早強低密度水泥漿體系提高低壓易漏井固井質量

周劍 高德偉 嚴海兵

1.中國石油西南油氣田公司生產運行處 2.中國石油西南油氣田公司川西北氣礦3.中國石油川慶鉆探工程公司井下作業公司

早強低密度水泥漿體系提高低壓易漏井固井質量

周劍1高德偉2嚴海兵3

1.中國石油西南油氣田公司生產運行處 2.中國石油西南油氣田公司川西北氣礦3.中國石油川慶鉆探工程公司井下作業公司

川西南部地區儲層段地層壓力系數低，采用常規密度水泥漿固井作業時易產生漏失，造成儲層傷害，降低油氣井產能，且固井質量難以保證，影響后期井筒完整性。為此，采用顆粒級配技術，利用不同密度不同粒徑微硅（2.16 g／cm3、 0.1μm）、漂珠（0.7 g／cm3、 45～ 300μm）等外摻劑與水泥進行復配，研制了一套密度介于1.25～1.40 g／cm3的早強低密度漂珠水泥漿體系。該水泥漿體沉降穩定性良好，上、下密度差小于0.03 g／cm3，稠化時間可調，稠化過渡時間最長15 min，最短5 min，失水小于50 m L，48 h抗壓強度大于10 MPa，有效地保障了低壓氣井的平衡壓力固井作業，加入復合纖維的早強低密度漂珠水泥漿增加了水泥石的塑性，從而提高了低壓易漏失產層段的固井質量。

早強低密度水泥漿 漂珠 顆粒級配 低壓 易漏 固井質量

以往使用減輕劑材料如膨潤土、粉煤灰、礦渣等配置的低密度水泥漿體系，存在配制工藝復雜，穩定性不佳，水泥石強度低、滲透率高，易開裂（如膨潤土、粉煤灰、礦渣體系）等缺陷，不能滿足深井低壓易漏失層段固井作業的要求［1－2］。通過調研和對比試驗研究，以顆粒級配技術作指導，確定了早強低密度水泥漿的水泥和減輕材料、增強材料等外加劑，設計多組干混材料并配制低密度水泥漿，對水泥漿的流變性和水泥石的質量進行室內實驗評價，得出不同密度的干混料最佳配比，較好地解決了低密度水泥漿配制和強度不合格兩方面的難題［3］，提高了低壓易漏井的井筒完整性。

1 川西南部固井難點與技術對策

川西南部地區所鉆井為典型的四開四完井身結構，如圖1所示， 127.0 mm尾管主要封固上二疊統須家河組須二段儲層，壓力系數僅1.05，屬于低壓裂縫性產層，因而采用低密度漂珠水泥漿體系進行平衡壓力固井。

127 mm尾管固井具有如下難點：①須二段、須一段及雷口坡組儲層地層壓力系數低，且裂縫及孔隙發育，注替過程中易誘發井漏；②井壁不穩定，施工過程中易發生井壁垮塌；③井斜較大，環空間隙小，下套管難度大，套管不易居中，且固井施工摩阻大，泵壓高；④斜井固井，井眼底邊存在巖屑床，且鉆井液密度高，黏切大，頂替效率難以保證；⑤鉆具在套管中的摩阻高，尾管重量輕，尾管懸掛器座掛以及倒扣存在困難。

圖1 川西南部典型井身結構圖

在做好固井前鉆井液性能調整、通井及套管扶正器安放等技術措施的基礎上，重點加強隔離液和水泥漿性能來確保固井質量：①采用隔離液來防止水泥漿和鉆井液污染，要求隔離液與鉆井液密度一致或略高且沉降穩定性好，與水泥漿的相容性好，形成密度差的漿柱結構有利于提高頂替效率［4］；②按地層漏失壓力來確定水泥漿密度，確保作用于儲層的液柱壓力能平衡地層壓力；③水泥漿中加入復合纖維提高漿體的防漏能力、增加了水泥石的塑性，更好地保證低壓易漏失產層段的固井質量。

2 早強低密度水泥漿體系室內研究

2.1 水泥漿體系設計思路

根據Furnas顆粒堆積最密實級配原理配制低密度高強度水泥漿，即：在第一級大顆粒堆積空隙中充填進比第一級大顆粒小得多的第二級粒子，第二級粒子充填滿第一級顆粒空隙后，總體積不變；依次繼續填入更小的粒子，使總體積不變，從而使混合體堆積空隙率最小［5－7］。

顆粒級配技術可以增加水泥石的密實度，對不同密度不同粒徑微硅（2.16 g／cm3、 0.1μm）、漂珠（0.7 g／cm3、 45～ 300μm）等外摻劑與水泥進行復配，配制成有利于現場施工的不同密度的干混料。

2.2 水泥漿配方優化與討論

選定了各種干混料后，按照需要的密度和經驗水灰比確定所需干混料的混合密度，查表或計算機計算所需干混料組分的比例。分別配制了1.20、1.35、1.42 g／cm3的3套低密度水泥漿，對其實驗室性能進行了考察，3套配方的性能見表1。

1＃配方：嘉華G級水泥＋漂珠＋微細材料＋250 g H2O＋降失水劑＋分散劑＋緩凝劑（根據溫度調節）＋消泡劑，密度1.42 g／cm3。

表1 低密度水泥漿實驗性能表

2＃配方：286 g嘉華G級水泥＋漂珠＋微細材料＋300 g H2O＋降失水劑＋分散劑＋緩凝劑（根據溫度調節）＋消泡劑，密度1.35 g／cm3。

3＃配方：251.5 g嘉華G級水泥＋漂珠＋微細材料＋325 g H2O＋降失水劑＋分散劑＋緩凝劑（根據溫度調節）＋懸浮劑＋消泡劑，密度1.20 g／cm3。

3＃配方水泥漿體系在90℃下的典型稠化曲線（圖2）和3＃水泥漿配方養護水泥石和相同密度水泥漿養護水泥石的對比圖（圖3），從圖3中可以明顯觀察到，普通低密度水泥漿的水泥石出現嚴重的分層，強度不合格；而該低密度高強度水泥漿的水泥石無明顯的分層現象，均勻致密，強度更高。

圖2 3＃配方典型稠化曲線圖

圖3 不同水泥漿養護水泥石對比圖

實驗結論：室內配制密度介于1.20～1.45 g／cm3的低密度水泥漿體系，適用溫度范圍60～110℃，漿體穩定性好（上下密度差小于0.03 g／cm3），流變性能好，失水小，稠化時間可調，稠化過渡時間短，48 h抗壓強度大于10 MPa，且水泥石無明顯的分層現象，均勻致密。

討論：配制密度為1.20 g／cm3的水泥漿時，漿體出現微沉的情況，在高溫（3＃配方105℃）上下密度差達0.05 g／cm3，漿體穩定性不易控制。溫度過高，稠化時間不易控制（3＃配方實驗做到90℃）。這是由于漂珠粒徑較大，空心程度較高，在拌漿或增壓養護過程中更容易碎裂進而滲水，因此，自由水容易進入漂珠內部，進而影響低密度水泥漿的密度和稠度，根據實驗結果，控制水泥和外摻料（漂珠、微硅）的質量才能保證低密度水泥漿的性能指標。

3 試驗井固井質量分析

在川西南部地區3 500～5 400 m的井深范圍內進行了 127 mm尾管段應用早強低密度（1.30～1.40 g／cm3）漂珠水泥漿體系固井應用，聲波測井評價固井質量結果見表2。

表2 127 mm尾管聲波測井評價固井質量結果表

表2 127 mm尾管聲波測井評價固井質量結果表

測井優質率蓮花000－X5 4 340～井號 井段／m溫度／℃稠化時間／min測井合格率4 540 101 403 80.9%75.73%蓮花2 4 695～5 370 120 382 92.5%64.10%灌口003－2 4 790～5 356 112 409 99.6%86.62%平落006－5 3 519～4 009 90 277 82.6%58.37%張家001－1 3 695～4 120 85 347 93.6%56.90%

從表2統計的聲波檢測結果明顯看出，早強低密度漂珠水泥漿有效克服了本區井壁不穩定、井漏風險大的固井難題，試驗井尾管固井合格率超過80%，優質率超過55%。

4 認識與建議

1）形成了一套針對川西南部地區低壓易漏失產層尾管固井作業的早強低密度漂珠水泥漿體系，密度介于1.25～1.40 g／cm3，漿體沉降穩定性良好，上下密度差小于0.03 g／cm3，稠化時間可調，48 h抗壓強度大于10 MPa。

2）早強低密度漂珠水泥漿可有效解決低壓易漏井的尾管固井作業，防止固井作業發生井漏，現場共應用5井次，優質率超過55%，合格率超過80%。

3）低密度水泥配方復雜，干混料因密度差大在運輸過程中，由于車輛顛簸，可能發生二次分層導致不均勻，尤其是密度低于1.25 g／cm3的低密度干混料，更容易出現這種現象。因此，低密度水泥運輸到井場后，在檢查水泥質量與出庫時不一致時，必須進行一次立式灰罐之間的倒混，更好地滿足特殊施工要求。

4）室內配制拌漿或增壓養護過程中漂珠碎裂滲水，進而影響低密度水泥漿的密度和稠度。因此，建議進一步對漂珠的質量進行控制和改進，更好地保障入井水泥漿質量，從而有效地提高固井質量。

［1］劉德平.漂珠低密度水泥固井技術研究［J］.天然氣工業，1997，17（3）：14－17.

［2］郭小陽.提高注水泥質量的綜合因素［J］.西南石油學院學報，1998，20（3）：55－59.

［3］李明，齊奉忠，靳建洲，等.適合煤層氣井固井的低密度水泥漿體系［J］.天然氣工業，2011，31（7）：63－66.

［4］馬勇，劉偉，唐庚，等.川渝地區“三高”氣田超深井固井隔離液應用實踐［J］.天然氣工業，2010，30（6）：77－79.

［5］李坤，徐孝思，黃柏宗.緊密堆積優化水泥漿體系的優勢與應用［J］.鉆井液與完井液，2002，19（1）：14－16.

［6］黃柏宗.緊密堆積理論優化的固井材料和工藝體系［J］.鉆井液與完井液，2001，18（6）：17－20.

［7］黃柏宗.緊密堆積理論的微觀機理及模型設計［J］.石油鉆探技術，2007，35（1）：23－26.

A early－strength and low－density cement slurry system used to improve cementing in low－pressure thief zones

Zhou Jian1，Gao Dewei2，Yan Haibing3
（1.Production Deployment Department，Southwest Oil ＆Gasfield Company，PetroChina，Chengdu，Sichuan 610051，China；2.Northwest Sichuan Division of Southwest Oil ＆Gasfield Company，PetroChina，Jiangyou，Sichuan 621709，China；3.Downhole Operation Services，Chuanqing Drilling Engineering Co.，Ltd.，CNPC，Chengdu，Sichuan 610051，China）

NATUR.GAS IND.VOLUME 32，ISSUE 4，pp.72－74，4／25／2012.（ISSN 1000－0976；In Chinese）

Due to the low formation pressure coefficient in the south of West Sichuan Basin，the regular density cement slurry will easily lead to lost circulation，resulting in formation damage and thus reducing well productivity and even having bad effect on the wellbore integrity.So grading of grains is performed，micro－silicons（ρ2.16 g／cm3and 0.1μm）and beads（ρ0.7 g／cm3and 45－300μm）with different densities and sizes are mixed with cement to prepare a low－density and early－strength cement slurry system.This system has a high settling stability，the density difference between the top and the bottom is less than 0.03 g／cm3，and its thickening time can be adjusted between 5 and 15 minutes.And its water loss is less than 50 m L，its 48 h compression strength is over 10 MPa，providing guarantee for balanced pressure cementing in low pressure gas wells.The composite fibers added in the earlystrength and low－density bead cement slurry can improve the plasticity of cement stones and ensure the cementing quality in low－pressure thief zones.

early－strength low－density cement slurry，bead，grading of grains，low pressure，thief zone，cementing quality

周劍等.早強低密度水泥漿體系提高低壓易漏井固井質量.天然氣工業，2012，32（4）：72－74.

10.3787／j.issn.1000－0976.2012.04.018

2009年中國石油西南油氣田公司固井新技術現場試驗項目（編號：20090304KS02－01）。

周劍，1981年生，工程師；2003年畢業于原西南石油學院石油工程專業，從事鉆井技術現場管理工作。地址：（610051）四川省成都市府青路一段3號。電話：（028）86011708，18208165618。E－mail：zhou.jian＠petrochina.com.cn

2011－12－25 編輯 凌 忠）

DOI：10.3787／j.issn.1000－0976.2012.04.018

Zhou Jian，engineer，born in 1981，graduated in petroleum engineering from Southwest Petroleum University in 2003.He is now engaged in management of drilling operation.

Add：No.3，Sec.1，Fuqing Rd.，Chengdu，Sichuan 610051，P.R.China

Tel：＋86－28－8601 1708 Mobile：＋86－18208165618 E－mail：zhou.jian＠petrochina.com.cn