韌性低密度水泥漿體系在相國(guó)寺儲(chǔ)氣庫(kù)的應(yīng)用

張 偉，田發(fā)斌，余 建

（四川川慶井下科技有限公司，四川廣漢 618301）

相國(guó)寺是西南地區(qū)首座儲(chǔ)氣庫(kù)，儲(chǔ)氣庫(kù)在調(diào)峰用氣和應(yīng)急供氣方面的重要性決定了保障儲(chǔ)氣庫(kù)井安全的重要性和必要性，儲(chǔ)氣庫(kù)是將已生產(chǎn)出的天然氣重新注入地下空間，通過(guò)地質(zhì)封閉特點(diǎn)，重新把天然氣儲(chǔ)存在目的層中，在調(diào)峰用氣時(shí)，將天然氣重新采出來(lái)，用以補(bǔ)充管線供氣的不足，滿足用戶需求。

相國(guó)寺儲(chǔ)氣庫(kù)屬于枯竭型構(gòu)造，構(gòu)造處于川東多裂縫，高陡峭地質(zhì)帶，相國(guó)寺儲(chǔ)氣庫(kù)注采井井深2 000 m左右，但其具有大斜度井、超低壓易漏失井、多壓力層系長(zhǎng)段封固等特點(diǎn)，這就使得在儲(chǔ)氣庫(kù)鉆井建設(shè)時(shí)，各層次套管固井施工中采用常規(guī)密度水泥漿難以返至地面，固井質(zhì)量難以保證，尤其是遭遇惡性漏失時(shí)，常常需要重復(fù)返灌作業(yè)，施工時(shí)效大大降低，固井質(zhì)量不能保證。儲(chǔ)氣庫(kù)井相對(duì)于普通注采井來(lái)說(shuō)，在工作時(shí)井筒要反復(fù)承受注采氣過(guò)程中所產(chǎn)生的交變應(yīng)力作用和相應(yīng)溫度的變化，工程條件苛刻復(fù)雜，要求具有更長(zhǎng)的使用年限。這就對(duì)支撐井筒的水泥環(huán)提出了較高要求，固井水泥環(huán)不但要有良好的封隔能力來(lái)防止氣竄，還要在能夠承受較高壓力的同時(shí)具備良好的韌性。采用韌性防氣竄低密度水泥漿體系，可以降低水泥漿液柱壓力，防止固井時(shí)發(fā)生井漏或者降低固井漿體漏失量，以提高固井質(zhì)量和水泥環(huán)的完整性。采用韌性防氣竄低密度水泥漿體系，優(yōu)點(diǎn)主要有：（1）降低環(huán)空液注壓力，有效防止固井漏失；（2）提高水泥漿的返高，不涉及到固井質(zhì)量的五條紅線，固井質(zhì)量提高有保證，同時(shí)固井施工時(shí)效大幅提高；（3）提高水泥環(huán)在長(zhǎng)期交變應(yīng)力作用下的連續(xù)性、密封性。

1 材料優(yōu)選

1.1 減輕材料的優(yōu)選

國(guó)內(nèi)前期使用的減輕材料主要有漂珠、膨潤(rùn)土、水玻璃、粉煤灰等[1-5]，漂珠由于密度輕，在火力發(fā)電時(shí)期，產(chǎn)量大，性能穩(wěn)定，是低密度水泥漿應(yīng)用最為廣泛的一種減輕劑，其密度一般在0.70 g/cm3左右，配合其他需水材料，可將水泥漿密度降至1.30 g/cm3以下，且具有較好的綜合性能。但是，漂珠耐壓能力有限，通常壓力超過(guò)20 MPa 就會(huì)出現(xiàn)大量破碎，從而導(dǎo)致水泥漿密度明顯上升，無(wú)法滿足一些高壓復(fù)雜井的要求。

高性能空心玻璃微珠是一種人造的空心微珠[6-8]，其真密度在0.20～0.60 g/cm3，粒徑在2～130 μm，具有質(zhì)量輕、導(dǎo)熱系數(shù)低、抗壓強(qiáng)度高、流動(dòng)性好等特點(diǎn)。高性能空心玻璃微珠相比空心漂珠具有以下優(yōu)點(diǎn)：密度可人為控制，可達(dá)到明顯低于空心漂珠的密度，從而為制備性能優(yōu)良的超低密度水泥漿提供良好的減輕材料。

兩種材料漂珠和空心玻璃微珠基礎(chǔ)配方：

配方1：嘉華G360 g+玻璃微珠80 g+超細(xì)水泥30 g+微硅30 g。

配方2：嘉華G330 g+玻璃微珠110 g+超細(xì)水泥30 g+微硅30 g。

根據(jù)表1 可以看出，基礎(chǔ)配方1 號(hào)與2 號(hào)相比，1號(hào)水泥漿沉降穩(wěn)定性好，上下密度差小，同密度條件下1 號(hào)水灰比更低，有利于水泥石后期的強(qiáng)度發(fā)展。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及水泥漿性能要求，優(yōu)選空心玻璃微珠作為韌性低密度水泥漿體系的減輕材料。

表1 同密度條件下性能對(duì)比（1.50 g/cm3）

1.2 韌性材料的優(yōu)選

加入纖維或者是纖維與橡膠類(lèi)的材料復(fù)配是提高水泥韌性主要的方法。纖維在水泥漿體中的主要作用有增加水泥石強(qiáng)度、韌性，對(duì)水泥石收縮、防腐蝕和抗?jié)B透也有一定效果。其作用機(jī)制為：在撓曲載荷作用下，提高材料形成可見(jiàn)裂縫時(shí)的載荷能力；在疲勞載荷作用下阻止裂縫擴(kuò)展；在沖擊載荷作用下對(duì)裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)形成屏蔽；顯著提高水泥石的斷裂韌性[9，10]。

橡膠材料在合適的加量下，對(duì)彈性模量的降低效果是最好的，橡膠材料在水泥石中的作用主要是提高水泥石的抗沖擊能力，在水泥石遭受到外力時(shí)，吸收部分外力產(chǎn)生的功轉(zhuǎn)變?yōu)樽陨硇巫?，?duì)水泥石中微裂隙的產(chǎn)生有抑制作用，同時(shí)對(duì)水泥環(huán)壽命的提高也顯著。優(yōu)選SD66 纖維增韌劑，纖維長(zhǎng)度均小于4 mm 纖維和改性橡膠材料SD77 復(fù)配，白色固體惰性橡膠顆粒，目數(shù)在40～120，工作環(huán)境在150 ℃以下性能穩(wěn)定，能滿足儲(chǔ)氣庫(kù)固井要求，主要作用是增加水泥石的彈性，降低彈性模量，而且該材料不吸水，便于運(yùn)輸和儲(chǔ)存，加量在7%左右，可降低彈性模量25%左右（見(jiàn)表2）。

表2 SD77 和SD66 不同加量對(duì)水泥石強(qiáng)度及彈性模量影響（1.50）

隨著SD77 和SD66 加量的增大，水泥石的抗壓強(qiáng)度呈上升趨勢(shì)、彈性模量呈下降趨勢(shì)，當(dāng)加量到達(dá)一定程度后，變化趨勢(shì)不大，綜合考慮水泥漿性能和水泥石的強(qiáng)度性能，SD77 加量為7%，SD66 加量為2%是最優(yōu)值。改性橡膠粉與水泥漿相容性良好，能有效的分散到水泥漿體系中，不改變水泥漿體系的流變性。

2 低密度水泥漿配方構(gòu)建

以空心玻璃微珠作為減輕劑，根據(jù)顆粒級(jí)配堆積原理，選用不同粒徑的超細(xì)水泥、微硅、增強(qiáng)劑，不同粒徑的材料與水泥顆粒匹配，形成緊密的空間堆積，能提高水泥石強(qiáng)度，分子間的相互作用對(duì)水泥漿漿體穩(wěn)定性有很大作用。超細(xì)水泥的比表面積和反應(yīng)活性，能提高并加速水泥礦物熟料的水化程度，水泥漿體的反應(yīng)速度，對(duì)低溫下低密度水泥漿的水泥石早期強(qiáng)度有極大的提高。根據(jù)基礎(chǔ)配方確定膨脹劑和韌性劑的加量范圍，使低密度水泥漿在一定的條件下，漿體穩(wěn)定性好，形成的水泥石縱向密度分布要基本一致，游離液少、體積收縮小，水泥石性能達(dá)到儲(chǔ)氣庫(kù)技術(shù)要求（見(jiàn)表3）。

表3 不同密度的水泥漿配方（干灰比例）

3 低密度水泥漿體系性能評(píng)價(jià)

3.1 流變性評(píng)價(jià)

采用空心玻璃微珠的低密度水泥漿體系的流變性能良好，其流變性能符合冪律流體，結(jié)果（見(jiàn)表4）。

由表4 可以看出，在30 ℃和50 ℃下流性指數(shù)較高，低密度水泥漿流性指數(shù)大于0.7，稠度系數(shù)比較高，表明水泥漿中固相材料能形成穩(wěn)定的靜電吸附，防止水泥漿中水泥顆粒的沉降和空心微珠的上浮，使水泥漿具有良好的穩(wěn)定性。水泥漿良好的流動(dòng)性，易于施工期間泵壓穩(wěn)定，同時(shí)對(duì)提高頂替效率和后期固井質(zhì)量有極大的幫助。

表4 不同溫度的水泥漿流變性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.2 穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

漿體的穩(wěn)定性是低密度水泥漿性能最重要的指標(biāo)之一。漿體的穩(wěn)定性能影響后期水泥漿的失水、稠化時(shí)間及后期的水泥石強(qiáng)度。空心玻璃微珠的密度與水泥的密度相差較大，易出現(xiàn)玻璃微珠上浮，水泥下沉等分層現(xiàn)象。為解決漿體的沉降穩(wěn)定性，加入一定量的微硅和超細(xì)高活性材料組成的增強(qiáng)劑。不同粒徑的顆粒充填在水泥漿中，對(duì)水泥漿起到填充嵌實(shí)和懸浮穩(wěn)定作用。超細(xì)水泥比表面積大，吸附大量的水分子，水分子之間通過(guò)氫鍵相互連接，使微細(xì)顆粒之間形成均勻、致密的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，并與水泥中的其他顆粒吸附的水分子通過(guò)氫鍵連接，使水泥漿形成具有致密網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的懸浮體系[11，12]。兩種密度水泥漿體系在加壓前后的漿體平均密度變化（加壓30 MPa，60 min）、游離液和沉降穩(wěn)定性數(shù)據(jù)（見(jiàn)表5）。

從表5 可知，使用空心玻璃微珠作為減輕劑，加壓后在溫度高、密度低的條件下密度差也只有0.02 g/cm3，而1.50 g/cm3的加壓后密度差幾乎無(wú)變化，而且游離液都為0 mL，說(shuō)明玻璃微珠承壓高，低密度水泥漿穩(wěn)定性好，漿體能夠滿足固井施工要求。

表5 低密度水泥漿承壓后沉降穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.3 水泥漿濾失量和稠化性能評(píng)價(jià)

不同密度的水泥漿失水和稠化時(shí)間性能及SPN值（見(jiàn)表6）。

表6 不同密度水泥漿性能

由表6 可知，空心玻璃微珠低密度水泥漿體系配伍性好，流動(dòng)度、稠化時(shí)間可調(diào)，SPN 值小于4，具有很好防氣竄能力，水泥漿性能完全能夠滿足儲(chǔ)氣庫(kù)對(duì)低密度水泥漿的技術(shù)要求，也能滿足現(xiàn)場(chǎng)施工需要。

3.4 水泥漿力學(xué)性能評(píng)價(jià)

測(cè)試方法均按照GB/T19139-2012《油井水泥試驗(yàn)方法》和中石油股份公司頒布的《韌性水泥技術(shù)規(guī)范》相關(guān)規(guī)范執(zhí)行，測(cè)試結(jié)果顯示低密度水泥漿在低溫下早期強(qiáng)度高，彈性模量低，而線性膨脹率高有很好的防氣竄效果，水泥漿整體性能滿足儲(chǔ)氣的技術(shù)要求。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

X13 井244.5 mm 套管固井，完鉆井深1 740 m，泥漿密度1.19 g/cm3，采用兩凝柔性防竄水泥漿體系固井，水泥漿采用兩凝雙密度水泥，快干水泥漿采用柔性自應(yīng)力水泥漿體系，密度設(shè)計(jì)為1.90 g/cm3，封固井段900.00～1 740.00 m；緩凝水泥漿采用柔性自應(yīng)力水泥漿體系，密度設(shè)計(jì)為1.50 g/cm3，封固井段0～900.00 m。固井施工具體流程如下：（1）采用兩臺(tái)雙機(jī)泵水泥車(chē)以1.0～1.2 m3/min 排量泵注沖洗液10 m3；（2）排量泵以1.3～1.5 m3/min 注韌性低密度水泥漿40 m3，排量泵以1.0～1.2 m3/min 注常規(guī)韌性水泥漿34 m3，密度1.90 g/cm3；（3）釋放膠塞，排量泵再以1.0～1.2 m3/min 注壓塞液3.6 m3；（4）泥漿泵以2.3～2.6 m3/min 大排量替密度1.20 g/cm3的泥漿59 m3；（5）以0.6～0.9 m3/min 小排量替清水3.1 m3碰壓，壓力值為18.9 MPa。環(huán)空憋壓2～3 MPa，最大憋入量0.5 m3，候凝48 h 測(cè)井，固井質(zhì)量合格率98.8%，優(yōu)質(zhì)率91.6%，韌性防氣竄水泥漿體系在相國(guó)寺儲(chǔ)氣庫(kù)244.5 mm 套管應(yīng)用3 井次，緩凝段固井質(zhì)量合格率達(dá)到99%，優(yōu)質(zhì)率達(dá)到90%以上，下部該水泥漿體系將在黃草峽和銅鑼?shí){儲(chǔ)氣庫(kù)推廣使用。

5 結(jié)論

（1）韌性低密度水泥漿采用顆粒級(jí)配，整體性好，各項(xiàng)性能達(dá)到儲(chǔ)氣庫(kù)技術(shù)要求。

（2）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明韌性低密度水泥漿體系滿足儲(chǔ)氣庫(kù)井的地質(zhì)特點(diǎn)，能解決該地區(qū)技術(shù)套管的固井漏失問(wèn)題，保證了儲(chǔ)氣的固井質(zhì)量，為儲(chǔ)氣庫(kù)的高質(zhì)量建設(shè)提供了技術(shù)保障。