復合空心玻璃微珠水泥漿體系在長慶定吳區(qū)塊的應用

閔江本，馬學如，張戰(zhàn)臣

（1.中國石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院，陜西西安 710018；2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室 陜西西安，710018；3.中國石油川慶鉆探工程有限公司長慶固井公司，陜西西安 710018）

定吳區(qū)塊目前使用的低密度水泥漿主要以粉煤 灰體系和閉孔膨脹珍珠巖體系為主，粉煤灰因其自身密度的局限，漿體密度很難降到1.40 g/cm3以下，這就造成了環(huán)空靜液柱壓力過高，易壓漏地層。閉孔膨脹珍珠巖體系雖能將密度調(diào)至1.30 g/cm3以下，但珍珠巖自身承壓能力低，在固井施工過程中易發(fā)生破碎，造成漿體密度升高；珍珠巖形狀不規(guī)則，造成現(xiàn)場施工流動摩阻大，施工壓力偏高，容易壓漏地層?？招牟Ａ⒅橐蚱涿芏鹊?、需水量小，可配制出一般減輕材料達不到的水泥漿密度，最低能至1.08 g/cm3，但因單獨使用其價格昂貴，并未大面積推廣使用。本文依據(jù)緊密堆積原理，合理控制顆粒級配，以閉孔膨脹珍珠巖和空心玻璃微珠作為主要減輕材料，同時輔以粉煤灰、微硅、堿性高爐礦渣等外摻材料及相關(guān)外加劑，研制出一種復合型空心玻璃微珠水泥漿體系，并設(shè)計了一套水泥干混工藝。

1 閉孔膨脹珍珠巖及空心玻璃微珠基本特點

閉孔膨脹珍珠巖是一種氣孔封閉、呈不規(guī)則球狀顆粒，內(nèi)部多孔的空腔結(jié)構(gòu)，理化性能穩(wěn)定，具有極強的表面活性，價格相對較低[1-2]。但其單獨承壓能力有限，在混漿攪拌中受到物理剪切或擠壓時容易破碎，造成水泥漿密度會有一定程度的增加。

空心玻璃微珠是一種密閉中空的玻璃球體，晶體穩(wěn)定，呈化學惰性，具有堅硬的外殼，抗壓能力強，當靜壓強度達到 60 MPa 時，球體破碎率小于10%，內(nèi)部充有一定的空氣[3-5]。

采用玻璃微珠配制水泥漿需水量少，玻璃微珠水泥漿的低水灰比也決定了其在同一密度條件下的抗壓強度明顯高于其他類型的水泥漿強度，但如果單獨使用成本過高。

2 水泥漿技術(shù)

2.1 復合空心玻璃微珠水泥漿設(shè)計

長慶定吳區(qū)塊是長慶油田主力產(chǎn)油區(qū)，該區(qū)塊地層裂縫發(fā)育，漏點多且情況復雜，部分井多次進行鉆井液堵漏無果，地層承壓能力低，固井易發(fā)生壓差性漏失，若采用常規(guī)水泥漿體系固井，極易壓漏地層，造成水泥漿返出困難，從而影響固井質(zhì)量。

復合空心玻璃微珠水泥漿具體設(shè)計如下：①為有效降低領(lǐng)漿水泥漿密度，室內(nèi)優(yōu)選一種輕珠和空心玻璃微珠作為復合減輕劑，根據(jù)水泥漿性能要求設(shè)計低密度高強度水泥漿體系；②一次上返全井段為雙凝體系，選擇合適的雙凝水泥漿界面高度，精準控制環(huán)空液柱壓力，滿足平衡壓力固井要求；③水泥漿中加入關(guān)鍵外加劑，保證漿體穩(wěn)定性、流動性及合適的稠化時間；④水泥漿中加入一定的增強材料（高爐礦渣與堿性激活劑復配而成）和早強劑，增強環(huán)空水泥抗壓強度，提高水泥漿防竄能力。

2.2 復合空心玻璃微珠水泥漿配方調(diào)試

復合空心玻璃微珠水泥漿基礎(chǔ)配方體系是由 G級水泥、閉孔膨脹珍珠巖、Y6000 型空心玻璃微珠、增強材料及粉煤灰、微硅等外摻料在一定的比例下配制而成。根據(jù)顆粒級配原理及現(xiàn)場需要，調(diào)整水泥、玻璃微珠及外摻料比例，基礎(chǔ)配方如表1 所示。研究發(fā)現(xiàn)，當玻璃微珠加量10%～22%即可配制出密度為 1.19～1.28 g/cm3的性能優(yōu)良的復合低密度水泥漿，復合低密度水泥漿48 h 抗壓強度最高可達12.5 MPa，綜合地層漏失當量密度、水泥漿基礎(chǔ)性能數(shù)據(jù)及經(jīng)濟成本，選擇配方5、6 作為低壓易漏層固井一次上返領(lǐng)漿體系。

表1 不同密度玻璃微珠水泥漿基礎(chǔ)配方性能

3 復合空心玻璃微珠水泥漿綜合性能評價

3.1 水泥漿配方完善

根據(jù)上述復合空心玻璃微珠水泥漿配方調(diào)試研究，考慮定吳區(qū)塊水平井一次上返固井施工特點，結(jié)合外加劑使用即可配制出不同密度的性能優(yōu)良的復合空心玻璃微珠水泥漿，適應現(xiàn)場固井需求。不同溫度和密度條件下復合空心玻璃微珠水泥漿體系性能見表2。

3.2 抗壓強度

表2 不同密度條件下水泥漿配方完善

空心玻璃微珠水泥漿低需水量就能很好地降低漿體密度，從而比同等密度條件下其他類型水泥漿具有更高的水泥抗壓強度。為進一步提高產(chǎn)層和填充結(jié)合段水泥漿性能，保證該段水泥環(huán)在后期壓裂改造過程中的完整性，本文在水泥外摻料合理顆粒級配的前提下，引入一種堿性激活增強材料。

該增強組分能夠加速水泥水化反應生成更多的Ca(OH)2，結(jié)晶析出更多的C-S-H 凝膠并充滿整個水化體系，水化產(chǎn)物之間聚集形成更多的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可進一步提升整個水泥漿體系的抗壓強度，抗壓強度具體性能參數(shù)見表3。

表3 不同溫度、壓力條件下水泥漿基礎(chǔ)性能

3.3 水泥漿流變性和穩(wěn)定性

水灰比、降失水劑和減阻劑是調(diào)節(jié)低密度水泥漿穩(wěn)定性和流變性的三大關(guān)鍵參數(shù)，空心玻璃微珠因其特有的低密度特征，在配制低密度水泥漿時需水量小。

在低水灰比條件下，選擇合適的降失水劑和減阻劑將變得至關(guān)重要。聚乙烯醇類降失水劑屬于水溶性高分子材料，能夠在 40～90 ℃水泥漿中形成一種不浸透膜，減少水分向地層浸透，鎖住自由水。固井用減阻劑是一種陰離子表面活性劑，能夠吸附在水泥表面的正電荷位置，使粒子表面帶同種電荷，在同性相斥的原理下抑制水泥顆粒的聚集，水泥顆粒處于一種相對穩(wěn)定的懸浮狀態(tài)[6-7]。根據(jù)漿體實際情況，選擇合適的降失水劑和減阻劑加量，常溫常壓條件下復合空心玻璃微珠水泥漿流變性能見表4。

表4 常溫常壓條件下水泥漿流變性和穩(wěn)定性

為弄清水泥漿性能在實際工況條件下是否會受環(huán)境影響而發(fā)生變化，本文研究了復合空心玻璃微珠水泥漿在井底溫度壓力條件下的流變性和穩(wěn)定性。將復合空心玻璃微珠水泥漿在增壓稠化儀中養(yǎng)護至預定溫度壓力條件（70 ℃/35 MPa）后取出，再進行參數(shù)測定，結(jié)果顯示，水泥漿在井底溫度壓力條件下流動性和穩(wěn)定性良好，具體性能指標參數(shù)見表5。

表5 模擬井底溫度壓力條件下水泥漿流變性和穩(wěn)定性

3.4 水泥漿防漏性能

在固井過程中，對于壓差性漏失地層而言，關(guān)鍵在于降低井筒與地層之間的正壓差。在水泥漿密度一定的前提下，井筒靜液柱壓力是一定的，要想降低正壓差，就必須提高水泥漿的地層承壓能力以減緩和阻止漏失。本文采用20 目鋼珠模擬地層滲透性漏失，采用1，2，3 mm 縫板模擬裂縫性漏失，先將縫板置于漿杯底部，裝入鋼球，再將水泥漿倒入漿杯，加壓模擬水泥漿進入地層裂縫的狀態(tài)，測試水泥漿承壓能力（表6）。

表6 水泥漿防漏性能檢測結(jié)果

實驗結(jié)果表明，配方1、2 在漏層模型條件下承壓能力為3.9～6.4 MPa，說明流動狀態(tài)下耐壓防漏低密度高強度固井水泥漿有一定的承壓能力，可以保證在漏層處的滯留凝結(jié)，所述減輕劑中閉孔膨脹珍珠巖是一種不規(guī)則球狀可變形有機材料，水泥漿體在壓差作用下，體積向低壓端發(fā)生膨脹，在裂縫端口即近井壁處快速填充封閉，形成高強度封堵橋塞，從而有效提高地層的承壓能力。

3.5 水泥漿耐壓性能

按照GB/T 19139-2012 油井水泥實驗方法對復合低密度水泥漿進行耐壓測試，將制備好的水泥漿倒入漿杯，在增壓養(yǎng)護釜內(nèi)逐級加壓后測試其加壓后水泥漿密度，與初始水泥漿密度對比，分析發(fā)現(xiàn)水泥漿在進行耐壓測試后密度增長不明顯，密度增長百分比小于5%。這是因為空心玻璃微珠是一種微小，中空的圓球狀粉末，具有良好的耐壓性能，在加壓至50 MPa 條件下穩(wěn)壓1.5 h，在顯微鏡下觀察玻璃微珠，發(fā)現(xiàn)破碎者極少[8]。室內(nèi)實驗也表明，空心玻璃微珠加量越大，水泥漿耐壓性能越好（表7）。

表7 水泥漿耐壓性能檢測結(jié)果

4 水泥干混工藝優(yōu)化

固井干灰混拌裝置是將水泥、外摻料以及不同用途的干粉添加劑混合系統(tǒng)裝置[9-10]。主要由原料罐、底藏罐、混拌罐、成品罐、除塵罐、儲氣罐、排空管線及中控系統(tǒng)等部件組成。目前長慶區(qū)域固井干混工藝均為氣動混拌工藝，該混拌裝置的優(yōu)點在于混拌迅速、操作簡單，一次性混拌灰量大，但由于混拌罐連接放空管線，當混拌一次混配噸數(shù)多或氣壓過大時，容易造成裝置內(nèi)干粉從排空管線中流失至除塵罐，特別是在混拌低密度水泥或添加劑種類多且加量少的情況下，流失量更為明顯。大、小樣實驗性能差距大，直接影響水泥干混質(zhì)量，圖1 為現(xiàn)用干混裝置混灰流程示意圖。

復合空心玻璃微珠由多種材料復合而成，各種外摻料、外加劑連同水泥一起共10 種材料。外加劑加量少，且空心玻璃微珠粒徑小，質(zhì)量輕，采用傳統(tǒng)干混裝置混灰勢必造成空心玻璃微珠的流失嚴重，影響水泥干混質(zhì)量和水泥漿性能。在原有設(shè)備的基礎(chǔ)上對混拌罐進行優(yōu)化升級，一是將原有25 m3大罐改為8 m3小罐，同時在混拌罐內(nèi)引入桿式葉輪機械攪拌裝置，在頂部加裝防塵袋和振動器裝置；其原理在于，在一個較小的密閉空間內(nèi)噸水泥干灰進行混拌，控制氣壓，輔以機械攪拌，使混拌更加均勻。二是在上部裝有除塵袋和振動器，當空心玻璃微珠在氣壓作用下上浮時，直接進入除塵袋中，然后在振動器的作用下再返回批混罐內(nèi)，從而實現(xiàn)干混過程中的零流失，圖2 為改進后的干混裝置混灰流程示意圖。

圖1 現(xiàn)用干混裝置混灰流程

5 現(xiàn)場應用

圖2 改進后的干混裝置混灰流程

2019 年，在長慶定吳區(qū)塊試驗復合空心玻璃微珠水泥漿固完井5 口，該水泥漿現(xiàn)場施工流動性好，施工壓力低，水泥返出情況良好，漏失量均在5 m3以下，漏失情況較之前改善明顯?，F(xiàn)以黃H18-6 井為例進行應用分析。該井井身結(jié)構(gòu)為：φ311.2 mm×506 m+φ244.5 mm×506 m+φ216 mm×3 252 m+φ139.7 mm×3 252 m，水平段長450 m，入窗2 802 m，造斜544 m，垂深2 457.86 m。為提高管串承壓能力及井筒完整性，水平井固井采用一次上返，要求全井段封固，注水泥漿、頂替、候凝過程中存在返高不夠的風險。

設(shè)計井底到入窗以上200 m 采用零析水、低失水增強韌性水泥漿體系，入窗以上200 m 到井口采用復合空心玻璃微珠水泥漿體系，復合空心玻璃水泥干混采用改進后的干混裝置進行混配，各混灰批次大樣密度均能控制在設(shè)計密度范圍內(nèi)，稠化時間均符合設(shè)計要求。下套管完大泵循環(huán)泥漿2 h，注前置液4 m3，注水泥78 m3，現(xiàn)場施工復合空心玻璃微珠平均密度1.26 g/cm3，與設(shè)計相符。替量39.6 m3，起壓13.5 MPa，碰壓21.0 MPa，穩(wěn)壓斷流正常，未漏失，憋壓等候凝4 h。經(jīng)聲幅變密度測井評定，水泥返高滿足設(shè)計要求，固井質(zhì)量優(yōu)良。

6 結(jié)論

（1）復合空心玻璃微珠水泥漿體系具有零析水、低失水、密度低、抗壓強度高、穩(wěn)定性好等特點，解決了低密度水泥漿無法兼顧低密度、高抗壓強度、耐壓性強、防漏效果好等技術(shù)難題，克服了現(xiàn)有低密度水泥漿功能單一的技術(shù)缺陷，滿足長慶油田低壓易漏地層一次上返固井需要，能提高單井全井段封固質(zhì)量。

（2）空心玻璃微珠和閉孔膨脹珍珠巖復配，保留了空心玻璃微珠水泥漿體系的耐壓特性，閉孔膨脹珍珠巖還賦予水泥漿以膨脹收縮彈性，能進一步提高水泥漿的自堵漏效果。