納米液硅防竄水泥漿體系性能研究及應(yīng)用

魏浩光

(中國(guó)石油化工股份有限公司 石油工程技術(shù)研究院， 北京 100101)

納米液硅是由納米SiO2顆粒與水組成的一種懸浮分散液。經(jīng)國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究，突破了制備工藝中的分散與團(tuán)聚難題，形成了多種牌號(hào)的產(chǎn)品[2-3]。哈里伯頓、貝克休斯、中海油油服、中石化油服等公司以納米液硅材料為核心，構(gòu)建了防竄水泥漿體系[4-7]，但納米液硅水泥漿體系的性能研究主要集中在塑態(tài)性能，忽視了流態(tài)與固態(tài)的綜合性能。本文研究了納米液硅水泥漿體系以流態(tài)、塑態(tài)、固態(tài)3種形態(tài)下存在的關(guān)鍵性能，包括漿體以流態(tài)存在時(shí)的基礎(chǔ)性能、向塑態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)的防竄性能、以固態(tài)形式存在水泥石的力學(xué)性能以及水化收縮規(guī)律等特殊性能，并分析了納米液硅材料在各項(xiàng)性能變化中發(fā)揮的作用機(jī)理。最后，介紹了納米液硅水泥漿體系在新疆順北油田產(chǎn)層套管固井總體應(yīng)用情況及順北1-19井的168.3 mm套管固井實(shí)例。

1 納米液硅水泥漿體系性能

1.1 流態(tài)性能

納米液硅水泥漿體系由AMPS類(lèi)降失水劑SCFL、納米液硅SCLS、聚羧酸類(lèi)分散劑SCD-150L、有機(jī)硅抑泡劑SCDF-3以及聚合物緩凝劑SCR-6組成。水泥漿密度為1.90 g/cm3，實(shí)驗(yàn)條件為130 ℃、80 MPa。實(shí)驗(yàn)方法參照行標(biāo)《油井水泥試驗(yàn)方法》(SY/T 6544—2017)。

表1說(shuō)明呈流態(tài)的納米液硅水泥漿體系具有更好的冪律特征、API失水性能、穩(wěn)定性。納米液硅加量為10%、15%時(shí)，水泥漿體系冪律指數(shù)n值由0.92下降到0.76、0.69，稠度系數(shù)K值由0.13 Pa·sn增加到0.28、0.45 Pa·sn。加入10%以上的納米液硅時(shí)，水泥漿的穩(wěn)定性顯著改善，自由液由0.8 mL降低為0，養(yǎng)護(hù)后的沉降密度差由0.13 g/cm3改善至無(wú)沉降。無(wú)納米液硅時(shí)水泥漿失水69 mL，加入10%、15%納米液硅時(shí)，水泥漿體系的API失水量分別為45、36 mL。

納米液硅中的固體顆粒比表面積大，達(dá)到了23 m2/g，能大量吸附漿體中游離水，具有增黏提切性，改善漿體的流變學(xué)特征與穩(wěn)定性。同時(shí)，納米液硅中的固體顆粒粒徑達(dá)到了納米尺度，填充作用使API失水降低。

1.2 塑態(tài)性能

水泥漿進(jìn)入油氣井環(huán)空后，漿體將由流態(tài)向塑態(tài)轉(zhuǎn)變，環(huán)空靜液柱壓力逐漸減小，地層流體易在環(huán)空中發(fā)生竄流。本文從氣竄因子SPN值、靜膠凝強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)、氣竄模擬實(shí)驗(yàn)3個(gè)方面研究了納米液硅水泥漿體系呈塑態(tài)時(shí)的性能。

表1 納米液硅水泥漿體系的流態(tài)性能

1.2.1 氣竄因子SPN

影響水泥漿氣竄因子SPN的主要因素是API失水與稠化過(guò)渡時(shí)間。API失水量越小，稠化過(guò)渡時(shí)間越短，SPN越低，水泥漿體系的防竄性能越好，通常要求SPN值不超過(guò)3.0[8-9]。0%納米液硅加量水泥漿體系的SPN值3.5，加量10%與15%納米液硅水泥漿體系的SPN值分別為1.6、1.3，分別降低了45.7%、62.9%。納米液硅水泥漿體系具有低失水的特征。同時(shí)，納米二氧化硅顆粒表面富含硅羥基官能團(tuán)[10]，能加速水泥水化反應(yīng)，加量10%與15%使水泥漿的稠化過(guò)渡時(shí)間由12 min縮短至7、5 min。因此，納米液硅水泥漿體系的氣竄因子SPN值顯著降低。

1.2.2 靜膠凝強(qiáng)度發(fā)展

靜膠凝強(qiáng)度(SGS)發(fā)展就是水泥漿流態(tài)轉(zhuǎn)變至塑態(tài)過(guò)程中的膠凝結(jié)構(gòu)變化，靜膠凝強(qiáng)度由48 Pa發(fā)展為240 Pa階段為極易竄流的階段，這段時(shí)間要求不超過(guò)30 min, 具體實(shí)驗(yàn)方法見(jiàn)GB/T 39421—2020。本文利用chandler超聲波靜膠凝強(qiáng)度儀，考察了納米液硅水泥漿體系(加量10%)的靜膠凝強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律。圖1表明納米液硅水泥漿的靜膠凝強(qiáng)度由48 Pa發(fā)展為240 Pa的時(shí)間僅為10 min。分析其作用機(jī)理為：納米二氧化硅硅羥基官能團(tuán)，具有促凝性，縮短過(guò)渡時(shí)間[11]。

圖1 靜膠凝強(qiáng)度發(fā)展曲線

1.2.3 氣竄模擬實(shí)驗(yàn)

本文利用chandler氣竄模擬儀[12]，開(kāi)展了納米液硅水泥漿體系塑態(tài)“失重”氣竄模擬實(shí)驗(yàn)。將納米液硅(加量10%)水泥漿倒入氣竄模擬裝置養(yǎng)護(hù)釜后，隨著水化進(jìn)行，水泥漿逐漸進(jìn)入塑態(tài)“失重”，表現(xiàn)為孔隙壓力下降，漿柱底部的氣體易向上部竄流。圖2為納米液硅水泥漿氣竄模擬實(shí)驗(yàn)曲線，在水泥漿內(nèi)部孔隙壓力急劇下降過(guò)程中，采集到的氣竄量為零，氣竄模擬實(shí)驗(yàn)中未見(jiàn)氣竄現(xiàn)象發(fā)生。

圖2 氣竄模擬曲線

1.3 納米液硅水泥漿體系固態(tài)性能

1.3.1 彈性模量

本文重點(diǎn)考察了納米液硅水泥漿轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)水泥石后的彈性模量、強(qiáng)度、滲透率等工程物性參數(shù)。表2說(shuō)明納米液硅水泥石的彈性模量隨著納米液硅的加量增加而顯著降低。加量15%時(shí)，降低幅度達(dá)到了38.9%。較低彈性模量可避免各種應(yīng)力作用對(duì)水泥石本體、水泥石-套管界面、水泥石-地層界面造成破壞，預(yù)防竄流的發(fā)生。油井水泥石固化后，內(nèi)部存在大量的微裂隙、微缺陷，致使其力學(xué)性能較差。納米液硅填充在水泥石的微裂隙、微缺陷里，通過(guò)參與水化反應(yīng)，生產(chǎn)水化硅酸鈣凝膠產(chǎn)物，對(duì)水泥石內(nèi)部的微裂隙、微缺陷進(jìn)行修補(bǔ)。

表2 水泥石彈性模量

1.3.2 抗壓強(qiáng)度

表3說(shuō)明齡期1 d時(shí)，加量10%與15%的納米液硅水泥石抗壓強(qiáng)度比無(wú)納米液硅的水泥石抗壓強(qiáng)度分別提高了9.1%、22.7%；齡期3 d時(shí)，納米液硅水泥石強(qiáng)度分別提高了30%、46.7%；齡期5 d時(shí)，納米液硅水泥石抗壓強(qiáng)度分別提高了23.5%、38.2%；齡期7 d時(shí)，納米液硅水泥石抗壓強(qiáng)度分別提高28.2%、35.9%。納米二氧化硅顆粒提高水泥石抗壓強(qiáng)度的作用機(jī)理主要有：①增加了水泥石的致密性；②具有促凝性；③參與水化反應(yīng)，修補(bǔ)水泥石微裂隙。

表3 不同齡期水泥石抗壓強(qiáng)度

1.3.3 滲透率

滲透率大小不僅反映了水泥石的致密性，也體現(xiàn)了水泥石本體的密封能力。納米液硅的顆粒填充堵塞作用降低水泥石滲透率。無(wú)納米液硅水泥石滲透率為0.22×10-3μm2；加量10%、15%的納米液硅水泥石滲透率分別為0.05×10-3、0.007×10-3μm2，比普通水泥石的滲透率降低了77.3%、90.9%。

1.4 水泥漿收縮規(guī)律

水泥漿在水化反應(yīng)過(guò)程中存在著較高的體積收縮率，嚴(yán)重時(shí)可引起油氣井水泥環(huán)界面竄流。本文利用chandler高溫高壓膨脹收縮儀，考察了納米液硅水泥漿體系以流態(tài)、塑態(tài)、固態(tài)3種狀態(tài)存在時(shí)的收縮規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 水泥漿水化體積收縮率 %

表4說(shuō)明加入納米液硅后水泥漿體系具有更低的收縮率，0%加量納米液硅水泥漿體系的流態(tài)、塑態(tài)、固態(tài)時(shí)的水化體積收縮率分別為0.51%、1.86%、1.64%。納米液硅降低水泥漿收縮率的主要作用機(jī)理為限位支撐作用[13]，可以顯著降低水泥漿塑態(tài)和固態(tài)收縮率。加量10%的納米液硅水泥漿體系在塑態(tài)和固態(tài)水化體積收縮率分別為1.64%、0.56%，降低幅度為11.8%、65.8%；加量15%的納米液硅水泥漿體系在塑態(tài)和固態(tài)水化體積收縮率分別為1.26%、0.34%，降低幅度為32.3%、79.3%。

2 應(yīng)用情況

2.1 順北地區(qū)整體應(yīng)用情況

新疆順北油田位于塔里木盆地中西部，是中國(guó)石化在碳酸鹽巖海相石油勘探的新發(fā)現(xiàn)，平均埋藏深度超7 300 m，具有超深、超高壓、超高溫的特點(diǎn)。其產(chǎn)層套管固井面臨的主要難題體現(xiàn)在：①桑塔木組高壓水層，距上層套管鞋僅100 m左右，安全密度窗口僅0.03 g/cm3，極易發(fā)生水竄，應(yīng)用納米液硅防竄水泥漿體系前，水竄井比率達(dá)到了30%；②短尾管、小井眼固井，固井質(zhì)量難以保證，應(yīng)用納米液硅水泥漿體系前，該區(qū)域的固井質(zhì)量?jī)?yōu)良率僅70.3%；③水泥石強(qiáng)度不足，難以滿足側(cè)鉆要求，需要多次打水泥塞施工。

截至目前，該區(qū)域產(chǎn)層套管固井累計(jì)應(yīng)用納米液硅防竄水泥漿技術(shù)153井次。應(yīng)用后成功封住桑塔木組高壓水層，應(yīng)用井中未見(jiàn)水竄現(xiàn)象發(fā)生，應(yīng)用井固井優(yōu)良率由70%提升至91.7%。應(yīng)用井最深順北鷹1井8 520 m。

2.2 順北1-19井168.3 mm套管固井實(shí)例

該井的構(gòu)造位置為塔里木盆地塔中北坡順托果勒低隆，屬于開(kāi)發(fā)井，井型為直井。本井3開(kāi)理論井眼直徑190.5 mm，井深7 294 m。下入168.3 mm套管，套管下深7 292 m。懸掛器位置6 356 m。鉆井液密度1.62 g/cm3，黏度為57 s，動(dòng)切力為24 mPa·s。主要固井難點(diǎn)，鉆遇桑塔木組高壓含水層和輝綠巖鹽水層，地層多次發(fā)生漏失，安全密度窗口窄，易發(fā)生水竄。

本次固井采用納米液硅水泥漿體系，計(jì)算井底靜止溫度為140 ℃，水泥漿實(shí)驗(yàn)溫度為130 ℃。該井固井施工時(shí)注入16 m3加重隔離液，密度1.75 g/cm3，泵壓1215 MPa；注入納米液硅防竄水泥漿16.83 m3，密度1.90 g/cm3，注入排量0.6～0.8 m3/min，泵壓1511 MPa；注壓塞液2 m3，密度為1.75 g/cm3，注入排量為0.5 m3/min，泵壓5 MPa；大泵替漿12 m3，密度為1.62 g/cm3，注入排量0.8～0.6 m3/min，泵壓5～7 MPa；注保護(hù)液2.9 m3，密度1.75 g/cm3，注入排量0.5 m3/min，泵壓5 MPa；大泵替漿43.67 m3，密度1.62 g/cm3，注入排量0.8～0.3 m3/min，碰壓，泵壓1622 MPa；檢查回流，回壓凡爾工作正常，起鉆10柱，反循環(huán)洗井1.5周，起鉆1柱。關(guān)井憋壓4 MPa侯凝48 h。

開(kāi)井掃塞后，經(jīng)聲幅測(cè)井評(píng)價(jià)全井聲幅值<10%，成功封住桑塔木地層與輝綠巖鹽水層，固井質(zhì)量評(píng)定為優(yōu)質(zhì)。

3 結(jié)論

1)納米液硅水泥漿體系以流態(tài)存在時(shí)比普通水泥漿體系具有更好的基礎(chǔ)性能，冪律指數(shù)為0.69，稠度系數(shù)為0.45 Pa·sn，API失水36 mL，無(wú)自由液，無(wú)沉降現(xiàn)象。納米液硅顆粒水泥漿體系向塑態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)的防竄系數(shù)SPN值為1.3，比普通水泥漿體系低62.9%，靜膠凝強(qiáng)度由48 Pa發(fā)展至240 Pa的時(shí)間為7 min，模擬實(shí)驗(yàn)中無(wú)竄流現(xiàn)象發(fā)生。

2)納米液硅加量15%，齡期7 d時(shí)的水泥石彈性模量為8.3 GPa，降低幅度38.9%，水泥石強(qiáng)度為53 MPa，提高幅度35.9%。齡期7 d固化體的滲透率為0.007×10-3μm2，比普通水泥石降低90.9%。納米顆粒具有限位支撐作用，納米液硅水泥漿體系轉(zhuǎn)變?yōu)樗軕B(tài)、固態(tài)后具有更低的水化收縮率，加量15%的納米液硅水泥漿體系在塑態(tài)和固態(tài)水化體積收縮率分別為1.26%、0.34%，降低幅度為32.3%、79.3%。

3)納米液硅水泥漿體系在順北油田累計(jì)應(yīng)用153井次，平均固井優(yōu)良率91.7%，主要解決了產(chǎn)層套管固井的桑塔木高壓水層與輝綠巖鹽水層竄流難題。