一種高溫低密度高強(qiáng)水泥漿的研究及在墨西哥灣的應(yīng)用

宋亞楠 馮建建 石禮崗 丁嘉迪

（中海油田服務(wù)股份有限公司，河北 三河 065200）

Z-1 井位于墨西哥灣K 區(qū)塊，由于6500 萬(wàn)年前受隕石撞擊影響，該區(qū)塊碳酸鹽巖地層脆弱，天然裂縫發(fā)育嚴(yán)重，較深層次鉆井過程中普遍存在漏失、氣竄等技術(shù)難點(diǎn)[1]。以Z-1井為例，該井使用10 5/8″鉆頭鉆至3524 米，井底靜止溫度120℃，鉆進(jìn)過程中為減少裂縫性漏失，使用1.02g·cm-3油基泥漿鉆進(jìn)，固井采用9 5/8″ 技術(shù)尾管，封固2979 米到3524米，采用1.35g·cm-3低密度水泥漿進(jìn)行固井。由于該層次為尾管作業(yè)且下一層次8 1/2″井眼采用裸眼完鉆，對(duì)該9 5/8″技術(shù)尾管作業(yè)固井質(zhì)量提出了嚴(yán)苛的要求。為高質(zhì)量完成該井作業(yè)，需開發(fā)1.35 g·cm-3的高溫低密度高強(qiáng)度水泥漿體系。

1 技術(shù)難點(diǎn)

1.1 水泥漿使用H 級(jí)水泥，作為水泥漿中最主要組分，水泥對(duì)水泥漿的物理化學(xué)性能起決定性作用。墨西哥僅有Holcim 一家水泥供應(yīng)商提供能夠滿足油田固井作業(yè)使用的高抗硫水泥，而Holcim 公司只生產(chǎn)H 級(jí)水泥，不生產(chǎn)在國(guó)內(nèi)油田固井作業(yè)中廣泛使用的G 級(jí)水泥。H 級(jí)與G 級(jí)水泥相比，化學(xué)組成一致，但水泥顆粒更粗（見表1），比表面積更小，造成H 級(jí)水泥反應(yīng)速率低，強(qiáng)度發(fā)展慢，水泥漿懸浮穩(wěn)定性差，尤其在高溫低密度水泥漿中，高溫對(duì)水泥漿膠結(jié)結(jié)構(gòu)的破壞，進(jìn)一步加劇了水泥漿體系的不穩(wěn)定性。同時(shí)在低密度水泥漿中，由于減輕劑的存在，組成材料間密度差異較常規(guī)水泥更大（見表2），更容易發(fā)生沉降，引起水泥漿體系不穩(wěn)定。

表1 H 級(jí)水泥與G 級(jí)水泥粒度對(duì)比

表2 高溫低密度水泥漿中不同材料密度

1.2 水泥石高溫強(qiáng)度衰退問題，水泥石強(qiáng)度由水泥與水發(fā)生水化反應(yīng)形成的C-S-H 膠凝結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度決定，低密度水泥漿中水灰比高，水泥含量低，形成水泥石強(qiáng)度比常規(guī)密度水泥漿低。對(duì)于高溫低密度水泥漿，高溫造成水泥石強(qiáng)度衰退，進(jìn)一步降低了水泥石強(qiáng)度。而水泥石強(qiáng)度對(duì)水泥封固質(zhì)量具有重要影響，因此低密度水泥漿一般作為填充水泥漿應(yīng)用于封固質(zhì)量要求較低的表層，對(duì)于封固質(zhì)量要求較高的深層次固井作業(yè)尤其尾管固井作業(yè)，低密度水泥漿一般作為雙密度水泥漿中的領(lǐng)漿，用于封固套管或尾管頂部，底部套管鞋處則使用具有更高抗壓強(qiáng)度的常規(guī)密度水泥漿進(jìn)行封固，單獨(dú)使用低密度水泥漿進(jìn)行固井的應(yīng)用很少。

因此，本研究主要針對(duì)具有高溫、易漏等技術(shù)難點(diǎn)且對(duì)固井質(zhì)量要求高的深層次固井作業(yè)，使用H 水泥開發(fā)出一套滿足現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)要求的高溫、高強(qiáng)度低密度水泥漿體系。

2 材料選擇

相比高溫常規(guī)密度水泥漿，由減輕劑、超細(xì)水泥、增強(qiáng)劑、高溫防衰退劑等組成的固相材料在高溫低密度水泥漿中占比更高（見表3），對(duì)水泥漿穩(wěn)定性、流變性及強(qiáng)度性能等起決定性作用，因此，固相材料篩選及材料配比是高溫低密度水泥漿體系建立的關(guān)鍵。

表3 不同密度水泥漿中固相材料體積百分比

2.1 減輕劑

高溫深層次固井作業(yè)，作業(yè)層次深，井底壓力高，因此要求高溫低密度水泥漿使用的減輕材料除需具有密度低的特點(diǎn)外，還需具有較高的承壓能力（一般要求大于40Mpa）。本體系中減輕劑使用3M 公司的新型人造玻璃微珠HGS19K46，相對(duì)傳統(tǒng)人造玻璃微珠，具有密度低、承壓高的特點(diǎn)（見圖1）。在低密度水泥漿密度、流變性能相同條件下，HGS19K46 加量更少，水泥漿水灰比更?。ㄒ姳?），水泥漿膠凝硬化后形成水泥石的強(qiáng)度更高[2]。

圖1 人造玻璃微珠HGS19K46 與HG6000 及HGS10000承壓實(shí)驗(yàn)對(duì)比

表4 1.35g·cm-3 水泥漿中使用HGS19K46 與HGS10000水灰比對(duì)比表

2.2 超細(xì)水泥

超細(xì)材料是傳統(tǒng)低密度水泥漿中重要組分，占比20%-50% BWOC（By weight of cement, 相對(duì)水泥質(zhì)量百分比），其組成與普通油井水泥類似，粒徑為1-10 um，作用原理是，組分粒徑小，可提高水泥石填充性及致密性，水化反應(yīng)快，可提高水泥石早期強(qiáng)度[3]。但另一方面，由于超細(xì)水泥粒徑小，比表面積大，顆粒表面潤(rùn)濕需水量大，在水泥漿達(dá)到相同流變性能的條件下，水泥漿需水量更大，水灰比（水泥漿中水與水泥重量百分比）更高，增大水泥漿硬化后水泥石的孔隙度，降低水泥石強(qiáng)度。目前關(guān)于超細(xì)水泥對(duì)水泥漿強(qiáng)度發(fā)展影響因素的研究中，主要思路為保證水泥漿其它材料組成一致，通過改變水泥中超細(xì)水泥比例研究水泥石強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律，并未同時(shí)考慮水泥漿的流變性，而在實(shí)際施工過程中，流變性能對(duì)泵壓、泵速及摩擦阻力等施工參數(shù)具有重要影響。因此，為提高研究的現(xiàn)場(chǎng)可應(yīng)用性，實(shí)驗(yàn)中保證所設(shè)計(jì)水泥漿具有相同的流變性，在此基礎(chǔ)上觀察超細(xì)水泥對(duì)水泥石強(qiáng)度的影響。

分別設(shè)計(jì)兩個(gè)1.35 g·cm-3的水泥漿配方，配方一中水泥由70%H 級(jí)水泥及30%超細(xì)水泥組成，配方二中只含H級(jí)水泥，通過調(diào)節(jié)減輕劑及水的加量，保證其具有相同流變性能，見表5。將兩個(gè)配方在4262 型超聲波強(qiáng)度儀、120℃高溫條件下養(yǎng)護(hù)，觀察抗壓強(qiáng)度變化情況，結(jié)果見圖2。

圖2 配方一與配方二在120 ℃下抗壓強(qiáng)度變化對(duì)比

表5 配方一及配方二水灰比及流動(dòng)性對(duì)比

配方一，70% BWOC H 級(jí)水泥+30% BWOC 超細(xì)水泥+23% BWOC HGS19K46+10% BWOC 微硅+35% BWOC硅粉325 目+0.5% BWOC 消泡劑+0.7% BWOC 分散劑+2.3% BWOC 降失水劑+0.9% BWOC 緩凝劑+87.3% BWOC水；

配 方 二，100% BWOC H 級(jí) 水 泥 +26% BWOC HGS19K46+10% BWOC 微硅+35% BWOC 硅粉325 目+0.5% BWOC 消泡劑+0.7% BWOC 分散劑+2.3% BWOC 降失水劑+0.9% BWOC 緩凝劑+70.4% BWOC 水。

通過圖2 可以看出，配方一因?yàn)楹谐?xì)水泥，強(qiáng)度發(fā)展快，從開始起強(qiáng)度至強(qiáng)度接近最大值，僅需要1 個(gè)小時(shí)，配方二則需要5 個(gè)小時(shí)，這是因?yàn)槌?xì)水泥在粒徑小，比表面積大，水泥顆粒與水接觸充分，高溫下水化反應(yīng)迅速，水泥石強(qiáng)度發(fā)展迅速。但配方一最終強(qiáng)度小于配方二，因?yàn)樵谙嗤髯冃阅芟拢浞揭凰冶刃?，水泥漿中水泥占比小，盡管前期水泥水化反應(yīng)快，強(qiáng)度較高，但后期水化速率降低，強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢。而配方二中，盡管水泥水化初期因?yàn)轭w粒較粗，水化反應(yīng)緩慢，強(qiáng)度低，但隨著水泥顆粒繼續(xù)水化，水泥石強(qiáng)度繼續(xù)增長(zhǎng)，由于水泥漿中水泥占比高，形成最終水泥石的強(qiáng)度也越高。同時(shí)由于高溫下水泥水化反應(yīng)比低溫下快，即使只使用顆粒較粗的H 級(jí)水泥也能快速水化，形成較高強(qiáng)度，因此本體系中僅使用H 級(jí)水泥作為膠凝材料。

2.3 防高溫強(qiáng)度衰退材料

當(dāng)溫度高于110 ℃時(shí)，由于水合硅酸鈣（C-S-H）轉(zhuǎn)變?yōu)椴环€(wěn)定的硅酸鈣水化物，導(dǎo)致水泥石滲透率升高及強(qiáng)度降低。為了最大程度地降低抗壓強(qiáng)度高溫下衰退問題，通常在水泥中加入35-40% BWOC 的硅砂或硅粉以平衡CaO/SiO2比例，生成強(qiáng)度更高的雪硅鈣石，有效降低水泥石強(qiáng)度衰退?？紤]墨西哥當(dāng)?shù)毓?yīng)鏈情況，可選材料僅有100 目硅粉，325目硅粉以及微硅。因?yàn)楣璺鄣牧皆叫?，比表面積越大，與水泥的水化產(chǎn)物氫氧化鈣的反應(yīng)越迅速，水泥水化越充分，水泥石強(qiáng)度越高[4]，同時(shí)考慮體系穩(wěn)定性，顆粒越粗，穩(wěn)定性越差，因此本體系中不適用100 目硅粉。微硅具有粒徑小、比表面積大、等特點(diǎn)，具有提水泥漿高高溫懸浮穩(wěn)定性、降低APⅠ失水、防氣竄等優(yōu)點(diǎn)，因此在傳統(tǒng)低密度水泥漿中被普遍使用。但Grabowski 和Gillott 通過研究發(fā)現(xiàn)，過高的微硅加量可導(dǎo)致高溫水泥石的長(zhǎng)期抗壓強(qiáng)度衰退[5]，因此本體系中采用35% BWOC 硅粉325 目與10% BWOC 微硅搭配使用（見表6），325 目硅粉用于減少水泥石強(qiáng)度高溫下衰退，微硅用于提高水泥漿懸浮穩(wěn)定性及降低水泥石滲透率，提高防氣竄能力。

表6 硅粉及微硅對(duì)水泥石抗壓強(qiáng)度及穩(wěn)定性影響對(duì)比（1.35g·cm-3，120℃，24h）

3 水泥漿組成及性能

針對(duì)Z-1 井9 5/8″ 尾管固井作業(yè)對(duì)低密度水泥漿要求，同時(shí)考慮防氣竄性能，在水泥漿中加入防氣竄劑，基本組成為：

100% BWOC H 級(jí)水泥+26% BWOC HGS19K46+10%BWOC 微硅+35% BWOC 硅粉325 目+0.5% BWOC 消泡劑+0.7% BWOC 分散劑+2.3% BWOC 降失水劑+0.9%BWOC 緩凝劑+4% BWOC 防氣竄劑。

水泥漿性能滿足作業(yè)要求，見表7，通過自由液及水泥柱密度差可以看出，該水泥漿穩(wěn)定無沉淀，水泥漿24 小時(shí)實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度達(dá)26.2 MPa，遠(yuǎn)高于該層次固井作業(yè)對(duì)水泥石抗壓強(qiáng)度的要求（大于14 MPa），對(duì)提高固井作業(yè)后電測(cè)質(zhì)量具有重要意義。同時(shí)具有良好的防氣竄性能，可有效阻止水泥漿膠凝硬化過程中地層氣體侵入，保證固井質(zhì)量。

表7 ZAAP-76 9 5/8″尾管固井水泥漿基本性能（井底靜止溫度120℃，井底壓力45 MPa）

通過調(diào)整減輕劑，水及液體添加劑的加量，可獲得其它不同密度、不同性能的高溫低密度高強(qiáng)度水泥漿。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

該體系在Z-1 井9 5/8″尾管固井作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)施作業(yè)過程中，混灰迅速，施工過程無漏失，施工后無井口帶壓，固井測(cè)井質(zhì)量?jī)?yōu)異率100%，滿足下層次開鉆要求。

5 結(jié)論

針對(duì)墨西哥K 區(qū)塊地層特點(diǎn)及固井技術(shù)作業(yè)要求，利用當(dāng)?shù)夭牧?，?duì)1.35 g·cm-3高溫低密度水泥漿進(jìn)行了研究，開發(fā)出高溫高強(qiáng)度的低密度水泥漿，在Z-1 井9 5/8″尾管固井作業(yè)中成功應(yīng)用，固井質(zhì)量?jī)?yōu)異。

5.1 減輕劑的選擇，在滿足承壓要求的條件下，密度越低，水泥漿水灰比更小，水泥漿膠凝硬化后形成水泥石的強(qiáng)度更高。

5.2 在流變性相同條件下，超細(xì)水泥會(huì)增加水泥漿水灰比，降低水泥石強(qiáng)度，因此在高溫低密度水泥漿中不建議使用超細(xì)水泥。

5.3 對(duì)高溫低密度水泥漿，影響水泥石強(qiáng)度的主要因素為水泥占比及水灰比，為提高水泥石強(qiáng)度，可在滿足水泥漿可泵性能的前提下，盡可能降低水灰比，提高水泥在水泥漿中占比。