超深超高溫裂縫性氣藏固井水泥漿技術

李斐 路飛飛 胡文庭

中石化西北油田分公司石油工程技術研究院

順南井區位于塔中北坡，是西北油田分公司重點探區之一。該區氣藏埋深6 300～7 705 m，地層溫度 170～195 ℃，地層壓力系數 1.2～1.94，含 H2S 和CO2酸性氣體，屬超深、超高溫、高壓、含酸性氣體的干氣氣藏。對于氣藏固井技術，國外經過多年的發展，開發了以聚合物膠乳液為主的防氣竄水泥漿體系，但我國深井固井起步較晚，對高溫固井水泥漿體系的研究不足，仍缺乏新型性能優良的高溫、超高溫防氣竄固井水泥漿體系［1-8］。常規水泥漿在溫度低于110 ℃條件下具有較好的強度和穩定性，但當溫度高于130 ℃時，水泥石強度明顯降低；當溫度超過150 ℃后，水泥石強度再次發生明顯衰退，甚至產生裂縫，為后續施工帶來了風險。順南501井使用的丁苯膠乳水泥漿體系，24 h后強度發展至最高12.41 MPa，97.8 h后強度降至8.83 MPa，水泥石衰退率高達28.8%。同時，該區多井鉆遇裂縫，漏失嚴重，纖維對孔洞、裂縫均具有一定的堵漏效果，但其加量及長度對裂縫性地層的封堵能力并不明確，為此，開展了超高溫條件下氣藏固井水泥石強度衰退預防及漏失控制技術研究，逐步改善順南井區氣藏固井質量，進一步發展了超高溫裂縫性氣藏固井技術。

1 室內實驗

順南區塊固井主要封固一間房組、鷹山組，最高井溫達195 ℃。前期該井區使用發氣型、鹽水膠粒、抗高溫膠乳彈性等防氣竄水泥漿體系，但氣藏段仍未能得到有效封固，后期多口井環空出現帶壓現象。分析原因，主要是兩方面：一是高溫下水泥石強度發生衰退，后續作業過程中水泥石失去了其封固效果，氣體可沿水泥石通道上竄至井口；另一方面，裂縫性儲層承壓能力不清，鉆遇裂縫發生漏失后，纖維對漏層的堵漏能力不清楚。針對上述問題，室內通過探究硅粉加量對水泥石強度的影響規律，得到高溫條件下水泥漿體系合理的硅粉加量范圍；另外通過評價不同纖維長度及加量對一定寬度縫板和一定直徑孔板的堵漏實驗，得到水泥漿體系具備一定堵漏和承壓能力下的纖維加量建議范圍。在硅粉和纖維加量確定的情況下，優選關鍵外加劑，形成抗高溫防氣竄水泥漿體系。

1.1 防衰退實驗

前期研究表明［9-10］：在水泥中加入一定量的硅粉，能有效地控制水泥石在高溫下的強度衰退。為此，在水泥中加入一定量的硅粉，將C/S摩爾比降到1.0左右，并形成雪硅鈣石或硬硅鈣石，使水泥石保持較高的強度和較低的滲透性。針對順南井區的井下高溫，室內采用80目硅粉，配制了水泥漿體系：G級油井水泥+30%～70%硅粉+44%H2O，密度1.90 g/cm3，利用超聲波強度儀考察了180 ℃條件下水泥石強度。由圖1可得：(1)隨著硅粉加量的增加，水泥石強度增大；(2)當硅粉含量大于50%，水泥石強度隨著養護時間的延長呈現先降低后升高的趨勢；(3)保持180 ℃的高溫穩定性所需硅粉加量至少在50%以上。原因分析：硅粉與水化產物間的反應是靠反應物質的界面接觸及通過最初產物層擴散接觸而進行的，溫度增高使得硅粉參與反應的速度加快并形成高強度產物C5S6H5，所以硅粉含量越大，溫度越高，水化反應越充分，早期強度越高，一定程度上延緩了水泥石強度的衰退，且衰退后仍能保持在較高強度范圍內。

圖1 不同硅粉加量下水泥石強度(180 ℃)Fig.1 Strength of the set cement with different fine silica dosages (180 ℃)

1.2 堵漏實驗

將配制好的纖維水泥漿在89 ℃條件下養護40 min，利用水泥漿靜態堵漏儀，對纖維水泥漿體系的防漏、堵漏能力進行評價。

1.2.1 封堵1 mm縫寬實驗

水泥漿體系配方為：G級水泥+55%硅粉+0.6% 6/10 mm纖維+2%降失水劑+0.5%分散劑+2.3%緩凝劑+1.2%消泡劑+44%H2O。其在不同壓力下的濾失量見表1，纖維水泥漿堵縫效果見圖2。

表1 不同纖維水泥漿封堵1 mm縫實驗結果Table 1 Experimental result of plugging 1 mm fracture by using the slurry with fiber

圖2 纖維水泥漿封堵1 mm縫Fig.2 Plugging 1 mm fracture by using the slurry with fiber

從表1及圖2可知：對于1 mm縫，只需加入0.6%的6 mm的纖維即可成功堵住。在加大加量、加入更長纖維的情況下，堵漏效果會更好。

1.2.2 封堵2 mm直徑孔實驗

水泥漿體系配方為：G級水泥+55%硅粉+0.8%～1.5% 6/8/10 mm纖維+2%降失水劑+0.5%分散劑+2.3%緩凝劑+1.2%消泡劑+44% H2O。從表2、圖3可知：當加入0.8%的長度為6 mm和8 mm纖維情況下，堵漏失敗；當加入0.8%的長度為10 mm纖維，成功堵住了孔隙。當加量增加到1%情況下，加入長度為6 mm纖維堵漏失敗，換用長度為8 mm纖維成功堵漏。在0.8%、1%、1.2%的加量下，6 mm纖維均不能堵漏，只有在1.5%加量下才能堵住，但是在此加量情況下，水泥漿太稠，不利于施工。

表2 纖維水泥漿封堵2 mm孔實驗結果Table 2 Experimental result of plugging 2 mm fracture by using the slurry with fiber

圖3 纖維水泥漿封堵2 mm孔Fig.3 Plugging 2 mm fracture by using the slurry with the fiber

2 抗高溫防氣竄水泥漿體系性能評價

集目前納米液硅防氣竄劑和膠乳防氣竄劑優勢于一體，結合水泥石防衰退技術提高水泥石耐高溫穩定性，摻混無機纖維提高水泥漿體系堵漏性能，優選抗高溫防氣竄劑、抗高溫緩凝劑及其他外加劑，并最終形成抗高溫防氣竄水泥漿體系，典型配方如下：

1#領漿：G級水泥+55%硅粉+1.0%纖維+2.0%降失水劑+0.5%分散劑+10%膠乳+1%穩定劑+8%液硅+2.3%緩凝劑+1.2%消泡劑+44%水；

2#尾漿：G級水泥+55%硅粉+1.0%纖維+2.0%降失水劑+0.5%分散劑+10%膠乳+1%穩定劑+8%液硅+2.0%緩凝劑+1.2%消泡劑+44%水。

2.1 基本性能

該水泥漿體系基本性能如表3所示，稠化實驗曲線如圖4所示。

表3 抗高溫防氣竄水泥漿體系基本性能Table 3 Basic properties of high-temperature resistance and gas channeling prevention slurry system

圖4 抗高溫防氣竄水泥漿稠化實驗曲線Fig.4 Thickening experiment curve of high-temperature resistance and gas channeling prevention slurry

2.2 強度及穩定性

其強度及穩定性測試結果見表4。

表4 抗高溫防氣竄水泥石強度及穩定性測試結果Table 4 Strength and stability test results of high-temperature resistance and gas channeling prevention slurry

2.3 防氣竄性能

常用的防氣竄性能評價方法為SPN值法和靜膠凝強度值法。

經計算，1#配方和2#配方體系的SPN值分別為0.42和0.56，均小于1(0≤SPN≤3，防氣竄效果好)，顯示出優異的防氣竄性能。

室內使用超聲波靜膠凝強度分析儀考察了2#泥漿體系的靜膠凝發展情況，評價其防氣竄性能，結果如圖5所示。

圖5 2#配方水泥石強度發展(160 ℃)Fig.5 Development of the strength of No.2 formula set cement (160 ℃)

由表3、表4可看出，抗高溫防氣竄水泥漿體系具有很好的高溫穩定性，流變性及失水等各項性能滿足要求；由圖4、圖5可知，水泥漿稠化過渡時間短，呈直角稠化，2#配方水泥石在160 ℃、7 d條件下強度發展良好無衰退，30 h后強度發展平穩且保持增長態勢，水泥漿靜膠凝強度由48 Pa升至240 Pa的時間僅為6 min，表明該體系具有較強的防氣竄性能。

3 現場應用

以該區順南6井為例，目的層為奧陶系下統蓬萊壩組，為實現分開測試的地質目的，設計五級井身結構，四開氣藏采用?177.8 mm尾管封固，下深7 248 m，懸掛器位置5 910 m，套管到位頂通循環，排量0.2 m3/min，點火成功后循環排后效。投球懸掛器坐掛后，試壓30 MPa合格。注加重隔離液20 m3，密度 1.80 g/cm3，排量 0.6 m3/min，壓力 12 MPa；注領漿 20 m3，平均密度 1.91 g/cm3；尾漿 14 m3，平均密度 1.93 g/cm3，排量 0.6 m3/min，壓力 12～8 MPa；替漿 76.7 m3，排量 0.8～0.3 m3/min，壓力 10 MPa，正常碰壓，壓力9～15 MPa；卸水泥頭，起鉆5柱；反循環洗井，排量 0.6～0.9 m3/min，壓力 10 MPa(洗出水泥漿約4 m3)；起鉆2柱，反擠0.6 m3，擠注壓力最高13 MPa；憋壓13 MPa候凝。該井應用抗高溫防氣竄水泥漿體系，固井后通過聲幅曲線顯示整體固井質量有所提高，固井優良率達到75%，裸眼段均達合格及以上，且后期無帶壓現象出現。

4 結論

(1)水泥石強度衰退預防方法對高溫條件下的固井具有普遍意義。

(2)漏失控制實驗不僅對類似堵漏材料堵漏能力的測試提供了參考方法，并對今后現場堵漏材料的加量提供實驗依據。

(3)新的抗高溫防氣竄水泥漿體系，不僅對順南井區具有一定的適應性，且對超深超高溫裂縫性氣藏固井提供理論和實踐基礎，具有很強的借鑒意義。

(4)硅粉不僅參與水泥石強度反應，且對體系流變性影響較大，建議下一步從分析硅酸鹽水泥水化產物入手，通過改變水化產物組成以改善硅酸鹽水泥石高溫強度衰退問題。