鹽膏層固井專用水泥的研究與生產(chǎn)實(shí)踐

黃英姿，程海平，覃愛平，陳 俊，李 輝，任寧寧

(1.中國葛洲壩集團(tuán)水泥有限公司，湖北 武漢 430070；2.葛洲壩石門特種水泥有限公司，湖南 常德 415302）

0 引言

江漢平原、澧州平原等地帶均有帶鹽膏層的油氣田，是全國眾多鹽膏層油氣田的典型代表。由于鹽膏層具有流動(dòng)性、含鹽密度高等特點(diǎn)，特別是在遇深井鹽膏層、巨厚鹽膏層等復(fù)雜段作業(yè)時(shí)，如果利用現(xiàn)有技術(shù)中常規(guī)使用的淡水混拌水泥漿，極易發(fā)生鹽侵鈣侵現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為：（1）注水泥階段，由于濃差效應(yīng)，地層水中的鹽離子進(jìn)入水泥漿中使水泥漿增稠，或水泥漿中的水進(jìn)入地層破壞地下鹽膏層的平衡，造成地層膨脹、井徑縮小；（2）鹽膏層遇普通水泥漿會(huì)溶解使井徑擴(kuò)大，造成井壁不規(guī)則，厚壁套管變形，甚至被錯(cuò)斷或擠毀，影響鉆井作業(yè)，縮短油氣井的使用壽命；（3）水泥硬化階段，地層鹽分的持續(xù)溶解影響水泥漿的硬化速率和后期強(qiáng)度，水泥石與地層膠結(jié)質(zhì)量差，形成溶解性裂縫，為地下油氣水上竄提供通道；（4）鹽膏層地層水中電解質(zhì)含量高，易腐蝕一般水泥石、甚至腐蝕套管，固井質(zhì)量難以保障，易發(fā)生溶解、坍塌事故。

我公司在為江漢平原、澧州平原油田供應(yīng)固井水泥過程中，結(jié)合油田實(shí)際地層環(huán)境開展針對(duì)性研究，開發(fā)出噴霧造膜制備鹽膏層固井專用水泥技術(shù)，有效解決了鹽膏層固井作業(yè)中因水泥增稠帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)施工過程中可直接采用地下鹽水混拌水泥漿，節(jié)約了淡水資源和施工成本。

1 噴霧造膜技術(shù)的開發(fā)

油井水泥顆粒細(xì)，水泥磨內(nèi)溫度高，顆粒易團(tuán)聚，溫度超過80℃時(shí)用作水泥緩凝劑的二水石膏會(huì)逐步脫水形成半水石膏或硬石膏。水泥加水后，可溶性硬石膏迅速溶解飽和，析出線狀結(jié)晶體硬化，造成假凝現(xiàn)象從而失去緩凝作用。為適當(dāng)降低磨內(nèi)溫度，開發(fā)出一種噴霧攪拌輸送裝置，通過噴灑霧化冷卻液有效降低出磨水泥溫度，消除粉料內(nèi)摩擦力和避免假凝現(xiàn)象的發(fā)生。

噴霧攪拌輸送裝置包括氣力與機(jī)械復(fù)合式混料機(jī)、計(jì)量泵、流量計(jì)、霧化噴頭，詳情示意見圖1。出磨水泥從選粉機(jī)的出料口輸出后，落入下方的氣力與機(jī)械復(fù)合式混料機(jī)內(nèi)；氣力與機(jī)械復(fù)合式混料機(jī)、霧化噴頭同時(shí)工作，且在氣力與機(jī)械復(fù)合式混料機(jī)內(nèi)由羅茨風(fēng)機(jī)提供0.3～0.5MPa壓縮空氣使水泥顆粒處于旋浮狀態(tài)；出磨水泥從氣力與機(jī)械復(fù)合式混料機(jī)的進(jìn)料口進(jìn)入后混料、輸送，可使水泥顆粒表面均勻接觸霧化冷卻液。

圖1 噴水霧化攪拌輸送裝置結(jié)構(gòu)圖

噴淋霧化冷卻液降低水泥磨內(nèi)溫度的同時(shí)，少量冷卻液與水泥顆粒接觸后會(huì)發(fā)生反應(yīng)，使水泥失去部分水化活性，在顆粒表面形成鈍化保護(hù)膜，降低水泥遇鹽水的反應(yīng)速率。圖2和圖3分別是普通G級(jí)油井水泥和鹽膏層固井油井水泥SEM微觀圖像，可以看到噴霧化冷卻液后有更多的板塊狀產(chǎn)物，結(jié)構(gòu)致密。

圖2 普通G級(jí)油井水泥微觀結(jié)構(gòu)

圖3 鹽膏層固井油井水泥微觀結(jié)構(gòu)

2 冷卻液量對(duì)水泥性能的影響

要達(dá)到噴霧提升水泥品質(zhì)的效果，控制合適的冷卻液量是關(guān)鍵。冷卻液量低，改善效果有限；冷卻液量高，水泥易潮濕結(jié)塊。通過工業(yè)化試驗(yàn)，控制0～1.0%不同噴霧量制備出水泥，水灰比0.44，比較各水泥漿的流動(dòng)性、強(qiáng)度等性能，結(jié)果見表1、圖4和圖5（試驗(yàn)用水根據(jù)目前鹽膏層油井普遍的地下水濃度確定為18%鹽水）。

表1 不同冷卻液量下水泥漿性能

圖4 流動(dòng)度和稠化時(shí)間隨噴水量的變化趨勢

圖5 常壓38℃、8 h抗壓強(qiáng)度隨噴水量的變化趨勢

結(jié)合圖4、表1分析可知，水泥漿初始和靜置15 min的流動(dòng)度隨噴霧量的增加呈先增大后減小的趨勢，冷卻液量在0.5%～0.7%時(shí)，靜置15min流動(dòng)度超過200mm，不再出現(xiàn)遇鹽水增稠效應(yīng)；而不噴冷卻液時(shí)僅在65mm，水泥漿流動(dòng)性有了很大提升。分析原因是冷卻液量在一定范圍內(nèi)增大時(shí)，使水泥顆粒表層鈍化殼膜增厚形成離子遷移保護(hù)屏障，水泥漿體系中包含的Ca2+、Al(OH)4-、OH-、SiO42-和 Al3+短時(shí)間內(nèi)無法大量溶出與環(huán)境中的離子結(jié)合形成網(wǎng)絡(luò)狀水化產(chǎn)物，水泥更多地以顆粒狀存在，流動(dòng)性得到改善。繼續(xù)增大冷卻液量，微小的水泥顆粒全部鈍化反應(yīng)過程已完成，開始直接與環(huán)境中離子反應(yīng)形成網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)水化產(chǎn)物，水泥逐漸凝結(jié)硬化，流動(dòng)性減小。

水泥漿稠化時(shí)間和抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律也可以從離子遷移速率的角度解釋。噴霧量為0.7%時(shí)，常壓38℃、8h抗壓強(qiáng)度達(dá)到最高，為3.06MPa；稠化時(shí)間最大，為122min。離子遷移速率高，水化產(chǎn)物生成快，強(qiáng)度會(huì)得到提高。由于早期階段水泥漿中的離子遷移速率與外加環(huán)境水中離子遷移速率不同，生成的水化產(chǎn)物首先堆積在水泥顆粒表面，反而抑制了水泥的進(jìn)一步水化，從而導(dǎo)致水泥稠化時(shí)間和抗壓強(qiáng)度隨噴水量的增加會(huì)出現(xiàn)一個(gè)峰值。即在水泥磨制時(shí)控制噴霧量在0.5%～0.7%，磨制出的水泥用地下鹽水混拌，水泥漿性能指標(biāo)良好。

3 鹽水濃度對(duì)水泥性能的影響

鹽膏層中的鹽和石膏是一種強(qiáng)電解質(zhì)，能對(duì)水泥漿性能產(chǎn)生較為復(fù)雜的影響，主要表現(xiàn)在使水泥漿產(chǎn)生分散、密度升高、促凝緩凝、失水量及稠化時(shí)間難以控制等方面。通過調(diào)整混拌鹽水濃度，改變水泥漿與環(huán)境水間的濃度梯度，研究0.44水灰比下水泥漿流動(dòng)性和稠化時(shí)間的變化情況，見表2、圖6。

表2 不同鹽水濃度下水泥漿性能

圖6 常壓38℃、8 h抗壓強(qiáng)度隨噴水量的變化趨勢

從圖6、表2中可以看到，鹽水濃度由16%增加至24%時(shí)，水泥漿初始和靜置15 min的流動(dòng)度逐漸變小，流動(dòng)性損失，但損失率逐漸減小，鹽水濃度達(dá)到18%以上時(shí)降低緩慢。流動(dòng)度的損失是由于鹽水中的電解質(zhì)離子誘發(fā)水泥快速反應(yīng)，水泥顆粒之間形成網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)相互交叉連接而速凝。損失率的減小則是因?yàn)殡S著鹽濃度的增加，逐漸達(dá)到飽和溶解度，同時(shí)水泥漿水化過程中要消耗一部分水，水泥漿中可自由遷移的鹽離子量的增量有限，對(duì)流動(dòng)度的影響也逐漸減小。鹽水濃度在18%以上時(shí)稠化時(shí)間變化也不明顯，基本穩(wěn)定在110～120 min。

以上試驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了在進(jìn)行噴冷卻液量試驗(yàn)時(shí)，選用18%的鹽水混拌水泥漿的水泥性能基本可以代表鹽膏層固井專用水泥在實(shí)際鹽膏層固井中的性能。

4 鹽膏層固井專用水泥性能驗(yàn)證

（1）與普通G級(jí)油井水泥對(duì)比。將所制備的鹽膏層固井專用水泥與普通G級(jí)油井水泥在18%鹽水下進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果圖7。可以看到，普通G級(jí)油井水泥基本喪失流動(dòng)性，鹽膏層固井專用油井水泥流動(dòng)度較用淡水混拌時(shí)減小20 mm，但依然可滿足固井需求。

圖7 鹽膏層固井專用水泥與普通G級(jí)油井水泥流動(dòng)度對(duì)比

（2）高鹽濃度下水泥性能。為進(jìn)一步驗(yàn)證所制備的鹽膏層固井專用水泥性能，取江漢油田鹽膏層高濃度地下鹽水（鹽濃度24.0%）進(jìn)行水泥漿混拌，其性能指標(biāo)見表3。三組樣品均達(dá)到并超過預(yù)期目標(biāo)，流動(dòng)度在190 mm以上，稠化時(shí)間超過110 min，常壓38℃8 h抗壓強(qiáng)度達(dá)到2.2 MPa以上，常壓60℃8 h抗壓強(qiáng)度達(dá)到18.0 MPa以上。

表3 用24%鹽水混拌時(shí)鹽膏層固井專用水泥性能

（3）不同溫度下的水泥性能。實(shí)際鹽膏層地下水除鹽濃度不同外，溫度也有所不同。為驗(yàn)證鹽膏層專用固井油井水泥在不同溫度下的使用效果，檢測了20～100℃溫度梯度內(nèi)水泥漿的流動(dòng)性，結(jié)果見表4，并以溫度對(duì)水泥漿流動(dòng)度做曲線圖，線性回歸見圖8。

表4 鹽膏層固井專用水泥流動(dòng)度隨溫度變化

圖8 鹽膏層固井專用油井水泥隨溫度變化趨勢

從表3、圖8可知，水泥漿的流動(dòng)度隨溫度的升高而減小，從線性回歸擬合也得到驗(yàn)證（相關(guān)系數(shù)R2=0.9633）。當(dāng)溫度由20℃升至100℃時(shí)，水泥流動(dòng)性受到影響，流動(dòng)度由208 mm減小到176 mm；在80℃時(shí)為183mm，流動(dòng)性依然較好，完全滿足鹽膏層井礦下的固井需求。

通過多種環(huán)境條件下的驗(yàn)證、對(duì)比，充分表明研發(fā)的鹽膏層固井專用油井水泥在鹽膏層環(huán)境下未出現(xiàn)增稠、假凝等現(xiàn)象，流動(dòng)性、稠化時(shí)間、強(qiáng)度等性能指標(biāo)良好，

5 研究成果與結(jié)論

本項(xiàng)目通過研究探索，開發(fā)的鹽膏層固井專用水泥能有效解決普通油井水泥遇鹽水增稠等問題。研究過程中主要得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）開發(fā)出一種噴霧造膜裝置，可減少粉料團(tuán)聚、防止石膏脫水導(dǎo)致水泥假凝，同時(shí)在水泥顆粒表層形成鹽水難溶的鈍化保護(hù)膜，延緩水泥凝結(jié)。

（2）霧化冷卻液量在0.5%～0.7%時(shí)，用鹽水混拌水泥漿，專用水泥各項(xiàng)性能指標(biāo)最佳。

（3）本技術(shù)開發(fā)的鹽膏層固井專用水泥，能滿足0～24%不同鹽水濃度、20～80℃不同溫度下的固井需求。使用江漢油田鹽膏層24%高濃度地下鹽水混拌的水泥漿，其稠化時(shí)間達(dá)到110min以上，流動(dòng)度達(dá)到190 mm以上，常壓38℃，8 h抗壓強(qiáng)度達(dá)到2.2MPa以上，常壓60℃，8h抗壓強(qiáng)度達(dá)到18.0MPa以上。