頁巖氣水平井低密度防竄水泥漿增稠機(jī)理

郝海洋 屈 勇 何吉標(biāo) 張家瑞 劉俊君

中國石化江漢石油工程有限公司頁巖氣開采技術(shù)服務(wù)公司鉆井工藝研究所

0 引言

四川盆地涪陵頁巖氣勘探開發(fā)已取得顯著成效，工程上已形成了工藝成熟的鉆完井技術(shù)[1-5]。然而，隨著加密井的實(shí)施，地層漏失、承壓低給水平段產(chǎn)層固井施工帶來了難題[6-9]。當(dāng)前漂珠低密度水泥漿已廣泛應(yīng)用于易漏失、低承壓地層的固井施工中[10-13]。而焦石壩工區(qū)生產(chǎn)井的產(chǎn)層固井多采用雙凝雙密度固井水泥漿技術(shù)[2,14,15]，為改善低承壓地層所受的液柱壓力，領(lǐng)漿普遍采用低密度水泥漿體系（1.40 ～1.60 g/cm3）。為此，構(gòu)建了以漂珠為主要減輕劑的低密度防竄領(lǐng)漿體系，該體系水泥漿具有漿體穩(wěn)定、失水低、流變性好、轉(zhuǎn)化時(shí)間短、稠化可控等優(yōu)點(diǎn)。然而，現(xiàn)場實(shí)踐表明，焦頁X井采用的漂珠低密度水泥漿在模擬井內(nèi)溫壓條件實(shí)驗(yàn)時(shí)，升溫升壓階段出現(xiàn)增稠現(xiàn)象，增幅甚至高達(dá)85%，給實(shí)際固井中注水泥漿施工埋下了安全隱患。據(jù)報(bào)道，壓力增大會(huì)改變漂珠低密度水泥漿的密度大小[16]，但是對(duì)導(dǎo)致稠化實(shí)驗(yàn)升溫升壓階段增稠現(xiàn)象卻鮮有報(bào)道。筆者通過實(shí)驗(yàn)研究分析了導(dǎo)致漿體增稠的因素，探討了漂珠低密度水泥漿體系的增稠機(jī)理，并提出相應(yīng)的對(duì)策，降低施工風(fēng)險(xiǎn)，從而提高低壓易漏失層段的固井質(zhì)量。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)藥品及儀器

藥品：G級(jí)油井水泥，來自于嘉華水泥廠；降失水劑FC-G、增強(qiáng)劑WS-M、防氣竄劑PC-G、膨脹劑CE-S、流型調(diào)節(jié)劑LX-1、緩凝劑HR-M和消泡劑XF-1，來自于頁巖氣開采技術(shù)服務(wù)公司；漂珠PZ，來自于國內(nèi)某供貨商；流型調(diào)節(jié)劑TC-18、流型調(diào)節(jié)劑BS300-1，來自于四川弘晟石油工程技術(shù)服務(wù)有限公司。

實(shí)驗(yàn)中所用的儀器見表1。

表1 儀器及型號(hào)展示表

1.2 水泥漿設(shè)計(jì)

采用低密度防竄水泥，配方見表2。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

參照油井水泥實(shí)驗(yàn)方法GB/T 19139-2012對(duì)水泥漿進(jìn)行配制、養(yǎng)護(hù)，對(duì)水泥漿的沉降穩(wěn)定性、流變性能、稠化性能進(jìn)行測試。

稠化曲線分析：用增壓稠化儀測定不同緩凝劑加量和流型調(diào)節(jié)劑加量下的漂珠低密度水泥漿的稠化曲線，分析稠化曲線不同階段的稠度變化情況，從而獲取導(dǎo)致稠度變化的信息。實(shí)驗(yàn)條件，68℃ 35 MPa 35 min。

表2 低密度防竄水泥漿配方一覽表

流變性測試：用常壓稠化儀養(yǎng)護(hù)攪拌好的漂珠水泥漿，在68℃常壓條件下分別養(yǎng)護(hù)0 min、2 min、5 min、10 min、20 min、30 min，用六速黏度計(jì)測定漿體的流變性，分析不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間漿體的流變性。實(shí)驗(yàn)條件，68 ℃ 0.1 MPa

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 水泥漿基本性能

漂珠低密度防竄水泥漿密度為1.47 g/cm3，經(jīng)過熱養(yǎng)護(hù)后，其沉降穩(wěn)定性良好，量筒內(nèi)漿體上下密度差為0.03 g/cm（表3）。注水泥時(shí)，若想使領(lǐng)漿達(dá)到紊流狀態(tài)，則水泥車的排量應(yīng)達(dá)到5.18 m3/min，這已經(jīng)超出了目前固井水泥車的施工能力；而塞流頂替卻很容易實(shí)現(xiàn)，僅需0.50 m3/min的排量。在實(shí)際固井施工中，固井液體系除了雙凝雙密度水泥漿，還包含加重隔離液、清洗液體系。后兩者在環(huán)空中很容易實(shí)現(xiàn)紊流頂替，因此能夠保障對(duì)三開產(chǎn)層井筒內(nèi)油基鉆井液的頂替和清洗效率。

2.2 水泥漿稠化實(shí)驗(yàn)

由圖1可看出，漂珠低密度防竄水泥漿體系具有直角稠化特性，轉(zhuǎn)化時(shí)間在15～25 min，說明其具有較好的防氣竄性能；當(dāng)緩凝劑加量為0.38% ～0.44%（質(zhì)量百分比）時(shí)，漿體的稠化時(shí)間在300 ～350 min，能達(dá)到焦石工區(qū)對(duì)領(lǐng)漿的安全施工要求。

通過觀察升溫升壓階段（圖1中I區(qū)域）的稠化曲線，可以發(fā)現(xiàn)：漿體的稠化值由初始的20 Bc左右快速增加到約37 Bc，增幅高達(dá)85%，說明隨著壓力和溫度的升高，漿體的稠度增大；升溫升壓結(jié)束后，漿體的稠度趨于穩(wěn)定（圖1中的Ⅱ區(qū)域）。漿體增稠勢(shì)必會(huì)增大施工時(shí)泵壓大小，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致憋泵和固井失敗等后果。然而，僅根據(jù)稠化曲線，并不能判斷影響因素中溫度、壓力和水泥水化這三者中哪一因素占主導(dǎo)作用，亦或是三者的相互耦合作用。因此，探究漂珠低密度防竄水泥漿的增稠機(jī)理，并提出相應(yīng)的對(duì)策，對(duì)安全順利固井施工非常關(guān)鍵。

表3 水泥漿基本性能展示表

圖1 不同緩凝劑加量的稠化曲線圖

2.3 流變測定實(shí)驗(yàn)

為了探究溫度對(duì)漂珠低密度防竄水泥漿流變性的影響，將同一漿體置于68 ℃的常壓稠化儀中進(jìn)行熱養(yǎng)護(hù)（68 ℃ 0.1 MPa），測定不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間時(shí)的六速流變數(shù)據(jù)，并按冪律模式計(jì)算出了漿體的n、K值（表4、圖2）。

通過對(duì)比六速流變數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長，六速數(shù)據(jù)均出現(xiàn)先降低后升高再平穩(wěn)的趨勢(shì)；n、K值亦出現(xiàn)類似的趨勢(shì)。當(dāng)漿體n小于1時(shí)，如果增大，說明其假塑性減弱；如果減小，說明其假塑性增強(qiáng)。通常情況下，隨著溫度的升高，漿體中降失水劑FC-G等吸附在固相顆粒表面的高分子材料分子間、水分子間和前二者間的范德華力會(huì)降低，如此則會(huì)降低漿體的黏度，這在以往不加漂珠而采用嘉華低密度水泥（JH-1.45）配置的水泥漿稠化曲線中得到證實(shí)。結(jié)合圖1中Ⅰ區(qū)域的曲線，可以推斷溫度升高并不會(huì)導(dǎo)致漿體快速增稠。

表4 水泥漿流變性測試及計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

圖2 漂珠低密度防竄水泥漿在不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的n、K值變化曲線

2.4 導(dǎo)致漿體增稠的因素

2.4.1 水泥漿水化影響

嘉華常規(guī)水泥（JH-G）主要由4種成分組成：Ca3SiO5、Ca2SiO4、Ca3Al2O6和 Ca4Al2Fe2O10。其中，Ca3SiO5和Ca3Al2O6遇水后即開始快速水化，水化硅酸鈣（C-S-H）是水泥石早期強(qiáng)度發(fā)展的重要組成；Ca2SiO4和Ca4Al2Fe2O10則水化緩慢，有助于水泥石的后期強(qiáng)度發(fā)展。當(dāng)有緩凝劑和降失水劑等高分子吸附在Ca3SiO5和Ca4Al2Fe2O10顆粒表面時(shí)，抑制了Ca2+向Ca(OH)2的轉(zhuǎn)化速率，從而能夠抑制水泥漿的水化反應(yīng)速率。然而常規(guī)的低密度水泥漿升溫升壓階段，低密度水泥漿曲線平穩(wěn)，未見明顯增稠現(xiàn)象，由此可以推斷漂珠低密度防竄水泥漿在最初的增溫增壓階段，水泥水化不會(huì)對(duì)漿體稠度造成太大影響。

2.4.2 膨脹劑對(duì)漿體增稠的影響

目前市場上常用的晶格膨脹劑的主要組分為MgO，而MgO對(duì)水泥水化速率的影響存在一定的爭議。Chen等[17]認(rèn)為MgO可以降低了Ca3SiO5的反應(yīng)活性，由此會(huì)降低水泥的早期水化速率；而Stephan等[18]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明低含量的MgO對(duì)Ca3SiO5的水化沒有作用，但是當(dāng)含量超過1.4%，幾天后的水化速率就會(huì)增加。就MgO的生產(chǎn)方式而言，欠火MgO由于吸附鹵化鎂多，會(huì)導(dǎo)致水泥水化反應(yīng)速率加快，而正火MgO則對(duì)水泥水化影響較小[19]?；诮故^(qū)領(lǐng)漿低密度水泥漿的稠化曲線，可以確定膨脹劑不會(huì)對(duì)漿體的稠度造成大幅增加。

2.4.3 溫度升高對(duì)漿體增稠的影響

根據(jù)不同熱養(yǎng)護(hù)時(shí)間下的黏度測定結(jié)果（表4），可以看出隨著溫度的升高，漿體的黏度先減小后增大，最后平穩(wěn)。這與圖1中IⅡ區(qū)域的稠化曲線趨勢(shì)相符。根據(jù)流變測定實(shí)驗(yàn)結(jié)果（用常壓稠化儀養(yǎng)護(hù)漿體后測定流變數(shù)據(jù)），溫度升高降低了漿體中液相分析間的范德華力，因此增溫的最初幾分鐘內(nèi)（圖1中Ⅰ區(qū)域），溫度升高并不會(huì)導(dǎo)致漿體稠度快速增稠。

2.4.4 壓力升高對(duì)漿體增稠的影響

圖3給出了不同緩凝劑和流型調(diào)節(jié)劑加量不同調(diào)價(jià)下的稠化曲線的增溫增壓階段。從圖中可以看出，加流型調(diào)節(jié)劑的漿體平穩(wěn)時(shí)的稠度有所改善，但所有漿體都出現(xiàn)了不同程度的熱增稠現(xiàn)象，尤其是在稠化實(shí)驗(yàn)開始最初的5 min內(nèi)。

圖4給出了不同稠化曲線最初5 min內(nèi)漿體稠度變化率隨時(shí)間變化曲線。從圖可以清晰地看出，在稠化實(shí)驗(yàn)開始的最初1 min中內(nèi)，變化率急劇下降，隨后變化率逐漸平緩，最終趨于0 Bc/min。這表明初始?jí)毫Φ脑黾?，促使?jié){體稠度快速增大。

圖3 溫度和壓力增加階段不同漿體的稠化曲線圖

圖4 稠化曲線增壓初始階段稠度變化率曲線圖

對(duì)比漂珠低密度防竄水泥漿體系和嘉華低密度水泥漿體系的稠化曲線，可以發(fā)現(xiàn)，增溫增壓初始階段稠度增大的現(xiàn)象，也僅在漂珠低密度防竄水泥漿體系中出現(xiàn)。那么增大壓力是如何影響漿體的稠度的呢？

2.5 增稠機(jī)理

2.5.1 破碎漂珠中氣體排出

圖5擬合前50 min的稠化曲線，并由此計(jì)算出了前50 min內(nèi)的稠度增長率隨時(shí)間變化情況（表5）。從圖中可以看出，稠化實(shí)驗(yàn)伊始，漿體的稠度快速增加，稠度變化率急劇下降，結(jié)合圖5中漂珠中有因破碎而存在的空穴，可以推斷的是初始增壓使破碎漂珠中的微氣泡溶進(jìn)了漿體中[16]，氣體分子在溫度升高時(shí)運(yùn)動(dòng)加劇，又由于漂珠破碎而導(dǎo)致固相顆粒比表面增大，從而增大了漿體的稠度，該階段約發(fā)生在實(shí)驗(yàn)開始的前5 min內(nèi)。

在無外界壓力時(shí)，這些窩存在空穴中的氣體無法排出；當(dāng)溫度升高而無約束壓力時(shí)，微氣泡的體積增大而能夠逸出漿體。因此，對(duì)于漂珠低密度防竄水泥漿，常壓下測定出的漿體的流變數(shù)據(jù)無法真實(shí)的反映井底溫壓環(huán)境下的漿體真實(shí)稠度，尤其存在破碎漂珠的情況下。

2.5.2 漂珠受壓而破碎

圖5 稠化曲線擬合圖（加0.404 %緩凝劑漿體的前50 min）

隨著實(shí)驗(yàn)壓力和溫度的增加，最初溶進(jìn)漿體中的微氣泡體積變小、氣體分子與液相分子間的碰撞作用加強(qiáng)，加劇了漿體稠度的增加。同時(shí)，隨著漿體所受壓力的增大，漂珠受到的壓力超過其抗壓強(qiáng)度時(shí)，部分漂珠被擠破，釋放微氣泡，使?jié){體稠度進(jìn)一步增大。該階段則處在5～35 min內(nèi)。

2.5.3 破碎漂珠顆粒增大了漿體顆粒間摩擦力

此外，破碎的漂珠由于出現(xiàn)斷面，失去了原有的球狀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致破碎漂珠顆粒與漿體中其他顆粒間的摩擦力增大，亦會(huì)導(dǎo)致流動(dòng)阻力增大。

2.6 對(duì)策

2.6.1 使用高效消泡劑

基于漂珠低密度防竄水泥漿漿體稠度的增大機(jī)理，氣泡是主要危害因素。因此，在漿體中添加強(qiáng)效消泡劑，降低漿體中氣泡表面的表面張力，從而盡可能降低氣泡數(shù)量。

表5 前50 min稠度增長率隨時(shí)間變化情況表

2.6.2 加入流型調(diào)節(jié)劑

采用了3種流型調(diào)節(jié)劑LX-1、TC-18和BS300-1來緩解漿體在升溫升壓階段的漿體增稠問題，評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同流型調(diào)節(jié)劑對(duì)水泥漿稠度影響曲線圖

從圖中Ⅱ、Ⅲ區(qū)域稠度可以看出，TC-18可以較好地改善漂珠低密度防竄水泥漿體系的稠度，當(dāng)加量在2.5 g（嘉華G級(jí)油井水泥的0.5 %）以上時(shí)，能使?jié){體的稠度維持在20 Bc左右的范圍；而LX-1和BS300-1加量在0.8 %以上時(shí)，未見明顯效果。此外，從圖6中I區(qū)域的曲線可以看出，流型調(diào)節(jié)劑雖然可以改善漿體的稠度，但是在升溫升壓階段，仍會(huì)出現(xiàn)漿體稠度增大現(xiàn)象，這印證了氣泡是導(dǎo)致漿體增稠主要因素的論斷。

2.6.3 采用高強(qiáng)度漂珠

漂珠低密度防竄水泥漿體系之所以出現(xiàn)升溫升壓階段增稠現(xiàn)象，和漂珠破碎和強(qiáng)度不足有關(guān)。研究表明，采用高強(qiáng)度的漂珠作為減輕劑的低密度水泥漿體系的稠化曲線升溫升壓階段，未見稠度值快速增大現(xiàn)象[20]。

3 結(jié)論

1）通過分析稠化實(shí)驗(yàn)和流變實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致漂珠低密度防竄水泥漿體系在升溫升壓階段稠度增大的主要原因是漂珠破碎和抗壓強(qiáng)度低，漂珠中的氣泡溶入漿體中，增大了漿體的稠度；

2）基于漂珠低密度防竄水泥漿增稠機(jī)理，選擇合適的強(qiáng)效消泡劑、流型調(diào)節(jié)劑和高強(qiáng)度漂珠可以減緩漂珠低密度防竄水泥漿體系初始稠度增大的程度，從而保證施工安全。