低返速固井對(duì)油井水泥漿性能的影響

徐力群，張興國(guó)，王銀東，金也，丁輝，劉增，劉開強(qiáng)，郭小陽(yáng)

（1.中國(guó)石油塔里木油田分公司油氣工程院，新疆庫(kù)爾勒 841000；2.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué)，成都 610500）

0 引言

塔里木油田超深天然氣井四開鹽膏層、五開目的層的尾管固井面臨井底高溫高壓、安全壓力窗口窄、注水泥過程中的防漏與候凝過程中的壓穩(wěn)矛盾突出等技術(shù)難題[1-4]。為此，塔里木油田聯(lián)合西南石油大學(xué)，通過研究低返速固井配套技術(shù)，解決了超高密度水泥漿注水泥過程中防漏和水泥漿一次性上返不到位的技術(shù)難題[5-6]。眾所周知，超深井固井用水泥漿需加入大量的高溫緩凝劑，以確保體系能耐受井底的高溫，具有足夠的稠化時(shí)間以滿足將水泥漿泵注到預(yù)定位置的需要。但是，當(dāng)水泥漿到位后，其所處位置的溫度將低于甚至遠(yuǎn)低于井底的溫度，從而導(dǎo)致水泥漿體系被緩凝過頭、出現(xiàn)封固段頂部水泥漿超緩凝、延遲后續(xù)施工作業(yè)等的問題。而與常規(guī)返速固井相比，低返速固井的排量大幅度降低、施工時(shí)間也大幅度增加、所需的稠化時(shí)間更長(zhǎng)[7]，為此按照常規(guī)程序調(diào)試水泥漿，將大幅度增加緩凝劑的量，從而進(jìn)一步增加了體系優(yōu)選和配方優(yōu)化的難度，也進(jìn)一步增加了封固段頂替水泥漿超緩凝的可能。與常規(guī)返速固井相比，低返速固井時(shí)水泥漿從井口到井底的時(shí)間更長(zhǎng)，那么其溫度從井口的常溫到被加熱到井下的高溫的時(shí)間更長(zhǎng)， 同時(shí)，其流動(dòng)速度降低導(dǎo)致對(duì)水泥漿攪拌速度也相應(yīng)降低[8-9]，而溫度和攪拌速度都是影響材料化學(xué)反應(yīng)速度的重要因素，那么，由低返速固井導(dǎo)致的升溫速率和攪拌速度的降低是否會(huì)影響水泥漿的水化反應(yīng)速度，是否會(huì)影響水泥漿的其他性能就非常值得研究，而且對(duì)于優(yōu)化低返速固井水泥漿配方具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

在統(tǒng)計(jì)分析塔里木庫(kù)車山前鹽膏層低返速固井排量、對(duì)應(yīng)管內(nèi)和環(huán)空流速的基礎(chǔ)上，建立了低返速固井水泥漿配套性能測(cè)試方法，研究了低返速固井對(duì)水泥漿性能的影響，得到了低返速情況下常規(guī)水泥漿工程性能的變化規(guī)律，從而為國(guó)內(nèi)外類似地層固井合理優(yōu)選水泥漿體系、優(yōu)化水泥漿配方、合理控制體系稠化時(shí)間及減少封固段頂部水泥漿的超緩凝問題，提供了新的理論依據(jù)和技術(shù)手段。

1 低返速固井水泥漿實(shí)驗(yàn)方法

1.1 攪拌速度及實(shí)驗(yàn)條件的確定

用符合API和國(guó)標(biāo)規(guī)范的高溫高壓稠化儀，在150 r/min的攪拌速率下，模擬水泥漿在從井口到井底的攪拌、升溫、升壓和逐漸水化變稠的過程，以測(cè)量水泥漿保持具有可泵送能力的時(shí)間。在超高壓和安全密度窗口窄地層的固井作業(yè)中，精確控制環(huán)空漿柱注替排量和循環(huán)壓耗，是增加水泥漿返高及水泥石封固能力的有效技術(shù)之一。然而，在固井注替中排量降低時(shí)，將導(dǎo)致水泥漿的環(huán)空返速和剪切速率降低，由不同排量對(duì)應(yīng)流速的計(jì)算結(jié)果可知，隨注水泥排量的增加管內(nèi)與環(huán)空的流速增大。

1.1.1 排量與實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)速關(guān)系的確定

為了能準(zhǔn)確模擬不同排量下水泥漿稠化時(shí)間的變化情況，用增壓稠化儀漿杯槳葉的攪拌速率模擬環(huán)空返速[10]，根據(jù)GB/T 19139—2012標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算出了稠化儀漿杯轉(zhuǎn)速與最大線速度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，結(jié)果見表1。一般認(rèn)為固井水泥漿的環(huán)空返速大于1 m/s是保證固井質(zhì)量的前提，對(duì)應(yīng)山前鹽膏層井段，注替排量大于10 L/s，山前構(gòu)造前期的固井作業(yè)排量也均大于10 L/s，但大多數(shù)井在該排量下嚴(yán)重失返。在庫(kù)車山前前期試驗(yàn)中，有些井水泥漿的注替排量需要控制在2 L/s時(shí)，才能保證井不漏失。而2 L/s對(duì)應(yīng)四開最大環(huán)空返速為0.14 m/s，稠化儀對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速為36 r/min；最小值返速為0.058 m/s時(shí)，轉(zhuǎn)速為15 r/min。為了研究低排量下水泥漿的性能，選擇轉(zhuǎn)速為20 r/min作為稠化時(shí)間、抗壓強(qiáng)度測(cè)試和水化實(shí)驗(yàn)的一個(gè)重要指標(biāo)。

表1 稠化儀轉(zhuǎn)速和最大線速度的對(duì)應(yīng)關(guān)系

1.1.2 實(shí)驗(yàn)溫度、壓力的確定

對(duì)山前構(gòu)造鹽膏層48口井的循環(huán)溫度、地層壓力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（見表2）。

表2 庫(kù)車山前鹽膏層井段循環(huán)溫度、壓力數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

可以看出，鹽膏層的循環(huán)溫度主要分布在120～160 ℃，壓力主要分布在120～160 MPa，最高達(dá)180 MPa。另外，常規(guī)固井注水泥作業(yè)條件下，室內(nèi)稠化時(shí)間實(shí)驗(yàn)的升溫時(shí)間一般設(shè)置為60～90 min[11]；低返速注水泥作業(yè)下，排量和環(huán)空返速相應(yīng)減小（見圖1），水泥漿在注入井筒后的升溫速率也會(huì)有明顯不同。因此，實(shí)驗(yàn)研究中也考慮了升溫速率對(duì)水泥漿性能的影響。

圖1 排量及其水泥漿在管內(nèi)及環(huán)空中的流速關(guān)系

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)方法基于API規(guī)范，并結(jié)合低返速固井對(duì)應(yīng)的攪拌速度和升溫速度，對(duì)水泥漿稠化實(shí)驗(yàn)和其他測(cè)試項(xiàng)目水泥漿的預(yù)制（加熱和攪拌）。

1）庫(kù)車山前高溫、高壓水泥漿穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法[12]。使用高速攪拌機(jī)，按照API混漿標(biāo)準(zhǔn)配制水泥漿。將配制好的水泥漿置于稠化儀漿杯中，按擬定好的實(shí)驗(yàn)條件讓稠化儀升溫升壓，結(jié)束后保持溫度和壓力穩(wěn)定，稠化儀繼續(xù)工作30 min。泄壓并降溫到100 ℃以下，取出漿杯，打開杯蓋，吸去水泥漿表面的浮油，靜止于量筒內(nèi)，靜置120 min，然后測(cè)量水泥漿上下的密度。

2）采用抗壓強(qiáng)度來評(píng)價(jià)固化體的固化性能。具體實(shí)驗(yàn)過程為：配制水泥漿，然后將水泥漿置于稠化儀中，按實(shí)驗(yàn)方法設(shè)置不同升溫時(shí)間、轉(zhuǎn)速，等到稠化儀升溫升壓結(jié)束后，保持溫度和壓力穩(wěn)定30 min后，取出漿杯，打開杯蓋，吸去浮油，倒入50.8 mm×50.8 mm×50.8 mm的抗壓模具，將模具置于高溫高壓養(yǎng)護(hù)斧中養(yǎng)護(hù)[13]。對(duì)養(yǎng)護(hù)1、3、7、14、21 d的水泥漿固化體力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試。

1.3 實(shí)驗(yàn)材料

調(diào)研發(fā)現(xiàn)庫(kù)車山前用水泥漿以歐美克公司體系為主，因此，實(shí)驗(yàn)中選擇歐美克公司提供的庫(kù)車山前鹽膏層固井水泥漿配方。但是，測(cè)試結(jié)果表明，即使用常規(guī)攪拌速度測(cè)量，其稠化時(shí)間長(zhǎng)達(dá)650 min，結(jié)果見圖2。同時(shí)考慮到排量降低時(shí)水泥漿剪切速率降低，升溫時(shí)間延長(zhǎng)，為此，為縮短單個(gè)稠化實(shí)驗(yàn)的時(shí)間、提高實(shí)驗(yàn)研究的效率，以現(xiàn)場(chǎng)配方為依據(jù)，適當(dāng)減少緩凝劑的加量，將稠化時(shí)間控制在2.5 h左右，如表3所示。水泥漿配方如下。

100 g水泥漿+25%硅粉+5%微硅+65%加重劑+7.3%工業(yè)鹽+7.8%降失水劑+5.9%減阻劑+7.3%緩凝劑+2%防氣竄劑+0.2%消泡劑+43%水

圖2 庫(kù)車山前鹽膏層固井水泥漿稠化時(shí)間曲線

表3 緩凝劑對(duì)庫(kù)車山前鹽膏層水泥漿基本性能的影響

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

2.1 低返速對(duì)稠化時(shí)間的影響

圖3是不同溫度、不同升溫速率下水泥漿稠化時(shí)間隨攪拌速度的變化。由此可知，在不同的溫度下，隨攪拌速度的降低，水泥漿的稠化時(shí)間都呈延長(zhǎng)的趨勢(shì)，且與常規(guī)返速下的稠化時(shí)間相比，低返速下的稠化時(shí)間延長(zhǎng)幅度最高可達(dá)120%，從而充分證實(shí)了由低返速固井導(dǎo)致的攪拌速度降低對(duì)水泥漿水化反應(yīng)有顯著的影響；相比之下，升溫時(shí)間和速率對(duì)水泥漿稠化時(shí)間的影響呈現(xiàn)出不同的趨勢(shì)，在常規(guī)返速固井的攪拌速度下，升溫時(shí)間和速率的影響不是很明顯，但是，越靠近低返速固井對(duì)應(yīng)的低攪拌速度區(qū)域，其影響越明顯，且出現(xiàn)異常變化，即稠化時(shí)間隨升溫時(shí)間的縮短而延長(zhǎng)，而從理論上而言，隨升溫時(shí)間的縮短、升溫速率的加快，水泥漿被加熱的速度加快，其稠化時(shí)間應(yīng)該更短。但測(cè)試結(jié)果表明，在低返速固井對(duì)應(yīng)的低攪拌速度區(qū)域，稠化時(shí)間反而隨升溫時(shí)間的縮短而延長(zhǎng)，由此，也再次證明了低返速固井所致低攪拌速度對(duì)稠化時(shí)間的顯著影響，其影響幅度已經(jīng)超過由升溫速度加快、水泥漿被加熱速度加快對(duì)水泥漿稠化時(shí)間的影響，由此，也證實(shí)了在低攪拌速度下，測(cè)量水泥漿稠化時(shí)間的必要性和重要性。

圖3 不同升溫時(shí)間下攪拌速率對(duì)水泥漿稠化時(shí)間的影響

2.2 低返速對(duì)懸浮穩(wěn)定性的影響

表4為不同攪拌速度下緩凝劑加量為7.3%（占水泥量）時(shí)水泥漿體系的懸浮穩(wěn)定性能。可以看出，水泥漿體系在90、120和140 ℃下，不論是高速攪拌預(yù)制，還是低速攪拌預(yù)制，其懸浮穩(wěn)定性都非常好，說明該水泥漿體系的抗溫能力強(qiáng)，但是，當(dāng)溫度達(dá)到160 ℃以后，體系開始沉降失穩(wěn)、位于上部和下部的水泥漿開始出現(xiàn)密度差，不過與150 r/min常規(guī)攪拌速度下0.04 g/cm3的密度差相比，20 r/min下的密度差明顯小很多，更為懸浮穩(wěn)定，說明低返速固井條件對(duì)水泥漿的懸浮穩(wěn)定性無不利影響，甚至還有一定的改善作用。

表4 不同攪拌速度下水泥漿的懸浮穩(wěn)定性能

2.3 低返速對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

不同攪拌速度、不同升溫速率下預(yù)制所得水泥漿（緩凝劑加量為水泥量的7.3%）凝結(jié)后，水泥石的抗壓強(qiáng)度見圖4。

圖4 不同攪拌速度、不同升溫速率下的水泥石強(qiáng)度的變化

由此可知，由低返速導(dǎo)致的低攪拌預(yù)制速度，對(duì)水泥石3、7、14 d強(qiáng)度有一定的影響，即隨預(yù)制攪拌速度的降低、14 d的抗壓強(qiáng)度略有下降，最大幅度約為25%左右，且都能滿足大于13.8 MPa的要求；由此可知，1 d和28 d的抗壓強(qiáng)度，不論是常規(guī)攪拌速度預(yù)制，還是低攪拌速度預(yù)制，差別不大。說明低返速條件對(duì)水泥石抗壓強(qiáng)度的發(fā)展基本沒有影響。

2.4 低返速對(duì)現(xiàn)場(chǎng)水泥漿稠化時(shí)間的影響

上述研究結(jié)果表明，低返速條件對(duì)水泥漿的稠化時(shí)間有顯著影響，因此測(cè)試了2套現(xiàn)場(chǎng)水泥漿在低返速條件下稠化時(shí)間的變化情況見表5和表6。

表5 克深907井四開技術(shù)尾管固井水泥漿在低返速下的稠化時(shí)間

表6 克深10井四開技術(shù)尾管固井水泥漿在低返速下的稠化變化情況

由于克深907井四開和克深10井四開使用不同的水泥漿配方，且克深907井四開固井排量為6 L/s對(duì)應(yīng)的最大攪拌速度為116 r/min、最小攪拌速度為45 r/min；克深10井四開固井排量為5.5 L/s，對(duì)應(yīng)的最大攪拌速度為105 r/min，最小攪拌速度為41 r/min，因此選擇50 r/min作為最低攪拌速度，選擇150 r/min作為對(duì)照實(shí)驗(yàn)，選擇100 r/min攪拌速度可以更好地反映低返速下，克深907井和克深10井的真實(shí)情況。當(dāng)轉(zhuǎn)速由150降低到50 r/min時(shí)，對(duì)應(yīng)排量降低，稠化時(shí)間延長(zhǎng)，為了減小排量對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程的影響，以及隨排量變化相同套管尺寸，水泥漿升溫時(shí)間也表現(xiàn)為縮短，而選擇升溫時(shí)間為210 min，是與低返速現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和套管尺寸計(jì)算的實(shí)際升溫時(shí)間相匹配的。

通過表5和表6還可知，在低返速條件下，2口井四開技術(shù)尾管現(xiàn)場(chǎng)水泥漿稠化時(shí)間的變化規(guī)律，與室內(nèi)研究結(jié)論一致，都隨攪拌速度的降低而大幅延長(zhǎng)，尤其克深10井的水泥漿，延長(zhǎng)幅度高達(dá)125%，雖有利于安全施工，但對(duì)于水泥漿體系實(shí)現(xiàn)快凝、防止地層壓力（2.5 g/cm3）高壓地層鹽水造成的水侵相當(dāng)不利，為此，有必要根據(jù)低返速下稠化時(shí)間的規(guī)律，對(duì)水泥漿配方進(jìn)行優(yōu)化。

2.5 低返速影響水泥漿稠化時(shí)間的機(jī)理分析

前述研究結(jié)果表明，低返速條件對(duì)水泥漿體系的稠化時(shí)間有顯著的影響，而稠化時(shí)間是水泥漿水化反應(yīng)速度和進(jìn)程的外在宏觀表現(xiàn)，那么，低返速條件影響水泥漿稠化時(shí)間的內(nèi)在機(jī)理如何？能否通過對(duì)水泥漿水化產(chǎn)物的組成及其含量的分析，證實(shí)低返速條件對(duì)水化反應(yīng)速度和進(jìn)程的影響呢？為此，用XRD衍射分析和TG熱重分析技術(shù)，對(duì)在不同預(yù)制攪拌速度下，預(yù)制不同時(shí)間后的水泥漿水化產(chǎn)物的種類和含量進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果見圖5和圖6。由此可知，雖然低返速條件對(duì)水泥漿的稠化時(shí)間有顯著影響，但是，即使在20 r/min的低返速條件下，水泥漿在不同水化時(shí)間的XRD衍射峰位置，也與150 r/min下基本相同，表明盡管其水化速度和進(jìn)程受到一定的影響，但是其水化產(chǎn)物種類基本相同，沒有新的物質(zhì)產(chǎn)生。由圖6還可知，盡管水泥漿在低返速條件下的水化產(chǎn)物種類與常規(guī)返速條件下的基本相同，但其水化產(chǎn)物的含量有顯著區(qū)別，隨水化時(shí)間的延長(zhǎng)，水化產(chǎn)物的量逐漸增多，但是，在高返速條件下水泥顆粒能更充分地與自由水接觸，同時(shí)，增加了內(nèi)部離子的運(yùn)移速度，從而可生成更多的水化產(chǎn)物，由此，也證實(shí)了低返速條件對(duì)水泥漿水化反應(yīng)速度和進(jìn)程的影響，也正因?yàn)槿绱耍旁斐闪说头邓贄l件下，水泥漿稠化時(shí)間的大幅度延長(zhǎng)。與水化反應(yīng)10 min物相對(duì)比，高低轉(zhuǎn)速下的試樣質(zhì)量損失相似，差異較小；水化50 min與對(duì)比水化反應(yīng)10 min相對(duì)比，100～400℃內(nèi)的質(zhì)量損失差異擴(kuò)大，20 r/min質(zhì)量損失為1.70 %，150 r/min質(zhì)量損失為0.96%；當(dāng)水化進(jìn)行到80 min時(shí)， 100～400 ℃內(nèi)的質(zhì)量損失差異繼續(xù)擴(kuò)大；當(dāng)水化反應(yīng)時(shí)間為130 min時(shí)， 100～400 ℃內(nèi)20 r/min的質(zhì)量損失為2.48%，150 r/min的質(zhì)量損失為9.44%，差距較大；400～500 ℃時(shí)20 r/min質(zhì)量損失為0.63%，150 r/min質(zhì)量損失為0.99%。因此，可以認(rèn)為低轉(zhuǎn)速處理的水泥漿前期水化產(chǎn)物中水化硅酸鈣凝膠含量更少，后期含量逐漸趨于相同，而Ca（OH）2的生成量減小水化程度緩慢，延長(zhǎng)水泥漿的稠化時(shí)間。

圖5 不同預(yù)制攪拌速度下預(yù)制不同時(shí)間水泥漿的XRD衍射分析

圖6 不同預(yù)制攪拌速度下預(yù)制不同時(shí)間的水泥漿水化產(chǎn)物含量（TG熱重）

3 結(jié)論

1.低返速固井條件下，水泥漿的水化反應(yīng)速度和進(jìn)程放慢，導(dǎo)致其稠化時(shí)間大幅延長(zhǎng)，為此，更容易導(dǎo)致封固段頂部水泥漿超緩凝的問題，為此，對(duì)低返速固井水泥漿，需在低返速條件下測(cè)試稠化時(shí)間，并據(jù)此對(duì)配方進(jìn)行優(yōu)化合理控制稠化時(shí)間。

2.低返速固井水泥漿的懸浮穩(wěn)定性基本不受影響，甚至有一定的改善；抗壓強(qiáng)度只有14 d強(qiáng)度稍微受到影響、出現(xiàn)小幅降低，但均能滿足要求。

3.通過XRD、TG分析表明，在低返速情況下，水泥漿的水化產(chǎn)物種類不會(huì)發(fā)生變化，只是延緩了水化的進(jìn)程，并且低返速處理的水泥漿水化產(chǎn)物中硅酸鈣凝膠的量更少，Ca（OH）2的生成量減小，降低了水化速率進(jìn)程，導(dǎo)致水泥漿稠化時(shí)間延長(zhǎng)。