高密度半飽和鹽膏層固井水泥漿體系構(gòu)建及其綜合性能研究

鐘興強 舒曼 張詩航 趙強 胡順 楊曉榕 潘宏霖

摘? ? ? 要：深水巨厚含鹽儲層的固井作業(yè)中所存在的鹽蠕動問題多年來一直是一項技術(shù)難題，此外，除了需要解決抗鹽性問題的同時還需要針對性進行加重以平衡深水下的地層壓力。本文通過以半飽和鹽水為基漿，采用多元加重劑組合形式對水泥漿進行密度區(qū)間1.9～2.4 g·cm-3的漿體設計，同時對水泥漿一系列基礎性能及力學性能進行系統(tǒng)性評測及分析，構(gòu)建出一套能有效滿足變密度深水巨厚鹽層的固井水泥漿配方體系，該套配方體系在120 ℃下具有良好的流動性，且稠化時間大于3 h，失水量低，24 h抗壓強度穩(wěn)定在20 MPa以上，具有較好的應用效果和價值。

關(guān)? 鍵? 詞：深水鹽層;固井;加重;稠化時間

中圖分類號：TE256? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ?文章編號： 1671-0460（2020）11-2398-04

Study on Construction and Comprehensive Performance of High

Density Semi Saturated Salt Gypsum Layer Cementing Slurry System

ZHONG Xing-qiang1， SHU Man2， ZHANG Shi-hang3， ZHAO Qiang2，

HU Shun2， YANG Xiao-rong2， PAN Hong-Lin4

（1. Zhanjiang Operation Company， Petrochemicals Division， CNOOC Oilfield， Zhanjiang 524051， China;

2. Jingzhou Jiahua Technology Co.， Ltd.， Jingzhou 434000， China;

3. Downhole Testing Company of Sinopec Jianghan Petroleum Engineering Co.， Ltd.， Wuhan 430100， China;

4. Zhanjiang Branch of CNOOC （China） Co.， Ltd.， Zhanjiang 524051， China）

Abstract：? The salt creep problem in cementing operation of deep-water extremely thick salt bearing reservoir has been a technical problem for many years. In addition， in addition to solving the problem of salt resistance， it is also necessary to carry out targeted weighting to balance the formation pressure in deep water. In this paper， based on the semi saturated salt water as the base slurry， the slurry with density range of 1.9～2.4 g·cm-3 was designed by the combination of multiple weighting agents. At the same time， a series of basic properties and mechanical properties of the cement slurry were systematically evaluated and analyzed， and a set of cementing slurry formula system which can effectively meet the variable density deep water extremely thick salt layer was constructed. It has good fluidity， thickening time of more than 3 h， low water loss and compressive strength of more than 20 MPa in 24 h at 120 ℃.

Key words：? Deep water salt layer; Cement; Aggravating; Thickening time

海洋中蘊藏著豐富的石油、天然氣等能源資源，其中深水區(qū)域的油氣儲量更為豐富，但其開采難度也比陸上油田大得多，在鉆探過程中會遇到完全不同于以往的技術(shù)障礙，因而對常規(guī)的鉆井和完井技術(shù)是一個巨大的挑戰(zhàn)[1-5]。在深海固井領域中，鹽層固井技術(shù)一直是公認的固井作業(yè)中的難題，經(jīng)過多年科研攻關(guān)，仍沒有從根本上解決[6-7]。

因為鉆井過程中鹽層的不穩(wěn)定性，造成井眼縮徑、坍塌，或由于鉆井中鹽巖溶解形成“大肚子”井眼，甚至使井眼斜塌[7-8];在套管注水泥后，水泥與井壁之間膠結(jié)很差，不能支撐套管，而且由于鹽巖層的蠕變，套管受非均勻載荷，致使管體變形或擠毀。國內(nèi)外許多深井未鉆達目的層提前完鉆或鉆穿鹽層后事故完鉆和套管報廢[9-12]，都是上述問題綜合作用的結(jié)果，如果加上鉆井作業(yè)中由于裂縫、灰?guī)r或者高滲透性砂巖的漏失，則鉆井及固井作業(yè)難度將變得更大，也由此浪費大量人力財力物? ? 力[13]。

基于此，通過優(yōu)選最適含鹽鹽水基漿，用以抑制地層鹽巖溶解，并采用多元加重劑組合形式對水泥漿進行密度區(qū)間1.9～2.4 g·cm-3的漿體設計，同時對水泥漿一系列基礎性能及力學性能進行系統(tǒng)性評測及分析，構(gòu)建出一套能有效滿足變密度深水巨厚鹽層的固井水泥漿配方體系，對解決固井復雜問題、保證后續(xù)生產(chǎn)作業(yè)的順利進行具有極其重要的意義。

1? 實驗部分

1.1? 實驗原料

G級油井水泥，四川嘉華有限公司;氯化鈉;硅粉（325目，即粒徑小于0.045 mm）、磨赤鐵礦（240～1 200目，即粒徑0.011～0.061 mm）、錳礦粉、支撐劑、分散劑、緩凝劑、增強劑等，山東金超化工有限公司;降濾失劑、消泡劑，荊州嘉華科技有限公司。水泥漿的基本配方組成見表1。

1.2? 實驗方法

水泥漿的配制及評測工作均按照《油井水泥》（GB 10238—2005）及《油井水泥試驗方法》（SY/T5546—92）的有關(guān)規(guī)定進行。

2? 結(jié)論與討論

2.1? 抗鹽降失水劑的影響

水泥漿降濾失劑的配比選擇是水泥漿體系的基礎。降濾失水劑通過顆粒的反絮凝和分散控制失水，使水泥漿產(chǎn)生致密的泥餅。加入降失水劑可以提高泥餅的黏度和離子化程度，起到保水作用，從而減少泥餅孔隙間的自由流動和滲透率。就像每個水泥顆粒周圍都有一層不透水的薄膜一樣，水溶性聚合物通常具有這種效果。本文通過AMPS聚合得到的中相對分子質(zhì)量聚合物C98L成本較低，該聚合物具有較好的降濾失效果及沉降穩(wěn)定性，且水泥漿配制均勻，不同溫度段可泵送性好，同時還具備較強的抗鹽效果，在不同的鹽濃度下，可以很好地控制失水。為了確定降濾失劑C98L的耐鹽性，在實驗室（無加重劑）進行了進一步的評價，實驗結(jié)果見表2。

實驗結(jié)果表明，C98L具有良好的降濾失效果，其流變性能和穩(wěn)定性也能滿足固井作業(yè)的要求。用降失水劑C98L配制的水泥漿，漿體均勻，沉降穩(wěn)定性好，能滿足固井作業(yè)的需要。

2.2? 增強劑對半飽和鹽水水泥漿體系的影響

在水泥漿中加入XC液體防竄劑，其主要成分為超細SiO2，可有效提高水泥漿的早期強度和抗竄能力。XC又稱孔隙填料，主要用于阻止流體在孔隙中流動，防止骨架在外力作用下的結(jié)構(gòu)破壞。作為一種填充封堵材料，具有良好的防腐能力。XC孔支撐劑是一種經(jīng)過特殊處理工藝制備的活性納米級精細材料，主要用于防氣竄固井，提高水泥漿體系的穩(wěn)定性，提高水泥漿體的防腐能力，提高水泥漿體的密實度，提高水泥漿體的抗沖擊損傷性能。超細顆粒的填充作用能迅速提高水泥漿的固井速度，增加氣竄阻力，同時，超細顆粒能大大增加固井表面集體密實度，提高界面固井質(zhì)量。XC中的活性物質(zhì)在水泥水化過程中與Ca（OH）2反應生成C-S-H凝膠，使水泥在固化過程中迅速形成網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)和水泥漿體的滲透性，使水泥具有較高的抗氣滲性和耐酸性。此處研究了不同XC早強劑用量對水泥凈漿性能的影響，結(jié)果如圖1和圖2所示。

通過對孔支撐劑XC外加劑摻量的篩選，發(fā)現(xiàn)當XC的摻量在5%～7%之間時，水泥漿的綜合性能處于平衡狀態(tài)。

2.3? 半飽和鹽水水泥漿體系基礎性能評價

在評價水泥漿體基本性能時，對溫度高于? ?100 ℃的水泥漿體基本性能的評價通常是以93 ℃時的評價結(jié)果為依據(jù)，評價了水泥漿的流變參數(shù)和水泥漿的穩(wěn)定性，結(jié)果見表3。

由表3可知，通過預篩選和優(yōu)化得到的厚巖水泥漿體系在1.9～2.4 g·cm-3的密度范圍內(nèi)具有較好的流變特性和優(yōu)良的漿液穩(wěn)定性，大大降低了泥漿工程應用過程中泵送施工的難度，有效避免了上下水泥漿密度差過大造成水泥環(huán)失重的現(xiàn)象。

2.4? 半飽和鹽水水泥漿體系稠化性能評價

由于試驗地層為深水鹽膏層，為了有效、快速地抑制巖鹽溶解引起的井眼收縮，避免地層可溶性鹽進入水泥漿，因此對水泥漿直角凝固特性有一定的要求。通常水泥漿的稠化時間大于3 h，轉(zhuǎn)化時間小于30 min，這是在水泥漿基本性能符合標準的基礎上確定的。本文對120 ℃溫度范圍內(nèi)深水厚層水泥漿稠化進行了具體評價，結(jié)果見圖3。

由圖3可知，在溫度為120 ℃，密度為? ?1.9～2.4 g·cm-3時，水泥漿稠化時間大于200 min（即3 h以上），轉(zhuǎn)化時間小于30 min，完全滿足深水厚巖層固井的需要。

深水地層固井的另一個關(guān)鍵指標是水泥石固結(jié)強度的要求。在溫度120 ℃和模擬地層壓力? ?（>30 MPa）條件下對水泥石進行了1、7、14 d的抗壓強度測試，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，當溫度處于120 ℃時，盡管水泥石抗壓強度隨密度的增加略有下降，但從以上數(shù)據(jù)可以看出，由于XC和硅灰的摻入，水泥石強度得到了一定提高，抗壓強度可穩(wěn)定在40 MPa以上。

2.5? 微觀結(jié)構(gòu)分析

在顆粒堆積水泥漿體微觀結(jié)構(gòu)分析中，分析了在2.4 g·cm-3高密度配方體系下水泥漿體截面的微觀結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

從圖5可以看出，復合加重劑材料均勻分散在水泥漿體中，并形成致密的堆積層。不同粒徑加重劑材料的團聚堆積使水泥基體更加致密。這就解釋了水泥凈漿體抗壓強度隨水泥漿體摻量的增加而提高的原因。

3? 結(jié)束語

針對深水厚巖層中所存在的儲層鹽巖段溶解而造成的井徑變小、對水泥漿漿體性能影響大的問題，構(gòu)建出一套120 ℃下能有效實現(xiàn)密度1.9～2.4 g·cm-3可調(diào)，漿體沉降穩(wěn)定性佳，流變性能良好，API失水量低，稠化時間穩(wěn)定在3 h之上的半飽和鹽水水泥漿配方體系。該套配方體系通過采用半飽和鹽水基漿協(xié)同復配加重劑的形式，有效解決了深水厚鹽層中所存在的固井技術(shù)難題，具備較強的市場應用價值。

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