粉煤灰低密度水泥漿在塔河油田簡(jiǎn)化井身結(jié)構(gòu)井中的應(yīng)用

莊成宏 王良才

(中國(guó)石化集團(tuán)西南石油局固井公司)

粉煤灰低密度水泥漿在塔河油田簡(jiǎn)化井身結(jié)構(gòu)井中的應(yīng)用

莊成宏 王良才

(中國(guó)石化集團(tuán)西南石油局固井公司)

塔河油田90%以上的開(kāi)發(fā)井采用了簡(jiǎn)化井身結(jié)構(gòu)，這類井第二級(jí)固井封固段長(zhǎng)，在采用常規(guī)水泥漿固井作業(yè)時(shí)，容易發(fā)生施工和候凝過(guò)程水泥漿漏失，返高達(dá)不到固井設(shè)計(jì)要求，最終導(dǎo)致固井質(zhì)量差，嚴(yán)重影響后期完井作業(yè)，油井壽命降低。基于粉煤灰配方的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，研制了低密度水泥漿，從根本上解決了塔河油田簡(jiǎn)化井身結(jié)構(gòu)井第二級(jí)返高不夠和固井質(zhì)量差的難題，并在該油田取得了良好的應(yīng)用效果。表6參6

固井 簡(jiǎn)化井身結(jié)構(gòu) 水泥漿 低密度 粉煤灰

1 簡(jiǎn)化井身結(jié)構(gòu)井固井發(fā)展過(guò)程及遇到的問(wèn)題

塔河油田是中國(guó)石化重要的能源接替基地，從20世紀(jì)90年代開(kāi)始大力開(kāi)發(fā)，為縮短鉆井周期和節(jié)約成本，90%以上的開(kāi)發(fā)井采用了簡(jiǎn)化井身結(jié)構(gòu)。這種井深結(jié)構(gòu)采用表層套管下至井深1200.0m，油層套管下至井深5400.0m～6400.0m。油層套管采用雙級(jí)固井，分級(jí)箍位置一般下至井深3800.0m～4400.0m。二級(jí)封固段長(zhǎng)達(dá)3800.0m～4400.0m，這給固井施工和水泥漿設(shè)計(jì)帶來(lái)兩個(gè)方面的困難:①由于地層承壓能力低，常規(guī)密度水泥漿往往在施工和候凝過(guò)程就發(fā)生漏失，80%以上的井在替漿過(guò)程就發(fā)生滲透性漏失，甚至引發(fā)明顯漏失或井口失返，大量聲幅資料顯示，水泥漿返高基本都未進(jìn)入上層套管內(nèi)，導(dǎo)致達(dá)不到鉆井設(shè)計(jì)要求;②由于封固段較長(zhǎng)，上下溫差達(dá)到80℃左右，水泥漿強(qiáng)度發(fā)展極不均勻，固井質(zhì)量較差，給后期作業(yè)帶來(lái)系列問(wèn)題，縮短了油井開(kāi)采時(shí)間，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

為解決以上難題，從2004年開(kāi)始，塔河油田在第二級(jí)使用以漂珠為減輕材料的低密度水泥漿體系，這種體系應(yīng)用后，第二級(jí)返高和固井質(zhì)量得到一定的提高，但仍然有不少井在替漿過(guò)程發(fā)生漏失，導(dǎo)致第二級(jí)水泥漿返高達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。分析原因如下:①漂珠在井底高溫高壓下滲水或破碎，造成密度升高，導(dǎo)致水泥漿內(nèi)自由水減少，流動(dòng)性變差，流阻增加產(chǎn)生高泵壓或蹩泵現(xiàn)象;②漂珠水泥漿體系本身具有較強(qiáng)觸變性，施工過(guò)程中一旦有較長(zhǎng)時(shí)間停頓，水泥漿會(huì)很快形成結(jié)構(gòu)，當(dāng)再次開(kāi)泵的時(shí)候，泵壓偏高。所以，采用漂珠低密度水泥漿之后仍然未能從根本上解決問(wèn)題。與此同時(shí)，漂珠水泥漿體系的成本也在逐年上升。

因此，現(xiàn)急需研究既可確保固井質(zhì)量、降低固井成本，又能保證固井生產(chǎn)的低密度水泥漿體系，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有常規(guī)水泥漿體系和漂珠低密度水泥漿體系的替代。

2 實(shí)驗(yàn)儀器、藥品及材料

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器

表1 實(shí)驗(yàn)儀器名稱、型號(hào)及生產(chǎn)廠家

2.2 實(shí)驗(yàn)藥品及材料

表2 實(shí)驗(yàn)藥品及材料名稱、代號(hào)、生產(chǎn)廠家

3 粉煤灰低密度水泥漿體系室內(nèi)研究

粉煤灰低密度水泥漿體系與漂珠水泥漿體系相比較，具有成本低［1］，在可調(diào)應(yīng)用密度為1.50g/cm3～1.80g/cm3［2－4］的范圍內(nèi)能達(dá)到固井施工所要求的抗壓強(qiáng)度，具有較好的沉降穩(wěn)定性，滲透率較低的特點(diǎn)，同時(shí)還有抗硫酸鹽腐蝕的能力。目前主要推廣應(yīng)用于低壓易漏井、長(zhǎng)封固段、欠平衡井等的固井施工作業(yè)［5］。

粉煤灰低密度水泥漿的各項(xiàng)性能是固井設(shè)計(jì)、施工安全和保證固井質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)。為了保證施工順利和提高固井質(zhì)量，必須要求粉煤灰低密度水泥漿的各項(xiàng)性能良好，主要包括密度、流變性、失水量、稠化時(shí)間、穩(wěn)定性等。穩(wěn)定性可以通過(guò)控制失水和其他外加劑來(lái)調(diào)節(jié)保證。因此，本文主要從密度、流變性、失水量和早期抗壓強(qiáng)度等四個(gè)關(guān)鍵方面對(duì)粉煤灰低密度水泥漿進(jìn)行了研究。

3.1 粉煤灰低密度水泥漿密度的研究

粉煤灰水泥漿的密度主要是通過(guò)水灰比和粉煤灰的用量決定的，水泥漿密度隨著水灰比和粉煤灰加量的降低而增加，水泥石抗壓強(qiáng)度隨著水灰比的增大而降低。由于粉煤灰自身缺少足夠的活性，同時(shí)其密度相對(duì)較大，故所配制的水泥漿大多存在著密度較大、強(qiáng)度較低、析水量較高等缺陷。若通過(guò)增大水灰比來(lái)降低密度，水泥漿的穩(wěn)定性差，游離液增加，水泥石抗壓強(qiáng)度相應(yīng)下降，體積的收縮率同時(shí)增大。因此，粉煤灰低密度水泥漿的配制必須要精確控制水泥與粉煤灰的配比，并兼顧密度、強(qiáng)度和析水量的關(guān)系。本文將水泥與粉煤灰的配比控制在1∶1左右，同時(shí)為使密度達(dá)到要求，適當(dāng)?shù)丶哟笏冶龋瑢?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。實(shí)驗(yàn)中選用的G級(jí)水泥密度為3.15g/cm3，粉煤灰為2.0g/cm3，淡水為1.0g/cm3。經(jīng)過(guò)調(diào)整后水泥漿的密度基本穩(wěn)定在1.61g/cm3左右。

表3 粉煤灰低密度水泥漿配比控制及密度等參數(shù)表

從表3可知:當(dāng)水泥與粉煤灰的配比為1∶1左右，水灰比為0.62時(shí)，水泥漿密度為1.61 g/cm3，在93℃條件下養(yǎng)護(hù)48小時(shí)后的抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到7.6MPa，而析水量?jī)H為4.0ml。對(duì)于低密度水泥漿而言，在密度較低時(shí)，其抗壓強(qiáng)度相對(duì)較高，析水量低，具有較好的固井施工作業(yè)性能。

3.2 粉煤灰低密度水泥漿流變性能的研究

水泥漿的流變性是保證固井施工安全和提高頂替效率的關(guān)鍵參數(shù)。粉煤灰低密度水泥漿的流變性通常采用塑性粘度、動(dòng)切力、稠度系數(shù)和流性指數(shù)表示，考慮到該體系為低密度水泥漿，其中含有大量比表面積較大的粉煤灰，使得自由水含量較低，流變性較差，因此，在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中加入特定的減阻劑或分散劑，從而使粉煤灰低密度水泥漿達(dá)到良好的流動(dòng)性能，見(jiàn)表4。

表4 不同密度的粉煤灰低密度水泥漿流變性能參數(shù)

從表4可知:當(dāng)水泥與粉煤灰的配比為1∶1左右，水灰比為0.70左右時(shí)，水泥漿密度為1.60g/cm3左右，通過(guò)加入的減阻劑或分散劑，其吸附在水泥顆粒表面正電荷位置上，使得離子表面帶同種電荷，于是在電性斥力作用下抑制顆粒聚集，同時(shí)使水泥顆粒之間處于相對(duì)穩(wěn)定的懸浮狀態(tài)。由于分散劑的加入可以使水泥水化初期形成的絮狀凝聚體瓦解，使其絮狀結(jié)構(gòu)內(nèi)包裹的水釋放出來(lái)而改善水泥漿的流動(dòng)性能，在93℃條件下的流變參數(shù)相對(duì)較好，其流性指數(shù)更接近于1，稠度系數(shù)較低，具有較好的流變性。

3.3 粉煤灰低密度水泥漿失水量的研究

失水量是保障注水泥施工作業(yè)安全進(jìn)行的主要參數(shù)，失水量過(guò)大將導(dǎo)致水泥漿失去流變性，造成出現(xiàn)環(huán)空橋堵和高泵壓現(xiàn)象，發(fā)生固井事故。因此，在水泥漿配比基本固定的情況下，根據(jù)水泥漿必須控制失水量的要求，加入降失水劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 不同密度粉煤灰低密度水泥漿失水、析水、常壓養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度和試塊收縮實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表5可知:當(dāng)水泥與粉煤灰的配比為1∶1左右，水灰比為0.70左右時(shí)，水泥漿密度為1.60g/cm3左右，加入的降失水劑，具有的水溶性大分子鏈在溶液中通過(guò)氫鍵形成膠狀聚集，這種穩(wěn)定的凝膠聚集物楔入水泥濾餅的微空結(jié)構(gòu)，有效地降低了濾餅的滲透率。另外，這些高分子鏈上的極性基團(tuán)吸附在水泥顆粒表面，以其吸附、溶劑化作用以及對(duì)不同粒度水泥顆粒的級(jí)配作用，構(gòu)成結(jié)構(gòu)致密的水泥濾餅，降低水泥漿的失水量。在93℃條件下，其失水量和析水量均相對(duì)較低，48小時(shí)抗壓強(qiáng)度較高，水泥石收縮僅為5.5%，均達(dá)到固井施工作業(yè)的要求。

3.4 粉煤灰水泥石早期強(qiáng)度的研究

水泥石性能體現(xiàn)在抗壓強(qiáng)度、膠結(jié)強(qiáng)度、體積收縮性和滲透率等方面。要提高水泥石的早期強(qiáng)度，必須加入早強(qiáng)劑。但早強(qiáng)劑具有較強(qiáng)的氧化性，對(duì)降失水劑的交聯(lián)起破壞作用，引入時(shí)需控制加入量。由此進(jìn)行降失水原料和早強(qiáng)材料的配伍性實(shí)驗(yàn)，從中選出影響較輕的早強(qiáng)劑，用其和降失水原料進(jìn)行復(fù)配得到降失水、早強(qiáng)和穩(wěn)定漿體，并引入體系中進(jìn)行性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表5。由該表可知，適當(dāng)?shù)丶尤朐鐝?qiáng)穩(wěn)定劑，提高了水泥石抗壓強(qiáng)度，同時(shí)，其失水量和析水量也能被控制在合理的范圍內(nèi)。

4 粉煤灰水泥漿體系現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

塔河油田固井過(guò)程中常發(fā)生復(fù)雜情況，如TK257井，該井位于阿克庫(kù)勒凸起南斜坡構(gòu)造上，采用660.4mm鉆頭鉆深50.00m，下508.0mm套管封固，又采用346.1mm鉆頭鉆深1200.00m，下273.1mm套管固井，再采用241.3mm鉆頭鉆深5509m完井。該井固井采用雙級(jí)固井(一級(jí):3799.24m～5505.76m;二級(jí):60.00m～3799.24m)。該井在一級(jí)施工過(guò)程中，替漿到86m3(30m3重漿+6m3開(kāi)孔液+50m3原井漿)發(fā)生井漏，排量為1.5m3∕min，壓力12MPa。立即將排量降到0.8m3∕min，繼續(xù)替漿，直到105m3井口仍未返漿。在投下重力塞后打開(kāi)循環(huán)孔，才以0.3m3∕min的排量建立起循環(huán)。從這一情況可以看出，常規(guī)密度水泥漿體系不能滿足塔河油田177.8mm雙級(jí)固井施工要求，因此，為了保證平衡壓力固井，防止注水泥施工中出現(xiàn)漏失情況，將一級(jí)水泥漿柱的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。通過(guò)大量資料調(diào)研和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究，一級(jí)水泥漿采用了性能良好的以粉煤灰為減輕材料的低密度水泥漿體系，其密度范圍為1.59 g/cm3～1.65g/cm3，具有流動(dòng)性好、低失水、零析水、穩(wěn)定性好、稠化時(shí)間可調(diào)等特點(diǎn)，且水泥石具有抗壓強(qiáng)度高、與套管和井壁膠結(jié)良好、滲透性低、抗腐蝕能力強(qiáng)。

根據(jù)上述室內(nèi)研究結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)施工情況，將粉煤灰低密度水泥漿體系在塔河油田進(jìn)行了大力推廣，取得了較好的效果，其中90%以上177.8mm油層套管雙級(jí)固井都使用這種體系。表6統(tǒng)計(jì)了部分塔河油田177.8mm雙級(jí)固井固井的情況。

表6 塔河油田部分井使用情況統(tǒng)計(jì)表

從表6的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)也可以看出，使用了粉煤灰低密度水泥漿體系之后，固井質(zhì)量良好，水泥漿返高都達(dá)到了固井設(shè)計(jì)要求，滿足了油井后期完井要求，延長(zhǎng)了油井開(kāi)采壽命，取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)論

(1)粉煤灰低密度水泥漿體系性能關(guān)鍵是確定粉煤灰、水泥和水的比例，即:粉煤灰摻量為110%左右，水灰比為0.7左右，同時(shí)要注意篩選及確定合適的外加劑及比例。

(2)通過(guò)本文試驗(yàn)研究配制的粉煤灰低密度水泥漿體系具有流動(dòng)性能好、低失水，穩(wěn)定性能好，抗腐蝕能力強(qiáng)、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，從根本上解決了塔河油田簡(jiǎn)化井身結(jié)構(gòu)井中一級(jí)水泥漿發(fā)生漏失和第二級(jí)返高不夠的固井質(zhì)量差問(wèn)題，并在塔河油田得到了大力的推廣應(yīng)用。

1 常占憲，魏周勝，邢鵬舉，等.粉煤灰降失水水泥漿在天然氣井固井中的研究與應(yīng)用［J］.鉆井液與完井液，2006，23(6):52 －54.

2 羅發(fā)強(qiáng)，郭小陽(yáng)，楊遠(yuǎn)光.一種新型天然類火山灰低密度水泥漿的實(shí)驗(yàn)研究［J］.天然氣工業(yè)，2004，24(2):51－54.

3 楊遠(yuǎn)光，王多金，吳發(fā)東，等.低溫早強(qiáng)型低密度水泥漿研究［J］.天然氣工業(yè)，1998，18(5):88 －89.

4 楊遠(yuǎn)光，郭小陽(yáng)，王純金，等.一種深井固井低密度水泥漿［J］.鉆井液與完井液，1999，16(6):27 －29.

5 馬海中，陳興中.粉煤灰低密度水泥漿的研究與應(yīng)用［J］.西部探礦工程，1995，7(4):27－30.

6 楊振科，郭小陽(yáng)，李早元，等.提高粉煤灰低密度水泥體系早期強(qiáng)度的研究［J］.西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008，30(3):116 －118.

APPLICATION OF FLY ASH COMPOSITE LOW－DENSITY CEMENT SLURRY TO SOME WELLS WITH SIMPLIFIED CASING PROGRAM IN TAHE OILFIELD

ZHUANG Chenghong ard WANG Liangcai(Cementing Company，Sinopec Southwest Petroleum Bureau)．

A simplified casing program is used for over 90 percent of development wells in Tahe oilfield．The secondary cementing isolation interval of the wells is long when using conventional cement slurry during cementing．Moreover，it is prone to lost circulation in the process of operation and WOC．As a result，return height falls short of design requirement for cementing，resulting in a poor quality of cementing，seriously to affect the final stages of well completion and to reducing life expectancy of oil well．Based on laboratory experiment of fly ash formula，the low －density cement slurry is prepared，which may fundamentally solve some problems such as insufficient secondary return height of simplified casing program and poor quality of cementing，and has achieved good application effects in this oilfield．

cementing，simplified casing program，cement slurry，low －density，fly ash

莊成宏，男，1970年出生，工程師;1994年畢業(yè)于西南石油學(xué)院鉆井專業(yè)，現(xiàn)任中國(guó)石化集團(tuán)西南石油局固井公司副經(jīng)理。地址:(618000)四川省德陽(yáng)市廬山南路81號(hào)固井公司。電話:13981082009。E－mail:zch121877@sohu.com

book=2011,ebook=357

(修改回稿日期 2010－11－26 編輯 景岷雪)NATU-RALGAS EXPLORATION＆DEVELOPMENT．v．34，no．3，pp．76 －79，7/25/2011