北201井高強(qiáng)低密度水泥漿的研制及應(yīng)用

劉秀成，李慕君，覃 樂

（中國石化中原石油工程有限公司固井公司，河南濮陽457001）

北201井位于長嶺斷陷北正鎮(zhèn)斷階帶龍鳳山圈閉，目的層為登婁庫組、營城組、沙河子組，該區(qū)塊地質(zhì)條件復(fù)雜多變，屬典型的裂縫性儲層。鉆進(jìn)過程中曾發(fā)生十余次嚴(yán)重井漏，特別是2190～3660 m段，漏失量高達(dá)1 023 m3，從開鉆到下套管固井前，累計(jì)堵漏時間長達(dá)690 h。同時油氣顯示非?；钴S且分布井段長，在2 200～3 715 m分布有62套油氣層，特別在鉆至3 000 m以下層位，全烴值最高達(dá)99．9%，油氣上竄將影響水泥石的膠結(jié)質(zhì)量。為節(jié)約費(fèi)用，采用二開井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，上部244．5 mm套管下深789．2 m，完鉆139．7 mm，套管下深3 761 m，固井水泥漿返至地面，實(shí)現(xiàn)全井封固，裸眼段長達(dá)2 974．8 m，上下溫差大，常規(guī)水泥漿體系難以解決壓穩(wěn)和漏失的矛盾；特別是在800～1 200 m井段處，井徑擴(kuò)大嚴(yán)重且不規(guī)則，井徑擴(kuò)大率最高達(dá)32．6%，大井徑段水泥漿頂替效率差，易引起竄槽。同時鑒于此井的良好顯示，計(jì)劃后續(xù)還要采取壓裂施工作業(yè)，因此，必須研制出抗高溫、沉降穩(wěn)定性好、防漏性好、抗污染能力強(qiáng)的低密度增韌水泥漿體系［1－5］。

1 水泥漿配方設(shè)計(jì)

1．1 低密度材料確定

為確保固井后續(xù)的壓裂施工作業(yè)，實(shí)驗(yàn)中選用國產(chǎn)的Y12000型高強(qiáng)度空心玻璃微珠為主要減輕劑，該材料堆積密度為0．39 g／cm3，平均粒徑30～60μm，最大抗壓強(qiáng)度達(dá)到82 MPa。其化學(xué)惰性強(qiáng)，受熱不變形，不影響水泥漿綜合性能，能改善體系的流動性能，可有效控制水泥漿密度，且對凝固后的水泥石抗壓和抗折性能也有顯著改善。

1．2 外加劑優(yōu)選

為了提高低密度水泥漿的整體性能，實(shí)驗(yàn)中依據(jù)顆粒緊密堆積的基本原理，復(fù)合應(yīng)用高強(qiáng)度空心微珠和微硅粉。微硅的主要成分是SiO2，含量在90%～98%之間，平均粒徑為0．15μm，比水泥平均粒徑（70μm）小很多，具有漿體穩(wěn)定和耐高溫特點(diǎn)，加入后能有效提高填充效果，并借助球形空心微珠的減輕、滾動效應(yīng)，進(jìn)一步改善漿體的流動性能，彌補(bǔ)空心與水泥差異大易發(fā)生顆粒沉淀的不足，提高水泥石的強(qiáng)度。同時為了嚴(yán)格控制水泥漿的性能，優(yōu)化水泥漿外加劑，充分考慮了以下幾點(diǎn)：

（1）將具有增黏作用的降失水劑G301與高分子聚合物降失水劑G306配合使用。G301通過增大液相黏度來降低失水，增加自由水的流動阻力，有利于漂珠低密度水泥漿體系的穩(wěn)定，同時黏滯的外加劑包裹在漂珠表面，對漂珠起到保護(hù)作用；G306能夠通過相互交聯(lián)橋接作用形成膠結(jié)的網(wǎng)狀膠體聚集體，在一定的壓差作用下，形成具有韌性的非滲透性薄膜，從而起到了控制水泥漿失水和防止氣竄的作用，為進(jìn)一步提高水泥漿防氣竄能力，還加入了防氣竄劑FQ。

（2）選用抗溫型分散劑USZ。能有效降低水泥漿黏度，改善漿體流動性，降低水泥漿屈服值，同時可削弱其他外加劑的綜合作用結(jié)果對漿體穩(wěn)定性所產(chǎn)生的影響。

（3）為縮短侯凝時間，提高水泥石的早期強(qiáng)度，選用早強(qiáng)劑Cw－1。

（4）為應(yīng)對固井后續(xù)的壓裂作業(yè)，采用了新型BCE防漏增韌劑，其由長度5～10 mm的彈性纖維及經(jīng)特殊處理的橡膠粉材料復(fù)配而成，加入后能有效提高水泥漿的防漏、堵漏效果和水泥石受壓后的彈性變形能力和抗沖擊能力。

（5）選用低敏感度的寬溫帶緩凝劑GH－9來調(diào)節(jié)水泥漿的稠化時間，提高水泥石的頂部強(qiáng)度。

2 水泥漿體系及性能評價(jià)

2．1 水泥漿配方

一級固井領(lǐng)漿：嘉華G＋40%Y12000空心微珠＋18%微硅＋3．0%防氣竄劑FQ＋2．5%分散劑USZ＋3．5%降失水劑G306＋1．5%降失水劑G301＋1．5%增韌劑BCE＋5．0%早強(qiáng)劑CW－1＋3．0%緩凝劑GH－9＋0．15%消泡劑XP－1＋1．20 W／C。水泥漿密度為1．35 g／cm3。

一級固井尾漿：嘉華G＋35%Y12000空心微珠＋18%微硅＋3．0%防氣竄劑FQ＋2．5%分散劑USZ＋3．5%降失水劑G306＋1．5%降失水劑G301＋1．5%增韌劑BCE＋5．0%早強(qiáng)劑CW－1＋2．4%緩凝劑GH－9＋0．15%消泡劑XP－1＋1．18 W／C。水泥漿密度為1．40 g／cm3。

二級固井水泥漿：嘉華G＋15%Y12000空心微珠＋8%微硅＋2．0%防氣竄劑FQ＋1．0%分散劑USZ＋2．0%降失水劑G306＋1．5%降失水劑G301＋3．0%早強(qiáng)劑CW－1＋1．0%緩凝劑GH－9＋0．15%消泡劑XP－1＋0．65 W／C。該水泥漿密度為1．50 g／cm3。

2．2 水泥漿性能評價(jià)

（1）實(shí)驗(yàn)條件。①稠化試驗(yàn)條件：一級固井100℃×47 MPa×40 min，二級固井64℃×30 MPa×30 min；②API失水試驗(yàn)條件：一級固井93℃×6．9 MPa×30 min，二級固井64℃×6．9 MPa×30 min；③自由液含量：將水泥漿體系攪拌和常壓稠化20 min后倒入250 mL量筒中，然后靜置2 h后測定。④水泥石頂部強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)條件：一級固井為65℃×21 MPa×48 h，二級固井為35℃×0．1 MPa×48 h。

（2）綜合性能評價(jià)。由表1、表2可看出，該水泥漿體系具有良好的流變性，n值大于0．8；有良好的控制失水能力，API失水量能控制在50 mL以內(nèi)；游離液含量低；抗壓強(qiáng)度高，48 h條件下大于14 MPa，滿足射孔完井要求。圖2、圖3表明水泥漿體系呈“直角”稠化，過渡時間短，30～100 Bc時間小于10 min；水泥漿防竄能力強(qiáng)，SPN值小于3．0，綜合性能滿足儲層段固井施工要求。

表1 抗高溫高強(qiáng)低密度水泥漿性能

表2 抗高溫高強(qiáng)低密度水泥漿常規(guī)性能

（3）水泥漿穩(wěn)定性評價(jià)：① 高溫高壓水泥漿密度變化情況：將配置好的1．35 g／cm3、1．40 g／cm3的低密度水泥漿放至增壓養(yǎng)護(hù)釜中，升溫升壓到100℃×55 MPa，養(yǎng)護(hù)2 h后，高溫高壓下，測量低密度水泥漿變化情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在高溫高壓養(yǎng)護(hù)后的水泥漿密度分別為1．35 g／cm3和1．41 g／cm3，水泥漿性能穩(wěn)定。② 沉降穩(wěn)定性評價(jià)：在93℃條件下，常壓養(yǎng)護(hù)30 min后，倒入1 000 cm 量筒中，靜置2 h后測各段水泥漿密度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：一級領(lǐng)、尾漿上、中、下密度差最大為0．15 g／cm3，二級固井水泥漿上下密度差為0，具有較好的沉降穩(wěn)定性。

3 實(shí)際應(yīng)用

圖1 1．35g／cm3低密度水泥漿稠化曲線

圖2 1．40g／cm3低密度水泥漿稠化曲線

北201井，井深3 764 m，139．7 mm套管下深3 761 m，上層244．5 mm 套管下深789．2 m，裸眼封固段長達(dá)2 974．8 m。采用雙級固井方式，水泥漿返至地面，一級固井注入7．5 m3隔離液，密度1．05 g／cm3，注密度為1．35 g／cm3的低密度水泥領(lǐng)漿30 m3，密度為1．40 g／cm3的水泥尾漿15 m3，排量為0．8～1．0m3／min，施工壓力2．5～3．5 MPa，現(xiàn)場水泥漿混配正常，無氣泡和分層現(xiàn)象。替漿過程中壓力平穩(wěn)，排量1．0～1．5 m3／min，采用紊流＋塞流復(fù)合頂替技術(shù)，最高泵壓控制在6 MPa以下，碰壓12 MPa。放壓后，投重力塞，打開循環(huán)孔，開泵循環(huán)，開孔后，初始排量在0．5 m3／min，后提至1．2 m3／min，循環(huán)出水泥漿4 m3，地面施工過程正常，無井漏；二級固井在一級固井24小時后實(shí)施，注入隔離液7．5 m3，注低密度水泥漿61 m3，密度1．50 g／cm3水泥漿正常返出，二級固井候凝72 h后，測固井質(zhì)量（表3）。從中可以看出，北201井139．7 mm套管固井段質(zhì)量優(yōu)良率達(dá)到91．7%，有效封固了該井易漏失儲層段。

表3 北201井139．7mm套管固井測井結(jié)果

4 結(jié)論

（1）為北201井研制的高強(qiáng)度低密度水泥漿，各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，能滿足深井地質(zhì)條件固井要求。

（2）抗溫高強(qiáng)低密度水泥漿，有效解決了北201井復(fù)雜油氣條件下的深層易漏失固井難題，為該類井的固井施工提供了技術(shù)應(yīng)用借鑒。

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