低密度水泥漿體系溫度適用性研究

王志明，王賀寧，耿國偉

（1.中海油田服務(wù)股份有限公司油化塘沽作業(yè)公司，天津 300459；2.天津中海油服化學(xué)有限公司，天津 300458）

0 引言

渤海海域固井作業(yè)，井底承壓能力有限，井深層位各有不同。為解決井下壓力窗口窄，全封固井靜液柱壓力高，井底承壓能力不足的問題[1]，需要有針對性地開發(fā)低密度水泥漿體系。根據(jù)不同的井深，需要滿足不同溫度下固井作業(yè)要求。表層套管固井作業(yè)溫度低，技術(shù)套管以及生產(chǎn)套管固井作業(yè)溫度偏高，尤其深井、超深井固井作業(yè)時需要的溫度會更高，這就要求固井水泥漿在應(yīng)用時具有寬泛的溫度跨度。結(jié)合現(xiàn)場固井施工作業(yè)材料種類繁雜，如果同時存在多套水泥漿體系進行現(xiàn)場作業(yè)的情況，極易出錯，造成施工作業(yè)事故。因此，亟待開發(fā)出一種低密度水泥漿體系，滿足固井作業(yè)材料種類少，施工可操作性強，具有廣泛的溫度適用性等特點。

1 水泥漿體系介紹

本論文研究的低密度水泥漿體系，著重對低密度混合材組成進行優(yōu)化設(shè)計。根據(jù)水泥漿組成材料顆粒堆積理論模型，選擇不同粒徑的膠凝材料進行緊密堆積。一方面，在水泥漿水化過程中充分分布于水泥漿漿體空隙中，起到良好的充填作用，另一方面，可以提高水泥石的致密性，有效促進水泥石早期強度發(fā)展。

在低溫段，通過引入早強促凝材料，縮短水泥漿稠化時間，促進水泥石強度快速發(fā)展；在中高溫段引入緩凝材料，有效延長水泥漿稠化時間，以滿足現(xiàn)場施工作業(yè)要求。低密度人造玻璃微珠可有效降低水泥漿密度，減少水灰比，降低自由水，提高單位體積內(nèi)固相顆粒含量，促進水泥石強度發(fā)展[2-3]。在高溫段，水泥石容易出現(xiàn)高溫衰退問題，需要進一步提高水泥漿漿體硅鈣比。在該體系設(shè)計過程中，引入結(jié)晶型二氧化硅并通過實驗研究找到合適的加量以解決此類問題[4-5]。

經(jīng)過大量的實驗研究，對水泥漿溫度適用性進行深入的研究，最終構(gòu)建一套性能優(yōu)異的低密度水泥漿體系，水泥漿密度為1.50 g/cm3。

2 低密度水泥漿體系室內(nèi)研究

2.1 低密度水泥漿體系構(gòu)建

該低密度水泥漿體系以山東 “G”級油井水泥為基質(zhì)，以AMPS類降失水劑為主劑[6]，以低密度混合材進行顆粒級配，輔以固井水泥漿添加劑構(gòu)建而成。低密度混合材是以人造玻璃微珠輔以多種膠凝材料以及功能材料混合而成，具有適用范圍廣、懸浮穩(wěn)定性好、可調(diào)性強和強度發(fā)展快的優(yōu)點。

水泥漿配方如表1所示，3種配方涵蓋了從低溫到高溫的低密度體系水泥漿配方，并且保證水泥與低密度混合材等干混材料比例保持一致，現(xiàn)場施工更加方便、可操作性強。低溫配方中通過加入促凝劑、中高溫配方中使用緩凝劑來調(diào)整水泥漿稠化時間；高溫配方3中加入一定比例的硅粉來調(diào)整水泥漿硅鈣比，防止高溫水泥漿強度衰退。從表1數(shù)據(jù)可以看出該水泥漿體系配方簡單，材料種類少，有利于現(xiàn)場管理，施工更加方便快捷，避免出現(xiàn)作業(yè)事故。

表1 水泥漿體系配方

低密度水泥漿常規(guī)性能如表2所示，從表2結(jié)果可以看出，3套水泥漿配方，均能有效控制API失水，漿體流變性能良好，漿體具有良好的沉降穩(wěn)定性，24 h抗壓強度均超過14 MPa，能夠滿足現(xiàn)場的固井需求。并且三套配方水泥漿稠化曲線線型良好，無鼓包、臺階等異?，F(xiàn)象出現(xiàn)，且均為直角稠化、過渡時間短，說明水泥漿穩(wěn)定性良好且具有良好的防氣竄性能。

表2 1#水泥漿常規(guī)漿體性能

2.2 低密度水泥漿性能研究

2.2.1 稠化時間可調(diào)性

在表1配方的基礎(chǔ)上，選取實驗溫度為30 ℃與60 ℃，在其他添加劑不變的情況下，通過改變促凝劑與緩凝劑加量研究水泥漿體系稠化時間可調(diào)性。

低溫配方，使用促凝劑來對稠化時間進行調(diào)節(jié)，隨著促凝劑加量的增大，水泥漿稠化時間隨之變短，具有良好的線性關(guān)系；中高溫配方，使用緩凝劑來對稠化時間進行調(diào)節(jié)，隨著緩凝劑加量的增大，水泥漿稠化時間隨之延長，具有良好的線性關(guān)系。因此，此低密度水泥漿體系稠化時間具有良好的規(guī)律性和可調(diào)性。

2.2.2 適用溫度范圍

在表1配方的基礎(chǔ)上，不改變其他添加劑加量，僅調(diào)整緩凝劑的加量，研究該水泥漿體系的溫度適用性，實驗結(jié)果如表3所示。

表3 水泥漿溫度適用性研究

從表3實驗結(jié)果可以看出，該水泥漿體系在30～110℃范圍內(nèi)，通過對調(diào)凝劑加量的調(diào)節(jié)，能夠使各個溫度條件下稠化時間滿足現(xiàn)場需求，同時水泥石抗壓強度均超過14 MPa，可滿足后續(xù)鉆進，保障層間封隔的有效性。上述實驗結(jié)果表明，該水泥漿體系可以在30～110℃范圍正常使用。

2.2.3 低密度水泥漿性能對比

文章研究的低密度水泥漿體系與原有低密度體系進行性能對比，低密度體系人造微珠含量降低，同時水泥漿固相含量降低，在稠化時間（50 ℃）相近的條件下，24 h抗壓強度（50 ℃）從12.80 MPa提高至15.99 MPa，說明此低密度水泥漿體系具有良好的經(jīng)濟性和綜合性能。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

該低密度水泥漿體系在渤海多個區(qū)塊得到現(xiàn)場應(yīng)用，固井質(zhì)量優(yōu)良，應(yīng)用效果良好，能夠滿足不同溫度條件下的固井需求，以現(xiàn)場某某井7.625套管固井為例進行說明。

3.1 基本數(shù)據(jù)

井深：1 986 m，套管下深：1 983.3 m，浮箍深度：1 957.47 m，尾漿頂深：1 286 m，上層管鞋深度：572 m，領(lǐng)漿頂深422 m，BHCT（井底循環(huán)溫度）：58 ℃，BHST（井底靜止溫度）：72 ℃；水泥漿采用領(lǐng)尾漿設(shè)計，水泥漿密度均為1.50 g/cm3，稠化時間根據(jù)現(xiàn)場要求進行調(diào)節(jié)，24 h抗壓強度超過14 MPa，水泥漿性能良好。

3.2 固井質(zhì)量

固井后對該井進行聲輻測井，測井聲輻圖如圖1所示，該井固井質(zhì)量較好。

圖1 某某井7.625聲輻圖

4 結(jié)語

（1）該低密度水泥漿體系材料種類少，現(xiàn)場施工操作簡便易行。

（2）該低密度水泥漿體系在30～110℃溫度范圍內(nèi)適用性良好。

（3）該體系成功進行了現(xiàn)場應(yīng)用，效果良好。