(b)可見，當(dāng)鹽水質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過15%時(shí)，水泥漿失水量增大趨勢明顯，所以鹽水質(zhì)量分?jǐn)?shù)不宜超過15%。由圖2(c)可見，在鹽水質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于10%時(shí)，鹽的加入增加了水泥石的抗壓強(qiáng)度；當(dāng)鹽水質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到15%以上時(shí)，水泥石的抗壓強(qiáng)度大幅下降；當(dāng)鹽水質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于20%，水泥石的抗壓強(qiáng)度下降達(dá)42.9%。結(jié)合試驗(yàn)分析，考慮注水泥過程中鹽溶入水泥漿的能力，推薦密度為2.4g/cm3的抗鹽高強(qiáng)水泥漿鹽水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%～20%，有利于提高固井質(zhì)量。

2.2 加重劑的篩選

抗鹽高強(qiáng)水泥漿體系的建立，其關(guān)鍵技術(shù)除水泥漿外加劑選擇對水泥漿流變性的影響外，其主要的關(guān)鍵點(diǎn)就是加重劑的選擇。抗鹽高強(qiáng)水泥漿加重劑，常見的有重晶石粉和赤鐵礦粉，但這些加重劑在達(dá)到2.6g/cm3的密度下，其加重后水泥漿的性能都會受到嚴(yán)重的影響[12，13]。利用國內(nèi)專利產(chǎn)品CN201611256196.6(平均粒徑50～110μm)球形氧化鐵可以制備密度超過2.6g/cm3的水泥漿，同時(shí)具有較好的流變性和沉降穩(wěn)定性、失水量低、抗壓強(qiáng)度高、膠結(jié)性能良好[14,15]。利用美國艾肯MICROMIX微錳粉(平均粒徑5～10μm)球形三氧化二錳可以制備密度超過2.8g/cm3的水泥漿，同時(shí)具有較好的流變性和沉降穩(wěn)定性、失水量低、抗壓強(qiáng)度高、膠結(jié)性能良好。普通加重劑價(jià)格3600元/t，上述2種加重劑的價(jià)格過高(均在15000元/t以上)，會造成水泥漿成本急劇增加。室內(nèi)研究以緊密堆積理論為指導(dǎo)，設(shè)置3級粒徑加重劑復(fù)合搭配，根據(jù)該原理建立模型，進(jìn)行水泥漿(粒徑10～100μm)+赤鐵礦粉(粒徑10～100μm)+錳礦粉MC200G(粒徑1～1.2μm)的緊密堆積設(shè)計(jì)，加重劑質(zhì)量配比為4∶1的赤鐵礦粉和錳礦粉MC200G復(fù)配的加重劑MICD，以實(shí)現(xiàn)球形加重劑的加重效果。結(jié)果見表1。

2.從管理到服務(wù)，是社區(qū)自治的根本。社區(qū)黨委，要由“代民做主”變?yōu)椤白屆褡鲋鳌??！耙皇职k”的政府、無限的政府不僅干不好所有社區(qū)事務(wù)，反而容易成為居民將問題與矛盾歸咎的對象。社區(qū)的職責(zé)在于引導(dǎo)，提供咨詢、調(diào)解、溝通等服務(wù)。將大的社區(qū)進(jìn)行細(xì)化，分成網(wǎng)格、樓棟管理，讓網(wǎng)格長、居民小組長、樓棟長發(fā)揮作用，還原社區(qū)大家庭、熟人的功能。

表1 加重劑流變性和沉降穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，分別使用上述加重材料將水泥漿加重至密度為2.4g/cm3時(shí)，重晶石粉的流變性能差，NΦ200以上不可讀；用250目與1000目赤鐵礦粉分別加重，靜置20min后，漿體沉降，不穩(wěn)定；用250目+1200目赤鐵礦粉復(fù)配后加重，漿體穩(wěn)定，但流動(dòng)性差，NΦ200以上不可讀；錳礦粉加重效果好，但市場上錳礦粉價(jià)格昂貴，一般為赤鐵礦粉的2～3倍。

將復(fù)配加重劑MICD與國外的MICROMIX微錳粉作對比分析。在相同密度和流變性前提下分別針對這2種加重劑配制的水泥漿的流變性、加重劑加量及抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了綜合對比，結(jié)果見表2、圖3、圖4。結(jié)果顯示，經(jīng)過顆粒復(fù)配的加重劑MICD與MICROMIX微錳粉流變性能、抗壓強(qiáng)度接近。從價(jià)格角度來看，復(fù)配加重劑MICD具有較為明顯的優(yōu)勢，復(fù)合加重劑MICD大約7500元/t,價(jià)格為MICROMIX微錳粉產(chǎn)品的一半。

表2 復(fù)配加重劑MICD與MICROMAX微錳粉流變性對比數(shù)據(jù)

2.3 抗鹽降失水劑的篩選

實(shí)驗(yàn)室制得的降失水劑CG82L是一種AMPS類聚合物降失水劑，常規(guī)濾餅的平均孔隙直徑約1μm，而聚合物分子的回轉(zhuǎn)半徑通常小于0.1μm，因此聚合物分子的聚集鏈?zhǔn)梢远氯麨V餅中的孔隙，加入到水泥漿體系中可以明顯降低水泥漿的失水量，并提高水泥漿漿體穩(wěn)定性。該聚合物在合成中引入了不同性能的活性基團(tuán)(酰銨基團(tuán))，因此有降濾失、分散減阻、自調(diào)凝、抗鹽及高價(jià)離子污染等功能，當(dāng)鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到飽和條件時(shí)，仍能將水泥漿的失水量控制在150mL以內(nèi)。

通過降低鹽水質(zhì)量分?jǐn)?shù)、加重劑配比，降失水劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1%～5%以內(nèi)就能將失水量控制在100mL以內(nèi)，結(jié)果見表3和表4。根據(jù)該原則選擇的水泥漿配方如下：嘉華G級水泥600g+15%鹽水300g+降失水劑40g+分散劑6g+緩凝劑2g+消泡劑5g+復(fù)配加重劑MICD 585g。

表3 降失水劑優(yōu)選

表4 降失水劑CG82L質(zhì)量分?jǐn)?shù)篩選

由表3可以看出，聚合物降失水劑CG82L具有較好的降失水能力，能有效降低抗鹽高強(qiáng)水泥漿的失水量?？果}高強(qiáng)水泥石的抗壓強(qiáng)度隨著降失水劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增多變化不大，聚合物降失水劑CG82L的摻入沒有引起水泥漿體不穩(wěn)定，相反對水泥漿穩(wěn)定性有改善作用(見表4)。試驗(yàn)結(jié)果表明了降失水劑CG82L在抗鹽高強(qiáng)水泥漿中的應(yīng)用效果較好，能將失水量控制在100mL以內(nèi)，有利于水泥漿綜合性能的提高。

為了探究降失水劑CG82L的抗鹽性，選擇密度為2.4g/cm3水泥漿配方：嘉華G級水泥600g+0%～45%鹽水300g+ CG82L降失水劑40g+分散劑6g+緩凝劑2g+復(fù)配加重劑MICD 585g，進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)評價(jià)，結(jié)果見表5。

表5 降失水劑CG82L在不同鹽水質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的高溫高壓失水量

3 抗鹽高強(qiáng)水泥漿體系性能優(yōu)化

3.1 水泥漿體系配制

通過上述試驗(yàn)研究，得到如下不同密度的抗鹽高強(qiáng)水泥漿配方：

密度1.9g/cm3水泥漿配方(常規(guī)水泥漿配方)：嘉華G級水泥600g+300目硅粉210g+15%鹽水375g+分散劑5g+降失水劑40g+緩凝劑2g+消泡劑5g。

密度2.1g/cm3水泥漿配方：嘉華G級水泥600g+300目硅粉210g+15%鹽水345g+分散劑6g+CG82L降失水劑45g+緩凝劑3.5g+消泡劑6g+復(fù)配加重劑MICD200g。

密度2.2g/cm3水泥漿配方：嘉華G級水泥600g+300目硅粉210g+15%鹽水332g+分散劑6g+CG82L降失水劑45g+緩凝劑4g+消泡劑6g+復(fù)配加重劑MICD300g。

密度2.3g/cm3水泥漿配方：嘉華G級水泥600g+300目硅粉180g+15%鹽水365g+分散劑8g+CG82L降失水劑45g+緩凝劑4.5g+消泡劑7g+復(fù)配加重劑MICD490g。

密度2.4g/cm3水泥漿配方：嘉華G級水泥600g+300目硅粉180g+15%鹽水365g+分散劑8g+CG82L降失水劑40g+緩凝劑5.27g+消泡劑6g+復(fù)配加重劑MICD590g。

表6結(jié)果顯示，常規(guī)水泥漿的失水量大，且強(qiáng)度低于14MPa，不能滿足現(xiàn)場作業(yè)要求?？果}降失水劑CG82L和復(fù)配加重劑MICD的加入與水泥漿其他添加劑配伍性好，抗鹽高強(qiáng)水泥漿體系具有良好的流變性；較高的抗壓強(qiáng)度，24h抗壓強(qiáng)度均大于20MPa；失水量較小，無自由液，穩(wěn)定性良好；水泥漿稠化時(shí)間可以通過緩凝劑加量在180～300min內(nèi)調(diào)節(jié)?？果}高強(qiáng)水泥漿綜合性能好，可以滿足深水巨厚鹽膏層大井眼固井的要求。

表6 不同密度高溫水泥漿基本性能測試結(jié)果

3.2 水泥石強(qiáng)度高溫穩(wěn)定性評價(jià)

結(jié)合巴西Libra油田地層特點(diǎn)，深水鹽膏層需采用高密度水泥漿，模擬地層條件針對適合現(xiàn)場密度為2.4g/cm3的水泥漿沉降穩(wěn)定性進(jìn)行測試。將水泥漿倒入0.7m高的管子中充分震蕩，待水泥凝固后用排水法測試不同部位的水泥石密度。結(jié)果顯示，密度2.4g/cm3水泥漿具有較高的穩(wěn)定性，上下水泥漿的密度差能夠控制在0.02g/cm3以內(nèi)，水泥漿上部無自由水出現(xiàn)。然后采用超聲波儀器對密度2.4g/cm3的水泥漿在140℃及150℃分別進(jìn)行高溫高壓養(yǎng)護(hù)，其強(qiáng)度發(fā)展曲線如圖5所示。

結(jié)果顯示，水泥漿靜膠凝強(qiáng)度發(fā)展到48Pa(96lb/100ft2)～240Pa(480lb/100ft2)的發(fā)展時(shí)間均能控制在20min內(nèi)，表現(xiàn)出較強(qiáng)的防竄性。說明該抗鹽高強(qiáng)水泥漿具有優(yōu)良的高溫穩(wěn)定性和膠結(jié)性能，保證了高溫井底的密封性。

3.3 水泥石強(qiáng)度抗沖擊功和彈性模量評價(jià)

室內(nèi)采用 TONI 壓力機(jī)和霍普金森沖擊桿分別對復(fù)配加重劑MICD加重抗鹽高強(qiáng)水泥石以及常規(guī)密度水泥石的抗沖擊功和彈性模量進(jìn)行了評價(jià)，結(jié)果見表7。由表7可見，密度為2.3g/cm3和2.4g/cm3抗鹽高強(qiáng)水泥漿較常規(guī)水泥漿的抗沖擊功分別提高了23.3%、31.8%，水泥石彈性模量分別降低了20.4%、26.6%。說明水泥石具有良好彈性和高抗沖擊性，可避免現(xiàn)場作業(yè)時(shí)水泥環(huán)受到應(yīng)力作用造成的破損，能夠確保水泥環(huán)的完整性。

表7 抗鹽高強(qiáng)水泥石的抗沖擊功和彈性模量

4 結(jié)論

1)鹽水質(zhì)量分?jǐn)?shù)對水泥漿綜合性能影響大，通過對不同鹽水質(zhì)量分?jǐn)?shù)對水泥漿性能影響的試驗(yàn)分析，推薦密度2.3g/cm3抗鹽高強(qiáng)水泥漿體系中鹽水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%～20%。

2)抗鹽高密度水泥漿加重劑的組成可根據(jù)水泥漿的密度及加重劑的特點(diǎn)，采用緊密堆積模型進(jìn)行3級粒徑加重劑緊密堆積設(shè)計(jì)，推薦密度為2.4g/cm3的抗鹽高強(qiáng)水泥漿加重劑質(zhì)量比為 4∶1 的赤鐵礦粉與錳礦粉MC200G復(fù)配的加重劑MICD，該加重劑MICD可實(shí)現(xiàn)球形加重劑的加重效果，但價(jià)格僅為球形加重劑的一半。

3)通過引入抗鹽AMPS類聚合物降失水劑與加重劑復(fù)配，降失水劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1%～5%以內(nèi)就能將失水量控制在100mL以內(nèi)，該降失水劑具有良好的抗鹽性。

4)通過對抗鹽高強(qiáng)水泥漿外加劑優(yōu)選，形成了一套具有漿體穩(wěn)定性能及流變性能好、稠化時(shí)間180～300min可控、高溫下早期抗壓強(qiáng)度高等特點(diǎn)的抗鹽高強(qiáng)水泥漿體系，該抗鹽高強(qiáng)水泥漿(密度2.4g/cm3)較常規(guī)水泥漿抗沖擊功提高了31.8%，水泥石彈性模量降低了26.6%。水泥石具有良好的彈性和高抗沖擊性，成功解決了地層鹽溶污染水泥漿影響膠結(jié)質(zhì)量的問題。