納米硅乳液水泥漿體系在川東北元壩地區的應用

姚 勇， 李小江， 魏浩光， 楊紅歧， 張建華， 羅 龍

1中國石化西南石油工程公司固井分公司 2中國石化石油工程技術研究院有限公司 3江蘇華安科研儀器有限公司

0 引言

元壩地區位于四川盆地川北坳陷帶，東臨川東高陡斷褶帶，北接米倉—大巴斷褶帶，西為龍門山斷褶帶[1]。早期勘探開發在陸相地層須家河組和海相地層長興組均鉆遇較好工業氣流，第一期探明天然氣地質儲量1 592.53×108m3[2]，川東北元壩地區是中石化天然氣増儲上產的重要勘探開發區，同時也是西南油氣分公司建設“雙百億氣田”的重要戰略接替地。

元壩氣田的陸相地層氣藏埋深在4 500～5 200 m，海相地層氣藏埋深在6 240～6 950 m，相比其他氣田埋深要深1 000～2 000 m，是迄今為止發現的國內埋深最深的大型海相氣田[2]。陸相地層存在高溫、高壓、井漏等特點，且砂巖與泥巖頻繁交替出現，薄互層多，巖性變化大[3]；海相地層壓力高、氣層活躍、高含硫，且縱向上存在多套壓力體系,橫向上非均質性強，給水泥環界面膠結、防氣竄和長效密封完整性帶來極大挑戰[2, 4]。

1 元壩地區固井技術難點

(1)深井、高溫井。元壩地區生產套管下深在6 600 m左右，井下靜止溫度可達160 ℃，對水泥漿的耐高溫性能要求高。

(2)氣層活躍。元壩地區陸相地層和海相地層中存在幾十套氣層，氣層壓力可達150 MPa，對水泥漿的防氣竄性能要求高。

(3)氣層中富含酸性腐蝕氣體。陸相地層須家河組微含二氧化碳(含量0～1.41%)；海相地層飛仙關組中含硫化氫(含量2.42%～4.72%)，中含二氧化碳(含量3.15%～10.16%)；海相地層長興組氣藏組分差異較大，中含硫化氫(含量1.42%～6.65%)，中含二氧化碳(含量1.45%～15.51%)，硫化氫與二氧化碳處于同一環境中，硫化氫的腐蝕程度會更高，為保證水泥環的長期密封完整性，需要水泥石具有較好的抗腐蝕性能[2]。

2 納米硅乳液

2.1 納米硅乳液特征及作用

納米硅乳液是一種新型的防氣竄劑，是由球形的納米二氧化硅顆粒經過特殊處理工藝與水混合形成的乳液[5]，納米硅乳液中的納米二氧化硅具有很高的化學活性，可參與水泥的水化反應[6]。納米硅乳液的密度為1.37 g/cm3，表觀黏度為12～14 mPa·s，固相濃度為45%，納米二氧化硅中值粒徑162 nm，粒徑分布80～300 nm，比表面積高達23 m2/g，具有極強的表面活性。

將納米硅乳液加入到固井水泥漿體系中，可以起到多種良好的作用：

(1)防氣竄功能。納米二氧化硅平均粒徑只有160 nm左右，遠小于水泥顆粒尺寸，微細的二氧化硅顆粒堵塞水泥顆粒間孔隙，在固井二界面上形成致密濾餅，起到降低濾失量和防止氣竄作用。

(2)其他輔助性能。如控制水泥漿游離液、降低黏度、早強作用、提高水泥石強度、提高膠結質量、提高水泥漿穩定性和耐腐蝕能力[7- 11]。

2.2 改善水泥石力學性能

常規水泥石內部有很多的微裂隙與大孔隙，加入納米硅乳液后，納米二氧化硅粒子填充在水泥顆粒間，形成緊密堆積，降低孔隙率，提高水泥石的抗壓強度[12- 13]；同時納米二氧化硅具有火山灰活性，這些顆粒通過化學鍵的形式與水泥顆粒相互連接，可以有效阻止水泥石內部各種的微裂隙的產生，當水泥石受拉應力或者沖擊應力時，水泥石不易破壞。

圖1為水泥石的抗折強度、抗壓強度和彈性模量隨納米硅乳液加量的變化規律，由圖2可知，將納米硅乳液加入到水泥漿中具有提高強度作用的同時還可以增加水泥石彈韌性，最優加量為10%～15%，超過15%后強度和彈韌性的改善提高并不明顯。與凈漿形成的水泥石相比，10%的納米硅乳液加量可以使水泥石的抗折強度和抗壓強度分別提高24.2%、32.0%(1.95 MPa、27.2 MPa)，使水泥石的彈性模量降低40.4%(8.4 GPa)，能夠顯著提高水泥石的強度與抗沖擊韌性。這是因為在水泥基體中的納米二氧化硅顆粒同水泥顆粒間用化學鍵進行連接，在水泥石內部形成一個與水泥石基體結構相互支撐的結構，該網狀結構有助于提高水泥石受沖擊時動能的吸收，促進沖擊能量由沖擊部位向水泥石結構內部快速耗散，減少因局部能量的蓄積導致的裂紋迅速擴展，提高水泥石的抗沖擊性能，增加水泥石止裂效果。納米二氧化硅顆粒通過水化反應可以修補水泥石內部的微裂隙等，降低水泥石的彈性模量，提高水泥石的抗拉能力。

圖1 納米硅乳液(SCLS)對水泥石力學性能影響

圖2 納米硅乳液(SCLS)對水泥石高溫強度穩定性的影響

將納米硅乳液與常規硅粉復配還可以提高水泥石的高溫穩定性能。如圖3所示，在硅粉總加量50%，粗硅粉(80～120目): 細硅粉(160～180目): 納米硅質量比為30∶60∶10，水泥石具有良好的高溫強度穩定性，200 ℃強度在前3 d出現了緩慢下降，但之后逐漸恢復，并在14 d時提高到39.2 MPa，這是因為在水化早期，高溫下水泥的水化產物水化硅酸鈣CSH和C2SH2轉變成孔隙度較高的板塊狀產物C2SH，導致強度下降，而硅粉和納米硅乳液的加入，使大部分C2SH在后期逐漸轉化為強度更高的雪鈣硅石C5S6H5和硬鈣硅石C6S6H，從而提高了水泥石的高溫強度穩定性。

2.3 降低水泥石滲透率

圖3為加入納米硅乳液的水泥石滲透率測試結果，納米硅乳液可以顯著降低水泥石的滲透率，10%納米液硅乳液加量即可將水泥石滲透率降到0.1 mD以下。160 ℃條件下，10%、15%納米硅乳液加量時可以使水泥石滲透率分別降低81.8%、93.9%，180 ℃條件下，10%、15%納米硅乳液加量可以使水泥石滲透率分別降低87.1%、90.3%。納米二氧化硅粒徑只有一百多納米，為水泥顆粒的數百分之一，能有效填充在水泥顆粒間的空隙，起到降低滲透率的作用。

圖3 納米硅乳液(SCLS)對水泥石滲透率的影響

2.4 提高界面膠結強度

圖4為0、5%、10%、15%、20%納米硅乳液加量形成的水泥石不同養護周期的膠結強度。當納米硅乳液加量達到10%以上時可以有效提高水泥環的膠結強度，最優加量為10%～15%，超過15%提高幅度不大。其作用機理主要體現在兩方面：①乳液中的納米二氧化硅與界面處水化產物氫氧化鈣晶體反應，生成了具有更強膠結能力的水化硅酸鈣[15]；②納米二氧化硅具有限位支撐作用，抑制水泥石的固化收縮功能，增加了水泥環與套管和地層之間的擠應力[16]。

圖4 納米硅乳液(SCLS)對水泥石膠結強度的影響

2.5 提高水泥環防竄能力

水泥石的滲透率和界面膠結狀況是影響水泥環防竄能力的關鍵因素，納米硅乳液的防竄作用機理主要是堵塞填充作用，增加致密性，并抑制界面處的收縮。應用防氣竄模擬分析儀測量水泥漿在膠凝失重期間的氣竄量可有效評價水泥漿的防氣竄能力。將水泥漿倒入氣竄模擬裝置養護釜后，水泥開始水化，隨著水化作用的進行，水泥漿逐漸具有膠凝強度，水泥漿中的孔隙壓力會下降，在壓力快速下降過程中，如果沒有收集到氣竄量，就表示該水泥漿具有較好的防氣竄效果。圖5為納米硅乳液水泥漿氣竄模擬實驗曲線，實驗條件為140 ℃×6 MPa。由圖6可知在水泥漿內部孔隙壓力急劇下降過程中，采集到的氣竄量為零，表明納米硅乳液水泥漿體系具有較好的防氣竄能力。

圖5 納米硅乳液水泥漿氣竄模擬曲線

2.6 增強水泥石抗腐蝕能力

水泥石的滲透性是腐蝕發生的關鍵因素，由于納米二氧化硅的粒徑只有一百多納米，為水泥顆粒數的百分之一，能有效填充水泥顆粒間的空隙，起到降低滲透率的作用，水泥石滲透性小，有利于防止酸性氣體向水泥石內部擴散。此外納米二氧化硅能夠參與水泥的水化反應，與氫氧化鈣反應生成水化硅酸鈣，降低水泥堿度，提高水泥石的抗腐蝕能力。

表1為150 ℃溫度條件下，酸性氣體腐蝕水泥石28 d后，水泥石的滲透率變化情況，配方1為常規水泥漿體系，配方2為納米硅乳液水泥漿體系，配方3為膠乳水泥漿體系。由表1可知，三種體系形成的水泥石經過酸性氣體腐蝕之后滲透率均有不同程度的增加，且常規水泥漿體系的滲透率變化幅度要顯著高于納米硅乳液水泥漿體系。

表1 酸性氣體腐蝕前后水泥石滲透率變化

對比三種體系腐蝕28 d后的數據可知，納米硅乳液水泥漿體系的性能要顯著優于常規水泥漿體系，在硫化氫和二氧化碳單一酸性氣體腐蝕環境下，其滲透率比常規水泥漿體系分別降低了80.9%和76.0%，且腐蝕后滲透率仍低于或接近于常規水泥漿體系腐蝕前的滲透率，表現出良好的抗單一酸性氣體腐蝕能力。此外，實驗結果表明，納米硅乳液水泥漿體系抗硫化氫或二氧化碳腐蝕能力與膠乳水泥漿體系大致相當，抗酸性混合氣體腐蝕能力略強于膠乳水泥漿體系，這是因為納米硅乳液中的納米二氧化硅可充填于水泥石孔隙中，使水泥石更加致密，因而可以延緩腐蝕過程，其參與水化反應，進一步改變腐蝕進程，達到控制酸性氣體腐蝕的作用。但在酸性混合氣體環境下，為了達到更好的防腐效果，還需添加抗腐蝕外加劑等，以進一步提高水泥石的抗腐蝕能力。

3 納米硅乳液水泥漿體系

納米硅乳液水泥漿體系主要由G級油井水泥、加重劑、硅粉、降失水劑、納米硅乳液、緩凝劑、抑泡劑等組成。現已形成密度范圍1.90～2.50 g/cm3的納米硅乳液水泥漿，其中納米硅乳液加量10%，并考察了水泥漿體系的一些常規性能，如API失水、流變性能、流動度、48 h抗壓強度、45°傾斜自由液、稠化時間等，實驗溫度130 ℃。實驗結果見表2。

表2 納米硅乳液水泥漿體系常規性能

由以上實驗可知，在常用密度范圍1.90～2.50 g/cm3內，通過調節加重劑、分散劑加量，并保持降失水劑、納米硅乳液等其他外加劑的量不變，就可以獲得常規性能優異的納米硅乳液水泥漿。

4 現場應用

納米硅乳液水泥漿體系作為一種高效的防氣竄水泥漿體系，在川東北元壩地區進行了多口井的應用，應用密度1.87～2.41 g/cm3，應用效果良好，固井質量和防竄效果均優于該地區的常規水泥漿體系。下面以元壩702井為例介紹其現場應用情況。該井是中石化勘探分公司部署在川東北元壩地區的一口重點評價井，設計井深7 100 m，完井方式為套管完井。四開采用?311.2 mm鉆頭鉆至井深5 088 m中完，下入?273.1 mm技術尾管至井底，懸掛器位置為3 330.94 m。鉆井液采用氯化鉀聚磺鉆井液體系，鉆井液性能參數見表3。

表3 元壩702井四開鉆井液性能參數

本開次鉆進至4 326.74 m(須四段)發生漏失，漏速約45 m3/h，累計漏失鉆井液159.59 m3。共鉆遇油氣顯示層位48個，氣測全烴值最高為60.892%，其中含12個裂縫型氣層，油氣顯示活躍且分布廣，防氣竄難度極大。

該井使用納米硅乳液高溫防氣竄水泥漿雙凝體系，領漿時間長，確保安全施工，尾漿時間短，以快制氣，快速形成強度，阻止氣體上竄，水泥漿性能如表4所示。現場入井液依次為20 m3密度為2.35 g/cm3先導加重隔離液，6 m3密度為1.03 g/cm3濾餅固化劑，20 m3密度為2.35 g/cm3加重隔離液，39 m3密度為2.41 g/cm3領漿，38 m3密度為2.41 g/cm3尾漿，2 m3密度為2.35 g/cm3壓塞液，替井漿72 m3，15 m3密度為2.35 g/cm3保護液，替井漿24 m3，替清水2.1 m3碰壓。泄壓，放回水斷流，起鉆至3 052 m，正循環洗井，再起鉆3柱，憋壓2.5 MPa，關井候凝72 h。

表4 元壩702井?273.1 mm技術尾管固井水泥漿體系性能

候凝結束后，卸壓開井，起鉆前循環一周未見后效，試壓合格。聲幅測井結果表明：尾管固井優質井段長1 465 m、占比88.8%，良好井段長185 m、占比36.5%，無膠結差井段，固井第一界面優質率88.8%、優良率100%。

5 結論

(1)納米硅乳液水泥漿體系具有流動性好、API失水量小、零自由液、稠化過渡時間短、防竄效果好等特點。與常規水泥漿體系相比，其形成的水泥石具有更低的滲透率，更高的抗壓強度、抗沖擊韌性和界面膠結強度。在實驗室腐蝕條件下，水泥石滲透率增加幅度小，具有較強的抗酸性氣體腐蝕的能力。

(2)納米硅乳液水泥漿體系在川東北元壩地區進行了多口井的應用，有效封固了氣層，現場應用效果好，較好地解決了元壩地區固井技術難題，為同類油氣藏開發提供了技術借鑒。