高密度水泥漿的海外現場應用

王圣明

摘要：針對海外市場（印尼、伊拉克）高壓油氣井固井特點，注水泥時采常采用高密度含鹽和不含鹽水泥漿。以顆粒分布原理為基礎，優化出加重材料HEMATITE FLOUR;采用優化出的加重材料和抗鹽的外加劑配制出了含鹽及不含鹽的最高密度可達2.3g/ cm3 的高密度高性能水泥漿。并對高密度抗鹽水泥漿體系的配方和性能進行了研究，通過緊密堆積實現了高密度水泥漿體系的高性能。該水泥漿在淡水和含9 %NaCl（BZA-1）的情況下均具有較低的失水、較好的流變性能和沉降穩定性等性能，凝固水泥石具有較高的強度，適用于高壓油氣井的固井施工。在印尼、伊拉克油田現場應用表明該水泥漿體系有良好的適用性。

關鍵詞：固井 水泥漿;高密度;含鹽;外加劑

一、概述

在海外市場（印尼、伊拉克）的鉆探過程中都不同程度的鉆遇了高壓地層，因此如何解決高密度水泥漿的性能，提高固井膠結質量一直受到國內外固井界的重視。主要表現為：

1、部分地層異常高壓;

2、安全壓力窗口窄;

3、高壓油氣層和鹽水層;

一般的超高密度鹽水水泥漿體系在使用過程中經常會遇到這些問題：

1、體系不穩定，引起水泥和加重材料的沉降;

2、稠度過高，常溫下流動性差，施工密度難以達到設計要求;由于鉆井液密度過高，切力又很大，頂替效率難以保證，會對水泥漿性能產生不良影響;

3、降失水劑、分散劑和緩凝劑由于鹽的影響而失去作用，有時甚至出現閃凝現象，失水控制困難;

4、鹽水水泥漿過渡緩凝，體系的防竄性能較差;由于密度的提高，水泥漿中的有效水泥質材料相對較少，強度發展緩慢，尤其是水泥環的頂部經常出現不凝固，不能滿足長封固段固井作業的要求。

因此在設計高密度水泥漿時必須處理好水泥漿的失水控制和流動性的關系;稠化時間和強度發展之間的關系，水泥漿和泥漿、隔離液的相容性、和它們的密度差、切力差等問題，水泥漿中的各類外摻料和水泥的顆粒分布。

二、高密度抗鹽水泥漿外加劑優選

由于高密度水泥漿使用了加重劑和較少的水泥膠結物，水泥漿的懸浮穩定性和水泥石強度受到的影響較大。因此在設計水泥漿時，必須在滿足配漿和注漿、替漿對流動性能要求的前提下，保證水泥漿在注替過程中停泵時的沉降穩定性和凝結體積的穩定性，包括析水量、水泥石密度分布和凝結體積的收縮等;并在滿足密度要求的條件下，保證水泥石的強度。

1、加重劑及其粒度分布的優選

在高密度水泥漿的設計中，加重劑韻選擇至關重要。重晶石、鈦鐵礦、磁鐵礦、赤鐵礦等均可用作加重劑。對于密度高于2.1g/ cm3超高密度水泥漿，通過對多種加重材料的試驗研究，選擇一種顆粒較大的鐵礦粉作為主要的加重材料，同時結合當今固井水泥漿的新設計理論———顆粒級配原理，選取其余相應的配伍材料加入水泥漿中，在水泥漿中主要有3 個作用：①充填在其他粒子的空隙中，起到緊密堆積的效果;②提高水泥漿的穩定性;③改善水泥漿流動性能。實驗表明，鐵礦粉密度應大于4.50 g/cm3。加重劑密度高可使水泥漿在加入較少加重劑的情況下就獲得要求的密度，有利于水泥漿流動性的調節，也有利于提高水泥石的早期強度。合理的鐵礦粉粒度分布是保證高密度水泥漿具有良好綜合性能的前提。實驗表明，鐵礦粉應具有寬的粒度分布，粗細搭配組成的鐵礦粉能獲得性能較好的高密度水泥漿。另外，鐵礦粉應經過精選，以減少其黏度效應。

2、鹽（NaCl）對水泥漿性能影響研究

鹽（NaCl）作為油井水泥外加劑在固井工程中已被廣泛應用，其目的大致可分為：（1）被用作早強劑;（2）平衡地層電解質防止水敏性地層跨塌;（3）防止水泥漿對地層的溶蝕。

（1）鹽對稠化時間的影響

圖1結果表明水泥漿中加入鹽以后會出現摻量小時稠化時間變短、摻量大時稠化時間變長的現象;但隨著溫度的提高影響有所減弱，而趨勢是相同的。而且初始稠度變大，漿體泡沫增多，稠化實驗中易產生閃凝、“鼓包”、曲線變差等現象，這些現象對于固井作業都是十分有害的。

（2）鹽對水泥失水性能的影響

隨著水泥漿含鹽量的增加，水泥漿的失水量也會增加，一般在淡水水泥漿中使用的降失水劑也可能失去作用，有些甚至會引起絮凝使水泥漿失去流動性。

（3）鹽對水泥石力學性能的影響

通過實驗表明，在60℃、常壓和飽和鹽水條件下，當鹽摻量低于5%時，有明顯的早強作用，而摻量大于10%時其強度低于純水泥的強度。含鹽量較高的水泥漿強度發展要比原漿慢得多，但水泥石有明顯的膨脹作用。

因此，在井下含有濃度較低的鹽水層且壓力較低時，可以采用抗鹽的淡水水泥漿固井;如果是水敏性的泥頁巖、蒙脫石、伊利石、退化的綠泥石等黏土礦物，為了避免其膨脹、分散而造成井璧不穩定，如井下有高壓鹽水層、鹽層、堿層、鹽膏層等，為防止水泥漿對地層鹽溶蝕，則必須使用欠飽和鹽水水泥漿或者飽和鹽水水泥漿，通常使用低含鹽的水泥漿（一般低于10%）固井。

3.BZF101降失水劑的研究

鹽對水泥漿的稠化時間和水泥石的力學性能影響是鹽的固有特性造成的，不可更改，但它對水泥漿失水的影響是可以通過降失水劑的分子設計選擇合適的化學基團提高降失水劑的抗鹽能力得到解決。BZF101抗鹽降失水劑是一種多元共聚物，在分子結構中引入了屏蔽基團和強吸附基團，使它具有很好的水溶性、優異的降失水性能和抗高溫能力;并同時在共聚物中引入分散性好的磺酸鹽基團，顯著提高了抗污染和抗鹽能力;并使水泥漿具有良好的流變性能。在用礦化水、海水、欠飽和鹽水、飽和鹽水配制的含BZF101的水泥漿可控制API失水在 50mL 以下。

圖3、4、5顯示了摻BZF101的水泥漿的失水與溫度的關系、失水與BZF101摻量的關系和失水與鹽含量的關系，結果表明：BZF101使用的溫度范圍寬，抗鹽能力強，失水和摻量的線性關系較好。

4、分散劑的優選

分散劑是高密度水泥漿的重要組成部分，高密度水泥漿由于水固比低，需要加入分散劑改善水泥漿的流變性能和流動度。對于高密度抗鹽水泥漿，還要求分散劑具有一定的抗鹽性能，消除鹽對水泥漿的不利影響。同時要求分散劑還要能夠抗溫（加溫狀態下不增加水泥漿稠度），并且與降失水劑相容（不破壞失水性）。通過對分散劑的研究，選擇BZD202L 分散劑作為高密度抗鹽水泥漿的分散劑，并對分散劑的抗鹽性能作了研究。同時在稠化試驗中，BZD202L 分散劑具有較好的抗鹽性能，加鹽后對水泥漿的流變性能影響不大，并且水泥漿失水控制良好，說明BZD202L 與BZF101 相容性好。

5、緩凝劑的優選

在60 ℃以上需要加入緩凝劑對稠化時間進行調節。對于高密度含鹽水泥漿，選用的緩凝劑應該具有一定的抗鹽性能，同時緩凝劑還應和其他外加劑相容。研究出了可相容的緩凝劑BzR101。

三、高密度抗鹽水泥漿性能

高密度水泥漿的實現一般是通過減少水灰比、提高固體材料的堆積密度、提高配漿水的密度和外摻加重材料來完成，選擇具有顯著早強特性的早強劑以及對水泥石早期強度發展影響的降失水劑和緩凝劑，可獲得較高的抗壓強度，并易于調整水泥漿的稠化時間;應注意控制降失水劑的加量，使水泥漿具有良好的可泵性.外加劑之間的配伍性要好。

1、控制水泥漿的沉降穩定性

由于水泥漿加重劑的密度和水泥的密度相差比較大，漿體容易沉降，不穩定。超高密度水泥漿在保持必要的流動性的前提下，要盡量控制水泥漿的沉降穩定性，水泥漿穩定性允許相差0.03 g/cm3。

2、水泥漿的流變性能

水泥漿的流變性能與固井作業中保證地面混配密度、降低流動阻力、調節頂替流態、平衡注水泥壓力、增大水泥石致密性等密切相關。在設計水泥漿流變性能時，選用最新的固井軟件進行了精心計算，滿足了固井施工對水泥漿穩定性、失水量、稠化時間、水泥石抗壓強度的要求，以達到安全泵注、良好頂替、靜止懸浮穩定、減少回落、提高致密性、保證層間分隔效果以及后續工程作業的要求。

3、高密度水泥漿的壓穩防竄性能

用高密度水泥漿固井的目的，就是要壓住高壓地層流體，建立良好的凝結環境，但是，如不能采取有效措施解決體系在凝結過程中的失重問題，將由于體系失重、井底有效壓力降低、壓不住地層流體、地層流體侵入環空、破壞水泥漿柱的完整性、使其無法形成優質完成的水泥環而引發環空竄流。

4、體系的適應性

室內實驗溫度、壓力與井下實際溫度、壓力之間難以完全一致，實驗材料與現場材料之間、不同批次材料之間難以完全一致，室內混拌條件與現場混拌條件之間存在較大的差別，再加上現場配漿時液灰比波動等原因，使現場所配水泥漿的性能與設計性能之間存在一定的差異，因此，水泥漿體系必須具備良好的適應性，尤其是對前述差異的適應性，以承受其可能造成的不利影響，減小配方設計、調試的工作量，同時，減少現場作業的風險，提高現場作業的可靠性、安全性。

四、高密度水泥漿現場應用情況

根據上述開發或優選的加重劑和外加劑，設計配制了密度從2.1～2.3g/ cm3的高密度水泥漿。并成功應用于印尼，伊拉克高壓區塊。現場應用下面分別介紹密度為2.1～2.3g/cm3的水泥漿的現場應用情況。

1、密度為2.1g/ cm3 的水泥漿的現場應用

DOLANG-DOLANG#1是位于印度尼西亞馬都拉區塊的一口探井，完鉆井深1336m，φ177.8mm套管下深1329m。鉆井液密度：1.91 g/cm3，粘度65s，泥餅：0.5mm，濾失4.2ml/30min，含砂0.3%，PH值：9，n值0.65，k 值0.18。該井具有地層壓力系數高、地溫梯度高、地層情況復雜等特點。固井前采用了密度為1.88 g/cm3的隔離液。隔離液采用重晶石作為加重劑，加入相應比例的懸浮劑，分散劑，降失水劑等，稠度較低，具有較好的流動性、沉降穩定性，同時與鉆井液及水泥漿相容性良好。φ177.8mm套管水泥漿體系固井，采用的是高密度非抗鹽水泥漿采用印尼當地RODA-G級水泥，試驗溫度為77℃，固井質量合格。水泥漿的配方及性能見表1（DOLANG-DOLANG#1φ177.8mm套管水泥漿體系及性能表）

用重晶石作為加重劑，加入相應比例的懸浮劑，分散劑，降失水劑等，稠度較低，具有較好的流動性、沉降穩定性，同時與鉆井液及水泥漿相容性良好。水泥漿性能要求高，一級水泥漿體系采用高密度鹽水水泥漿體系，水泥漿密度2.25～2.30g/cm3，二級采用1.90g/cm3的常規G級水泥漿體系。現場施工過程中固井質量均合格。

2、密度為2.25-2.3g/ cm3 的水泥漿現場應用

伊拉克哈發亞區塊井φ244.5mm套管下深1910～1940mm，φ244.5mm分級箍位置1100m左右。一級固井前泥漿密度2.21～2.25 g/cm3井，粘度80-100s，塑性粘度80～102mPa.s，屈服值20-40pa，本層套管固井施工難度最大，地層壓力高，安全窗口窄。采用了密度為1.8 g/cm3的隔離液。隔離液采

五、結論

通過室內研究和海外現場應用，我們好地掌握了高密度水泥漿固井技術的難點、關鍵和應對措施，形成了配套的高密度水泥漿固井技術：

1、高密度水泥漿，優選出的密度為2.1～2.3 g/m3的高密度水泥漿幾乎無自由水;API失水小，可控制在50m l以內;稠化時間靈活、可調;48hr抗壓強度> 15MPa，有較高的強度。

2、優選出的密度為2.1～2.3 g/m3的高密度水泥漿在高壓油氣井固井中漿體穩定，具有較強的失水控制能力、易于調整的稠化時間和良好的抗壓強度。

3、高密度抗鹽水泥漿可用于含鹽膏層異常高壓油氣井固井，解決固井技術難題。

參考文獻

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[2]靳建洲，孫富全，侯薇，等.膠乳水泥漿體系研究及應用[J].鉆井液與完井液，2006，2：37-39

（作者單位：中國石油集團油田技術服務有限公司）