新型固井增強材料的研究與應用

李德偉，畢慶豐

（中國石油集團川慶鉆探工程有限公司長慶固井公司，陜西西安710000）

在固井施工中，常規密度的水泥漿體系（1.35～1.60g/cm3）極易造成固井低返、竄槽、憋泵等事故，導致固井質量不合格或水泥膠結質量不能滿足井下油、氣、水封隔的需要。而降低水泥漿密度往往伴隨著水泥石強度、膠結強度的降低。因此，研究一種既能降低水泥漿密度又能保證水泥石強度的水泥漿體系非常重要[1]。

2018年固井4000余口，其中60%以上要求固井一次上返，為了防止壓漏地層，填充段主要采用膨脹珍珠巖低密度水泥漿體系，其水泥漿密度范圍在1.30～1.40g/cm3，在滿足稠化時間情況下頂部強度發展緩慢，在45℃條件下，24h強度不足3MPa，48h強度不足6MPa，難以滿足現場施工要求。增強材料是基于緊密堆積理論和顆粒尺寸分布技術形成的一種具有多種不同粒徑的活性外摻料，摻入水泥漿中會使水泥漿達到緊密堆積效果，進而提高水泥漿的失水控制能力和沉降穩定性，提高水泥石早期的抗壓強度[2]。

本文將新型增強材料ZQ-A引入到水泥漿體系中，并進行相應的研究，從而形成一套綜合性能良好的低密度水泥漿體系。

1 新型增強材料對混合類珍珠巖低密度水泥漿的效果評價

新型增強劑ZQ-A的室內評價通過控制變量法來進行，其中，變量主要包括摻量、溫度、水灰比及水泥漿密度。以混合類珍珠巖低密度水泥漿體系為研究基礎，完成了新型增強材料對水泥漿體系的抗壓強度、稠化性能及其他性能的影響評價。

1.1 不同摻量新型增強材料ZQ-A對低密度水泥漿性能影響

以混合類珍珠巖低密度水泥漿體系為研究基礎，考察不同摻量新型增強劑對水泥漿體系抗壓強度、稠化性能的影響評價，見表1。

水泥漿配方：100%G級+70%GJ-Q+30%增強材料ZQ-A+0.16%GH-3+2.2%GJ-S+80%水。

試驗條件，稠化：80℃/40MPa/40min；24h和48h抗壓強，養護溫度45℃。

由表1可以看出，在水泥漿體中，增強材料的最佳加量范圍占水泥百分比的25%～40%。該漿體穩定性、析水率較好；隨著增強材料的加量遞增水泥石強度也隨之增高。隨著新型增強材料ZQ-A摻量增加，稠化時間輕微縮短，但影響并不明顯，而水泥石抗壓強度逐漸增強，24h強度提高60%～188%，最高為7.8MPa，48h強度提高30%以上，最高10.5MPa。

表1 新型增強劑ZQ-A摻量變化試驗

1.2 不同溫度條件下新型增強材料ZQ-A對低密度水泥石抗壓強度影響

在相同新型增強劑ZQ-A摻量條件下，考察新型增強劑ZQ-A對不同井深（對應不同溫度）低密度水泥漿強度發展的影響，見表2。

表2 不同溫度條件下新型增強材料對強度影響

水泥漿配方：100%G+70%巖GJ-Q+30%增強材料ZQ-A+0.16%GH-3+2.2%GJ-S+80%水。

試驗條件，稠化：80℃/40MPa/40min；24h和48h抗壓強度：在不同溫度下養護。

由圖1和圖2可以看出，在不同溫度條件下（對應不同井深），加入新型增強劑ZQ-A的水泥石強度均有所提升，24h強度提高50%以上，48h強度提高30%以上。隨著溫度的升高，增強比例呈現“先升后穩”的趨勢，在60℃左右提升效果達到最佳。

圖1 不同溫度條件下水泥石24h強度變化

圖2 不同溫度條件下水泥石48h強度變化

1.3 不同水灰比條件下新型增強劑ZQ-A對水泥漿性能的影響

通過對混合類珍珠巖低密度水泥漿的抗壓強度、稠化時間等性能進行評價，考察在不同的水灰比條件下新型增強劑對水泥漿的影響，見表3。

水泥漿配方：100%G+70%GJ-Q+30%增強材料ZQ-A+0.16%GH-3+2%GJ-S+?%水。

試驗條件，稠化：80℃/40MPa/40min；24h和48h抗壓強度，養護溫度45℃。

由表3可以看出，加入新型增強材料后，低密度水泥漿在較大水灰比條件下仍具有良好的綜合性能，水灰比由0.70增大到0.85，48h水泥石強度增加96%，水泥漿上下密度差變化較小，漿體穩定性好。水灰比增至0.84時，與空白實驗對比，該體系仍有良好抗壓強度，穩定性開始變差，密度差為0.07g/cm3，水泥漿單方成本相當。

表3 不同水灰比條件下新型增強劑對水泥漿性能影響

1.4 不同密度條件下新型增強劑對水泥漿性能的影響

針對混合類珍珠巖低密度水泥漿體系，本文分別選擇了1.25g/cm3、1.30g/cm3和1.35g/cm3三個密度點作為研究對象，在不同密度條件下對水泥漿綜合性能進行了評價，見表4。

表4 不同密度水泥漿綜合性能評價

從試驗結果可知：新型增強材料對不同密度的珍珠巖低密度水泥漿體系均有明顯增強作用，保證稠化時間之比大于0.8的前提下，24h抗壓強度提高40%以上，最高達到109.5%，48h強度增強效果有所減弱，但也在23%以上，見圖3和圖4；與此同時，新型增強材料借助粒子活性高、比表面積大等優點，減小了低密度水泥漿上下密度差和游離液，對其穩定性起到了改良作用，見圖5。

圖3 不同密度條件下24h增強效果對比圖

圖4 不同密度條件下48h增強效果對比圖

圖5 不同溫度稠化曲線圖

2 新型增強材料ZQ-A現場應用

蘇36-1-18井是蘇里格南部一口氣井開發井，蘇里格南區塊二疊系山西組和石河子組主要為河流相沉積，屬于無邊底水定容彈性驅動、溶孔—晶間孔型、低孔、低滲氣藏。氣藏埋深3450～3530m。河8氣層平均有效厚度7.5m，平均孔隙度10.4%，平均滲透率0.832mD；山1氣層平均有效厚度6.2m，平均孔隙度7.4%，平均滲透率0.415mD。

2.1 井身結構設計數據（見表5）

表5 井身結構表

2.2 性能要求

上部井段采用低密高強（高強微珠）降失水體系，設計密度1.35g/cm3，低密度水泥石24h抗壓強度應不小于5MPa。領漿稠化時間達到300～360min，尾漿的稠化時間210～240min。領漿API失水控制在150mL以內，尾漿的API失水控制在50mL以內。

2.3 固井結果

該井一界面固井良好占比54.8%，合格占比16.5%，二界面良好占比2.5%,合格占比78.1%。加入新型增強劑的低密度水泥漿配制20m3，應用于頂部井段，封固段長400m，采用新型增強劑的頂部封固質量，一二界面膠結質量均高于全井平均值，應用效果良好。

3 結論

（1）通過實驗優選，開發出一種適用于低密度水泥漿的新型增強材料，可顯著改善水泥漿穩定性，增加水泥石強度，且可滿足工業化生產，具有良好的綜合性能。

（2）以增強材料為基礎，通過開發相應的高需水減輕增強混材，復配得到一套綜合性能良好的新型增強低密度水泥漿體系。該體系具有成本低、耐壓能力強、強度高、穩定性好等特點，克服了普通低密度水泥漿體系成本和性能之間的矛盾。

（3）新型增強材料能有效提升填充段固井質量，提高市場競爭力。有效解決承壓能力低的區塊，實施一次上返固井工藝的技術，提高低密度水泥石的強度。引用增強材料解決固井封固質量，比原低密度水泥漿體系水泥石抗壓強度提高60%以上。

（4）該產品已在蘇里格、靖邊區塊成功應用92口井，應用效果良好。水泥漿配方均具有進一步優化的空間，且應用前景廣闊，具有大規模推廣應用的價值。