1.25～1.30g/cm3低密高強水泥漿體系研究與應用

李德偉

（中國石油集團川慶鉆探工程有限公司長慶固井公司,陜西西安710000）

隨著長慶油田對低壓低滲透油氣藏的進一步勘探和開發(fā)，深井和長封固段井的數(shù)量也逐年增多，低壓易漏井和深井長封固井的固井難點也日趨突顯出來。為避免長封井和易漏井固井施工中出現(xiàn)漏失，并保證固井質量，對固井水泥漿的各項性能提出了更高的要求，特別是在2019年，為了適應新環(huán)保法的要求，長慶油田調(diào)整了油、氣井產(chǎn)建方案，油氣井實行全封固，同時對低密度段封固質量及性能提出了更高的要求。不僅要進一步降低水泥漿密度，還要保證水泥漿在大溫差下的各項性能，最大程度地滿足油田勘探開發(fā)的要求。

1 長慶油田低密度水泥漿應用現(xiàn)狀

目前，長慶油田應用的低密度水泥漿密度范圍在1.35～1.65g/cm3之間，難以滿足地層承壓能力特低的區(qū)塊的固井要求和固井質量要求。但該水泥漿密度和低溫條件下的抗壓強度，還不完全滿足長封段固井要求。1.25～1.30g/cm3低密高強水泥漿體系的研究的完成將有利于保證長慶油田深井和長封固井的固井施工及提高固井質量，改善下部漏失層承壓能力；同時隨著水泥漿密度的進一步降低，也減少了液柱壓力與地層壓力的過平衡的程度，盡可能避免了油氣層帶來的損害；為長慶油田后續(xù)開發(fā)的需求提供了有利的技術支撐，對固井技術的發(fā)展起到積極的推動作用。在優(yōu)選外摻料的過程中，應用顆粒級配及緊密堆積理論，從而降低了水泥漿體系的應用成本，為油田經(jīng)濟效益做出有效貢獻。

2 減輕材料的優(yōu)選

2.1 按減輕機理優(yōu)選

通過技術調(diào)研、優(yōu)選出減輕材料有白土、玻化珍珠巖、空心玻璃微珠、粉煤灰、微硅等外加劑，見表1。

表1 低密度水泥外摻料優(yōu)缺點

要配制出具有低密高強的水泥漿體系，優(yōu)選減輕材料時需要考慮有低的密度、沉降穩(wěn)定性能好、來源廣泛、符合長慶油田低成本開發(fā)戰(zhàn)略，能帶來較好的經(jīng)濟效益的減輕材料。另外，還需考慮減輕材料的粒度、硬度、吸水性、反應活性等物化性質對水泥漿體系的綜合性能。

2.2 按水泥漿力學穩(wěn)定性優(yōu)選

在水泥漿靜止候凝過程中,要求漿體的固相顆粒不發(fā)生分層離析,達到預期封固高度和封固質量。在超低密度水泥漿中, 由于減輕劑本身具有很低的密度,其上浮趨勢明顯,水泥漿存在不穩(wěn)定趨向。在漿體密度一定時,減輕劑顆粒直徑越大、密度越小,所需靜切應力越大,因此減輕劑應盡量選擇顆粒尺寸較小、密度與漿體接近的, 才更容易保證漿體的穩(wěn)定。另外,在滿足施工對流動性的要求的前提下,可適當提高漿體的粘度,使減輕劑的上浮趨勢降低,保持漿體的穩(wěn)定。

3 實驗材料性能分析

3.1 玻化珍珠巖的物化特性分析

?；渲閹r屬于火山玻璃質熔巖，屬富含SiO2、Al2O3的巖類，外觀為灰白色可流動顆粒、顆粒密度0.6～0.75g/cm3，比表面積7.5～20m2/g，容重3kg/m3，平均粒徑0.50～30μm，SiO255%～70%，CaO25%～10%，容重3.0kg/m3，耐火度1100℃～1400℃，是將精選特殊粒徑的珍珠巖礦砂，在電爐加熱方式下膨化。在國內(nèi)產(chǎn)量豐富，具有極強的表面活性,價格相對較低。

3.2 空心玻璃微珠的性能

空心玻璃微珠是一種中空的圓球粉末狀超輕質無極非金屬材料，是今年發(fā)展起來的一種用途廣泛、性能優(yōu)異的新型輕質材料，其真密度在0.20～0.60g/cm3，粒徑在2～130μm 之間，具有質量輕、體積大、導熱系數(shù)低、抗壓強度、流動性好的特點，見表2。

表2 空心玻璃微珠基本性能

3.3 粉煤灰加量確定

粉煤灰具有較高的水化活性、吸附性及較低的顆粒密度。粉煤灰具有減輕的特性，改善漿體的流動性能。較低的顆粒密度可以降低低密度水泥漿體系的水灰比，從而進一步提高低密度水泥石的強度和沉降穩(wěn)定性。在長慶固井中已經(jīng)大量推廣應用。粉煤灰屬于三廢利用，成本低、貨源廣，使用粉煤灰低密度水泥具有良好的經(jīng)濟效益，見表3。

表3 粉煤灰不同加量對水泥石的影響

4 低密度水泥漿室內(nèi)實驗

4.1 兩種低密度體系各種性能實驗

配制水泥漿體系的過程是一個綜合分析的過程，要考慮多種因素的影響，通常影響水泥漿和水泥石性能的主要因素包括油井水泥的礦物組分、水灰比、外摻料、添加劑、溫度、壓力以及混配方法等。還應考慮到各種材料復合后對整個體系產(chǎn)生的影響，是否存在協(xié)同效應，而不是單純的各種外摻料最優(yōu)加量的累加。

通過大量室內(nèi)實驗形成了一種復合減輕劑（見圖1），外觀為灰白色固體顆粒粉末；具有極強的表面活性，物理密度0.85～0.95g/cm3，堆積密度0.55～0.65g/cm3，耐火度1100℃～1400℃，抗壓強度0.5MPa，閉合率不小于90%、D10 粒徑10.9μm，D50 粒徑64.1μm，D90粒徑189.7μm，是經(jīng)過優(yōu)化篩選三種減輕材料，按照最佳比例復配組合，實現(xiàn)更好的粒徑密集堆積效應，見圖2。

圖1 復合減輕劑實物照片

圖2 復合減輕劑粒度分布圖

采用復合減輕劑與玻璃微珠作為減輕材料,并選用適合低密度水泥漿的超細水泥活性材料及水泥外加劑進行實驗。形成配方1（G級水泥∶復合減輕劑∶超細水泥+GJ-S+GQD+GH-3+USZ）和配方2（G級水泥∶玻璃微珠∶微硅+GJ-S+GQD+GH-3+USZ）兩種不同類別低密高強水泥漿體系。經(jīng)實驗配方1結果為水灰比0.75，密度1.27g/cm3，析水率0%，API 失水48mL，45℃抗壓強度5.1MPa/24h、8.2MPa/48h，60℃/30MPa初稠15Bc、稠化時間208min（見圖3）；配方2 實驗結果為水灰比0.65，密度1.28g/cm3，析水率0%，API 失水39mL，45℃抗 壓 強 度7.9MPa/24h、15.5MPa/48h，60℃/30MPa初稠21Bc、稠化時間171min，見圖4。

圖3 配方1稠化曲線圖

圖4 配方2稠化曲線圖

4.2 水泥石抗壓強度實驗

為能了解低密度水泥石抗壓強度的長期變化情況，模擬井下上下封固段溫度，試驗了45℃（見圖5）、90℃常壓及21MPa 養(yǎng)護條件下水泥石的強度變化規(guī)律，按照配方1，制備水泥漿，實測密度為1.27g/cm3，模塊為50.8mm立方體水泥塊；如表4所示。

圖5 45℃/24h 常壓強度試驗

從表4可知，該體系凝固的水泥石24h抗壓強度達到5MPa 以上，從24h 到48h 期間，常壓或21MPa 下養(yǎng)護抗壓強度發(fā)展很快，特別是在增壓釜內(nèi)養(yǎng)護強度發(fā)展較快，15d 后強度發(fā)展平緩；48h 后抗壓強度達到7MPa，完全可以滿足現(xiàn)場固井需要，說明該水泥漿體系固井，強度穩(wěn)定、水泥石不衰退，長效性能好。

表4 低密度水泥石實驗

5 現(xiàn)場試驗與應用

5.1 現(xiàn)場試驗應用情況

截止2019年11月10日，在蘇里格區(qū)塊一共完成氣完井固井施工158口，固井施工順利，一次上返成功率100%，固井質量一次合格率100%。桃59 井是應用1.25 ～1.30g/cm3低密度水泥漿第一口試驗井，固井質量優(yōu)質。

5.2 現(xiàn)場應用情況實例

5.2.1 基礎數(shù)據(jù)

桃59井為預探井位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂托克前旗昂素鎮(zhèn)巴彥烏素嘎查，于2019 年8 月1 日固井,設計井深5770m,屬二開固井，固井井深3900m。

井身結構:鉆頭?311mm×(1156～3900m)，進入馬家溝地層318m；套管?244.5mm×3897m。?244.5mm技術套管固井的主要目的是封固劉家溝漏層及本溪組及其以上氣層，為下部施工降低風險。

5.2.2 水泥漿體系

3380m 至井底氣層段采用1.88g/cm3常規(guī)密度膨脹降失水水泥漿，2960～3380m 采用1.75g/cm3降失水水泥漿，800～2960m采用1.28g/cm3低密高強水泥。

5.2.3 固井質量效果

從測三樣結果分析：158口氣完井一次上返成功率100%，固井合格率：100%，目的層段優(yōu)質率：89%，封固段合格率：87%。從聲幅圖上分析：在沒有增加成本的情況下，比常規(guī)低密度水泥漿體系固井質量提高很多，得到甲方的一致認可。

5.2.4 經(jīng)濟效益測算

1.25 ～1.30g/cm3低密高強水泥漿體系研究是2019年申報的科技項目，經(jīng)濟考核指標8～10口井。低密高強減輕劑在蘇里格項目部、第三項目部得到了廣泛的推廣應用，目前應用井口數(shù)158口，每口井與常規(guī)低密度材料成本對比，一口井低密度水泥平均使用30t計算，每噸比同類低密度水泥節(jié)約280 元測算，每口井節(jié)約成本8400 元，且固井質量優(yōu)于常規(guī)低密度水泥。158口井共創(chuàng)造經(jīng)濟效益達130余萬元。

6 結論與建議

（1）1.25 ～1.30g/cm3低密高強水泥漿體系，優(yōu)選?；渲閹r、微硅、粉煤灰復配，具有沉降穩(wěn)定性及流變性能好，密度低，抗壓強度高、失水量小，適合溫度寬，稠化時間可調(diào)，可應用長封固段固井作業(yè)。

（2）該體系析水接近于“0”，靜止后上下密度差小于0.03g/cm3，漿體沉降穩(wěn)定性好，能夠滿足一次注水泥封固段長達4000m 的固井施工作業(yè)需要，具有廣闊的應用前景和現(xiàn)場應用價值。

（3）該配方選用的降失水劑和緩凝劑已達到最高臨界點，超過90℃建議選擇其他添加劑。

（4）體系應用物料種類少，混灰流程簡單且流動性好，可泵性強，有利于現(xiàn)場施工。具有很好的推廣應用價值，建議在油田易漏、承壓能力較低的區(qū)塊大面積使用。