低摩阻耐壓防漏低密度水泥漿固井技術(shù)

王鼎，萬向臣，楊晨

（1.川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院,西安 710018；2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實(shí)驗(yàn)室,西安 710018；3.川慶鉆探工程有限公司長慶固井公司，西安 710018）

0 引言

長慶蘇里格氣田為保證井筒完整性，采用一次上返固井工藝進(jìn)行全井段封固。一次上返固井最大難題為中部劉家溝地層承壓能力低，埋藏深度一般為2300～3000 m，漏失當(dāng)量密度僅為1.27～1.40 g/cm3，采用1.25～1.35 g/cm3輕珠低密度水泥漿體系固井漏失時(shí)有發(fā)生，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)漏失率約占30%，嚴(yán)重影響水泥漿返高和封固段固井質(zhì)量。結(jié)合現(xiàn)場應(yīng)用情況進(jìn)行室內(nèi)研究發(fā)現(xiàn)，輕珠低密度水泥漿體系耐壓性能較差，水泥漿入井承受30～40 MPa壓力后，密度上升0.15～0.20 g/cm3，靜液柱壓力升高；水泥漿受壓后，空心微珠顆粒出現(xiàn)裂紋、發(fā)生破碎，圓整度降低，導(dǎo)致流動(dòng)度降低、流變性能變差、范寧摩阻系數(shù)增大，流動(dòng)摩阻壓耗增大，施工壓力升高，地層承受壓力當(dāng)量密度大于漏失當(dāng)量密度，從而發(fā)生漏失。

針對(duì)上述情況，開展低摩阻耐壓防漏低密度水泥漿固井技術(shù)研究。按四級(jí)顆粒級(jí)配理論進(jìn)行水泥漿體系顆粒級(jí)配設(shè)計(jì)，優(yōu)選耐壓且性能優(yōu)良的微珠類低密度減輕材料、搭配超細(xì)活性填充材料和水泥，以最緊密堆積模型進(jìn)行配比優(yōu)化，并選擇合適的外加劑形成一套1.25～1.35 g/cm3低摩阻耐壓防漏低密度水泥漿配方；優(yōu)化混拌工藝，形成低摩阻耐壓防漏低密度水泥漿固井技術(shù)。

1 低密度水泥漿四級(jí)顆粒級(jí)配設(shè)計(jì)

顆粒級(jí)配即通過研究材料的顆粒分布，選取合適的粒徑優(yōu)化材料的配比，提高體系的堆積率，使得顆粒之間達(dá)到緊密堆積[1–3]。理論上來講，堆積體系的級(jí)配數(shù)越高，則整個(gè)堆積體體積分?jǐn)?shù)（PVF）越大，堆積體系堆積更為密實(shí)，實(shí)際上顆粒級(jí)配數(shù)超過四后，堆積體體積分?jǐn)?shù)變化不大。低密度水泥漿通過向油井水泥中加入低密度的減輕材料、增大水灰比從而降低水泥漿的密度。現(xiàn)對(duì)YB-G水泥的粒徑分布進(jìn)行測試分析，見表1。

表1 YB-G水泥的粒度分布

YB-G水泥顆粒的粒徑分布具有連續(xù)性，Andreasen方程是連續(xù)堆積理論方程,研究表明該方程適用于水泥漿體系[4–6]。采用Andreasen方程計(jì)算YB-G水泥的最緊密堆積粒徑分布，n值取1/3。計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 YB-G水泥最緊密堆積粒度分布

對(duì)比表1、表2可以看出，YB-G水泥實(shí)際粒徑分布與理論最緊密堆積粒徑分布存在一定的差距。YB-G水泥在0～11.04 μm范圍內(nèi)，實(shí)際顆粒總體占比為40%，緊密堆積模型顆粒占比為41.91%，兩者差別不大，但粒徑越小占比差距越大，即YB-G水泥中微細(xì)顆粒含量較少；11.04～42.09 μm范圍內(nèi)實(shí)際顆粒占比達(dá)到50%，而緊密堆積模型顆粒占比僅為23.56%，兩者差別較大。42.09～150 μm范圍內(nèi)實(shí)際顆粒占比僅10%，而緊密堆積模型顆粒占比為34.53%，兩者差別較大，即YB-G水泥中實(shí)際較大顆粒含量較少。

由此進(jìn)行低密度水泥漿體系四級(jí)顆粒級(jí)配設(shè)計(jì)。一級(jí)大顆粒選擇空心微珠類減輕材料，粒徑范圍為60～120 μm；二級(jí)較大顆粒選擇空心微珠類減輕材料，粒徑范圍為40～80 μm；三級(jí)顆粒為YB-G水泥，粒徑范圍為0～150 μm，平均粒徑為14.98 μm，密度為3.15 g/cm3；四級(jí)顆粒選擇超細(xì)活性材料，粒徑范圍為0～10 μm，平均粒徑控制在1 μm左右。一級(jí)、二級(jí)大顆粒為主要減輕材料，調(diào)節(jié)水泥漿體系的密度，提高體系中大顆粒的占比。三級(jí)、四級(jí)顆粒為活性水化材料，四級(jí)活性材料主要為了降低體系10～40 μm顆粒的占比，提高體系0～10 μm范圍內(nèi)微細(xì)顆粒的占比。

2 顆粒級(jí)配材料優(yōu)選與配比

2.1 級(jí)配材料優(yōu)選

空心微珠類減輕材料密度低，能夠配制較低密度的水泥漿體系，但耐壓性能大多不理想，從而造成水泥漿的地面性能和井底性能的差距，影響水泥漿的現(xiàn)場應(yīng)用。通過對(duì)比分析，選取4種空心微珠類減輕材料GJG、GJQ、JQ-1、JQ-2進(jìn)行耐壓性能測試。通過測試不同壓力下減輕材料的破碎率來評(píng)價(jià)減輕材料實(shí)際承壓能力，見圖1。

圖1 減輕材料破碎率與施加壓力關(guān)系曲線

由圖1可知，GJQ耐壓性能最差，隨著壓力上升，破碎率快速上升，30 MPa破碎率達(dá)34.2%、40 MPa破碎率達(dá)55.4%；GJG耐壓性能較GJQ稍好，25 MPa以下能夠保持較好完整性，破碎率小于10%，當(dāng)施加壓力增大到30 MPa，破碎率大幅度上升到33.9%，40 MPa破碎率達(dá)42.7%；JQ-2耐壓性能較好，30 MPa以下能夠保持較好完整性，破碎率小于10%，35～45 MPa處于破碎率快速增加階段，45 MPa破碎率達(dá)32.6%；JQ-1耐壓性能最好，50 MPa以內(nèi)均能保持較好完整性，破碎率小于10%，40 MPa以內(nèi)破碎率小于5%。

空心玻璃微珠是一種密閉中空的玻璃球體，晶體穩(wěn)定，呈化學(xué)惰性，具有堅(jiān)硬的外殼。JQ-1和JQ-2是2種國產(chǎn)空心玻璃微珠。通過粒徑分選，JQ-1顆粒粒徑范圍為60～120 μm，平均粒徑為95 μm，密度為0.46 g/cm3，選其作為低密度水泥漿體系的一級(jí)骨架支撐材料，40 MPa以內(nèi)表現(xiàn)出良好的剛性，破碎率小于5%；JQ-2顆粒粒徑范圍為40～80 μm，平均粒徑為65 μm，密度為0.50 g/cm3，選其作為低密度水泥漿體系的二級(jí)可塑彈性材料，40 MPa以內(nèi)破碎率約為25%，30～40 MPa區(qū)間較多的玻璃球體處于彈性壓縮變形狀態(tài)，當(dāng)壓力進(jìn)一步增大，形變量達(dá)到極限才發(fā)生破碎。

選擇由超細(xì)高爐礦渣、堿性激活劑、納米級(jí)高活性穩(wěn)定劑復(fù)配而成的復(fù)合超細(xì)活性材料TC-4作為水泥漿四級(jí)顆粒填充材料。顆粒粒徑范圍為0～10 μm，平均粒徑為0.4 μm，密度為2.5 g/cm3。依靠其超細(xì)納米級(jí)尺寸進(jìn)行微細(xì)孔隙填充，提高體系密實(shí)度，降低體系孔隙率；同時(shí)激活劑激發(fā)超細(xì)礦渣反應(yīng)活性加快水化反應(yīng)進(jìn)程，提高體系早期強(qiáng)度。

2.2 顆粒級(jí)配材料配比

根據(jù)顆粒級(jí)配材料的粒徑分布進(jìn)行質(zhì)量配比研究，通過粒徑分布分析，篩選出粒度分布與理論最緊密堆積曲線擬合度較好的質(zhì)量配比，結(jié)合水泥漿密度要求選定最佳質(zhì)量配比，形成水泥漿體系基漿配方如表3所示。體系粒徑累計(jì)分布曲線見圖2。

表3 水泥漿基漿配方

從圖2可以看出，粒徑累計(jì)分布曲線呈現(xiàn)指數(shù)分布。通過線性回歸分析，最緊密堆積模型粒徑累計(jì)分布曲線方程為y=18.821x0.3333，R2=1；1.25 g/cm3水泥漿配比粒徑累計(jì)分布曲線方程為y=18.793x0.3615，R2=0.9909；1.30 g/cm3水泥漿配比粒徑累計(jì)分布曲線方程為y=19.085x0.3628，R2=0.9875；1.35 g/cm3水泥漿配比粒徑累計(jì)分布曲線方程為y=19.275x0.3639，R2=0.985。YB-G水泥粒徑累計(jì)分布曲線方程為y=4.1206x0.7947，R2=0.8646。3種密度水泥漿配比粒徑分布曲線與標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合度較高，決定系數(shù)R2均大于0.98，相較于單一組分YB-G粒徑分布曲線提升明顯，趨向于最緊密堆積模型。

圖2 體系粒徑累計(jì)分布曲線

3 低摩阻耐壓防漏低密度水泥漿配方形成及性能評(píng)價(jià)

3.1 水泥漿配方的形成與基本性能

選擇改性PVA類降失水劑G409F1，控制水泥漿失水量，提高水泥漿體系的穩(wěn)定性[7–8]。G409F1在水泥漿中能夠形成具有一定強(qiáng)度的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，束縛自由水的流動(dòng)，增加體系的穩(wěn)定性；同時(shí)有很好的成膜性能，在濾餅和過濾介質(zhì)交界面形成韌性均勻、致密的聚合物膜，降低濾餅滲透率，從而控制失水量。

選擇醛酮縮聚物類降摩劑G408FJ，調(diào)節(jié)水泥漿的流變性能，降低范寧摩阻系數(shù)[9–11]。G408FJ具有良好的吸附性和分散性能，其分子結(jié)構(gòu)中的極性端使其對(duì)水泥顆粒有較強(qiáng)的吸附性，能夠吸附在水泥顆粒表面的正電荷位置，使粒子表面帶同種電荷，在同性相斥的原理下抑制水泥顆粒的聚集；同時(shí)分子結(jié)構(gòu)中的非極性端通過共軛效應(yīng)和空間效應(yīng)進(jìn)一步增強(qiáng)分散效果。在水泥漿體系中均勻圍繞在空心玻璃微珠表面，流動(dòng)過程中發(fā)揮軸承滾珠作用，降低范寧摩阻系數(shù)。

選擇改性淀粉類緩凝劑G407R1，調(diào)節(jié)水泥漿的稠化時(shí)間，保障施工安全。G407R1為窄溫帶緩凝劑，60～90 ℃范圍內(nèi)水解性能好吸附性強(qiáng)，緩凝效果好；60 ℃以下緩凝效果變差。能夠賦予下部井段水泥漿充足稠化時(shí)間，同時(shí)保證上部井段水泥漿稠化時(shí)間不會(huì)過長，保障上部水泥石強(qiáng)度的發(fā)展。

通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)形成水泥漿配方如下，配方基礎(chǔ)性能見表4。

表4 水泥漿配方基礎(chǔ)性能

從表4可以看出，低摩阻耐壓防漏低密度水泥漿體系基礎(chǔ)性能優(yōu)良，滿足現(xiàn)場固井需求。密度為1.25～1.35 g/cm3，初始稠度為15～16 Bc，稠化時(shí)間在240 min左右，失水量為50～60 mL，游離液為0.2%，流動(dòng)度均大于20 cm，45 ℃下48 h抗壓強(qiáng)度均大于9 MPa，75 ℃下48 h抗壓強(qiáng)度均大于12 MPa。

3.2 水泥漿的耐壓性能評(píng)價(jià)

空心微珠類低密度水泥漿入井后受壓存在微珠破碎或流體進(jìn)入微珠內(nèi)造成水泥漿性能變化的情況，需要對(duì)低密度水泥漿的耐壓性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。范寧摩阻系數(shù)按Φ165.1 mm井眼下Φ114.3 mm套管，套管壁厚為7.37 mm，施工排量為8 L/s進(jìn)行理論計(jì)算。評(píng)價(jià)結(jié)果如表5所示。

從表5可以看出，輕珠低密度水泥漿耐壓性能差，承壓40 MPa后，密度上升0.17 g/cm3，稠度增加6 Bc，流動(dòng)度降低4 cm，流變參數(shù)變化大，范寧摩阻系數(shù)增大約一倍。低摩阻耐壓防漏低密度水泥漿體系耐壓性能優(yōu)良，承壓40 MPa后，密度僅上升0.02 g/cm3，稠度變化小，流動(dòng)度略有降低，流變參數(shù)變化小，范寧摩阻系數(shù)變化小。兩者對(duì)比可以看出，承壓40 MPa后，低摩阻耐壓防漏低密度水泥漿較輕珠低密度水泥漿范寧摩阻系數(shù)低約50%。低摩阻耐壓防漏低密度水泥漿耐壓性能優(yōu)良，能夠較好地保證入井后水泥漿性能的穩(wěn)定性。

表5 水泥漿承壓前后性能

3.3 水泥漿的防漏性能評(píng)價(jià)

室內(nèi)模擬評(píng)價(jià)，采用QD-2型堵漏材料測定儀測定水泥漿防漏性能[12–13]。使用20目鋼珠模擬地層滲透性漏失，1、2、3 mm縫板模擬裂縫性漏失，先將縫板置于漿杯底部，裝入鋼球，再將水泥漿倒入漿杯，加壓模擬水泥漿進(jìn)入地層裂縫的狀態(tài)，測試水泥漿承壓能力。水泥漿先經(jīng)過升溫升壓養(yǎng)護(hù)后再進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果見表6。

表6 水泥漿的防漏性能

由表6可以看出，低摩阻耐壓防漏水泥漿的防漏能力明顯優(yōu)于輕珠水泥漿；在漏層模型下承壓能力為2.9～5.5 MPa，可以保證水泥漿漏層處的滯留封堵，提高地層承壓能力。相對(duì)于輕珠水泥漿，低摩阻耐壓防漏水泥漿可以提高模擬漏層承壓約2 MPa。

現(xiàn)場理論計(jì)算。以Φ165.1 mm井眼下Φ114.3 mm套管，套管壁厚為7.37 mm，施工排量為8 L/s，低密度封固段長2600 m，易漏層垂深2500 m，進(jìn)行理論計(jì)算分析水泥漿體系的防漏能力。

輕珠水泥漿靜液柱壓力P1=ρgh=1.47×9.81×2500÷1000=36.05 MPa,流動(dòng)摩阻壓耗=0.2×0.0714×1.47×2600×0.7176÷(16.51?11.43) =5.53 MPa。低摩阻耐壓防漏水泥漿靜液柱壓力P1=ρgh=1.32×9.81×2500÷1000=32.37 MPa，流動(dòng)摩阻壓耗=0.2×0.0347×1.32×2600×0.7176×0.7176÷(16.51?11.43)=2.41 MPa。相較于輕珠水泥漿，使用低摩阻耐壓防漏水泥漿易漏層承受壓力降低P=36.05+5.53?32.37?2.41=6.8 MPa，防漏效果明顯。

結(jié)合室內(nèi)模擬評(píng)價(jià)和現(xiàn)場理論計(jì)算可知，低摩阻耐壓防漏水泥漿體系較輕珠低密度水泥漿體系防漏效果明顯，提高易漏層承壓能力、降低易漏層承受的壓力。

4 混配工藝優(yōu)化

根據(jù)長慶市場分布和需求，目前長慶區(qū)域固井混配工藝均為氣動(dòng)干混混拌工藝，混拌迅速、操作簡單，一次性混拌灰量大。在混拌低摩阻耐壓防漏低密度水泥時(shí)，由于空心玻璃微珠密度極低，極易從排空管線流失至除塵罐，空心玻璃微珠損耗大，嚴(yán)重影響混灰質(zhì)量[14–15]。因此需嚴(yán)格控制混配氣壓，保持較低的混配壓力，但體系中復(fù)合超細(xì)活性材料TC-4粒徑小比表面大吸附性強(qiáng)，在較低的混配壓力下黏罐現(xiàn)象明顯、損失嚴(yán)重，且不易混配均勻，造成水泥漿性能不穩(wěn)定，大小樣實(shí)驗(yàn)性能差別大，影響混配效率。

針對(duì)上述問題，對(duì)混配工藝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用機(jī)械混拌塔進(jìn)行機(jī)械混拌，混拌基數(shù)為2.5 t，混拌時(shí)間10 min；混拌16批次，總混拌時(shí)間為160 min，混拌出低摩阻耐壓防漏低密度水泥40 t。小樣與混拌大樣復(fù)核結(jié)果對(duì)比性能見表7。

表7 低摩阻耐壓防漏低密度小樣與混配大樣性能對(duì)比

從表7看出，低摩阻耐壓防漏低密度水泥漿大樣和小樣性能基本無差別，吻合率高達(dá)99%。機(jī)械混拌塔混配工藝適用于低摩阻耐壓防漏低密度水泥漿的混配，提高了混灰質(zhì)量和效率。

5 現(xiàn)場試驗(yàn)應(yīng)用

在長慶蘇里格氣田現(xiàn)場試驗(yàn)應(yīng)用低摩阻耐壓防漏低密度水泥漿固完井4口，水泥漿流動(dòng)性好、施工壓力低，水泥返出正常均未發(fā)生漏失，固井質(zhì)量均合格。

以S 36-*-*井為例進(jìn)行應(yīng)用分析。該井位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市鄂托克旗蘇米圖蘇木伊連陶勒蓋嘎查。井深結(jié)構(gòu)：Φ241.3 mm×705 m+Φ193.7 mm×705 m+Φ165.1 mm×3532 m+Φ114.3 mm×3527 m。一次上返全井段封固，采用兩凝水泥漿體系，1.30 g/cm3低摩阻耐壓防漏低密度水泥漿封固0～2950 m井段，1.90 g/cm3防竄尾漿封固2950～3532 m井段。采用機(jī)械混拌塔混拌低摩阻耐壓防漏低密度水泥漿40 t，性能見表7中大樣1和大樣2，滿足現(xiàn)場施工需求。現(xiàn)場以0.8～1 m3/min排量注入5 m3隔離前置液，再以1.0～1.5 m3/min排量注入48 m3密度為1.30 g/cm3低摩阻耐壓防漏低密度水泥漿，最后以0.8～1.2 m3/min排量注入9 m3密度為1.90 g/cm3尾漿。1 m3壓塞液壓膠塞，以0.5～0.8 m3/min排量清水替量26.5 m3起壓24 MPa，碰壓至30 MPa。施工正常，水泥返出1 m3，全程未發(fā)生漏失，固井質(zhì)量合格。

統(tǒng)計(jì)對(duì)比2種低密度水泥漿現(xiàn)場應(yīng)用情況見表8。從表8可以明顯看出，使用低摩阻耐壓防漏低密度水泥漿固井施工壓力較低，減小漏失的可能性，封固段合格率和優(yōu)質(zhì)率均有明顯提升。

表8 2種低密度水泥漿固井情況對(duì)比

6 結(jié)論

1.低摩阻耐壓防漏低密度水泥漿配方結(jié)合四級(jí)顆粒級(jí)配設(shè)計(jì)和最緊密堆積理論，搭配性能優(yōu)良的外加劑，水泥漿基礎(chǔ)性能優(yōu)良，45 ℃養(yǎng)護(hù)48 h抗壓強(qiáng)度大于9 MPa，75 ℃養(yǎng)護(hù)48 h抗壓強(qiáng)度大于12 MPa。

2.低摩阻耐壓防漏低密度水泥漿耐壓防漏性能優(yōu)良。承壓40 MPa后密度僅上升0.02 g/cm3，稠度、流動(dòng)度、流變參數(shù)、范寧摩阻系數(shù)變化小，范寧摩阻系數(shù)較輕珠水泥漿降低約50%；較輕珠水泥漿明顯提高模擬漏層承壓能力、降低易漏層承受的壓力。

3.優(yōu)化采用機(jī)械混拌塔混配工藝，低摩阻耐壓防漏低密度水泥漿大樣和小樣性能基本無差別，吻合率高達(dá)99%。開展現(xiàn)場試驗(yàn)應(yīng)用4口井，均未發(fā)生漏失，固井質(zhì)量合格；施工壓力降低明顯，封固段合格率和優(yōu)質(zhì)率均有明顯提升。