納米基低密高強水泥漿在趙東油田的應用

肖 堯,閆振峰,李劍華

(中國石油渤海鉆探工程有限公司第二固井分公司,天津大港 300280)

趙東區塊地處河北省黃驊市趙家堡村以東5 m水深線以內的灘海一極淺海地區,區域構造位于歧口凹陷和埕寧隆起的交界處。開發區塊屬于埕北斷階區羊二莊趙家堡斷裂帶,斷層發育,長期發育的趙北斷層、羊二莊斷層既是分界斷層,同時又和不整合面形成了油氣運移的通道,在斷層兩側和不整合區形成油氣藏,該構造具備形成多層系復合油氣藏的優越條件。油層縱向上分布在第三系明化鎮組、館陶組、沙河街組,侏羅系和二疊系,含油井段長,油層埋深主要在為990～1 985 m,趙東油田的主力油層為明化鎮組和館陶組,埋深990～1 955 m。

平臺自2003年投產以來,實現了10年百萬噸穩產的歷程,經歷了“遞減快、資源枯竭”等重重考驗。該地區目前采用大斜度、大位移井開發,且海上平臺存在井口槽少、井眼密度大、地質目標匹配難以及特高含水期高效井位優選難等困難,固井施工難度大,主要存在以下技術難點[1-3]:①該地區采用大斜度、大位移井開發時,易導致套管偏心和下入困難,且易垮塌,引起縮徑或埋套管等事故;②長期注水開發,改變了地層的原有特性,形成多套壓力層系,鉆進過程中常出現井涌、井漏等復雜情況,因此防竄和防漏問題同時存在[4-5];③地質結構復雜、斷層發育導致鉆進過程中容易發生井漏、井塌等事故,建設方要求使用1.50 g/cm3低密度水泥漿體系,溫度為50 ℃條件下24 h水泥漿抗壓強度不小于15 MPa;④大斜度、大位移井型要求低密度水泥漿失水量低、沉降穩定性好和游離液為零[6]。

1 納米基低密高強水泥漿體系研究

1.1 納米減輕增強材料制備

針對趙東海上平臺存在的尾管固井大斜度、大位移、易漏失等固井難題,解決低密度水泥漿24 h強度發展慢等問題,室內優選了四種主料[6-8]:①粒徑為50.00～70.00 μm、密度為0.3～0.6 g/cm3的減輕材料;②粒徑為0.02～0.07 μm、密度為1.1 g/cm3的納米材料;③粒徑為5.00～20.00 μm、密度為2.8 g/cm3礦物增強材料;④粒徑為0.50～5.00 μm、密度為2.2 g/cm3的微硅(圖1)。通過顆粒級配原理,復配出一種新型減輕增強劑BH-LW603S,密度0.7～0.9 g/cm3。

圖1 材料粒徑分布

1.2 減輕增強劑BH-LW603S對水泥漿性能影響

為了探究減輕增強劑BH-LW603S對水泥漿性能的影響,在相同條件下,對不同納米減輕材料加量的低密度水泥漿體系的穩定性、游離液、抗壓強度、靜膠凝強度、耐壓性能及稠化性能進行了室內測試。測試水泥漿配方為:G級水泥+BH-LW603S+降失水劑+消泡劑+水+緩凝劑,密度為1.50 g/cm3。

1.2.1 穩定性和游離液性能

水泥漿體系穩定性差,易堵塞環空通道,游離液在上部貼近井壁處形成一條水帶,造成油氣竄流,影響固井施工安全及質量,因此,必須保證穩定性好和無游離液存在。對相同溫度、不同質量分數減輕材料下的水泥漿的沉降穩定性、游離液和稠化性能進行了評價,評價結果見表1。

表1 納米減輕材料對水泥漿體系游離液、沉降穩定性及稠化性能影響結果

評價方法:將制備好的水泥漿使用常壓稠化儀,在室溫條件下攪拌升溫至養護溫度60 ℃,繼續攪拌20 min,然后將養護好的漿體分別倒入250 mL和500 mL的量筒中,在60 ℃的常壓養護箱內靜置2 h;取出250 mL量筒上部析出的水分并進行測量,再測量500 mL量筒上部和下部的密度。游離液=析出量/250×100%,沉降穩定性為下步密度和上部密度的差值。

由表1可知,未加入納米減輕材料的水泥漿量筒內有游離液,漿體出現沉降,加入納米減輕材料后,漿體逐漸穩定,隨著質量分數增大,水泥漿體系的游離液、沉降穩定性也越來越好,說明該納米材料的粒徑特性和表面特性懸浮效果良好,保障了漿體的持續穩定性。同時,隨著材料質量分數的增加,水泥漿體系的初始稠度變大,稠化時間縮短,表明該材料對水泥漿體系具有一定的促凝作用。

1.2.2 抗壓及耐壓性能

水泥石的抗壓強度是評價膠結質量好壞的重要指標,關系著固井質量與油氣井開采,目前低密度水泥漿體系的水泥石24 h抗壓強度普遍低于14 MPa,隨著空心玻璃微珠的研發[9],低密度水泥石強度得到較大提高,但玻璃微珠低密度體系耐壓性能較差,破珠后易導致水泥漿體系性能不穩定。

納米基材料的高反應活性使水泥石抗壓強度大幅提升,且由顆粒級配構建的材料耐壓性能也是其水泥漿性能的一大特點,通過引入不同質量分數的納米基減輕材料探究其對強度的影響。固井業內通用測試耐壓性能的方法即在60.0 MPa壓力條件下,養護30 min后測得的水泥漿密度與加壓前測得的水泥漿密度的差值不大于0.03 g/cm3時,判定其具有較好的耐壓性能。

耐壓性能測試方法:測量制備好的水泥漿的密度,將其倒入高溫高壓稠化儀中,依照設計方案,將壓力升至60.0 MPa后攪拌30 min,然后停機,取出水泥漿并測量養護后的水泥漿的密度。耐壓性能等于養護后水泥漿的密度與養護前水泥漿的密度差值。對不同溫度、不同質量分數減輕材料下的水泥漿的水泥石強度和耐壓性能進行評價,由表2可以看出,在相同溫度條件下,納米減輕材料的質量分數小于30%時,水泥石強度有逐漸變大的趨勢,加量在25%～30%時,強度值最大;隨著納米減輕材料質量分數的增加,水泥漿體系的耐壓性能逐漸變差,但在60 MPa壓力作用下,最大密度差為0.03 g/cm3,耐壓性能較好。

表2 納米減輕材料對水泥石抗壓強度和水泥漿耐壓性能影響結果

1.2.3 防竄性能

水泥漿的防竄性能主要取決于水泥漿由液體狀態轉化為固體狀態時過渡時間的長短以及水泥漿空隙壓力下降速率的大小。其中,水泥漿由液到固的過渡過程通過水泥漿靜膠凝強度發展速率來測定。水泥漿空隙壓力下降的主要原因是水泥漿體系向地層失水,其大小采用水泥漿失水速率作為主要指標進行判定。通過考察水泥漿的失水速率和靜膠凝過渡時間,評價水泥漿的防竄性能與減輕材料質量分數的關系,失水速率值小于3時,表示水泥漿體系防竄性能好。由表3可知,加入納米減輕材料后的水泥漿的靜膠凝強度過渡時間小于40 min,質量分數達到20%以上時,失水速率值小于3,因此納米減輕材料可大幅提升水泥漿體系的防竄性能。

表3 納米減輕材料對水泥漿性能影響結果

2 水泥漿性能綜合評價

通過對1.50 g/cm3低密高強水泥漿體系進行調配,以及該新型減輕材料對水泥漿性能的影響,通過對其質量分數的研究,構建了1.30～1.60 g/cm3的系列低密高強水泥漿體系,分別是:

1.30 g/cm3配方為:G級水泥+60%BH-LW603S+5%降失水劑+0.2%消泡劑+水+緩凝劑;

1.40 g/cm3配方為:G級水泥+40%BH-LW603S+5% 降失水劑+0.2%消泡劑+水+緩凝劑;

1.50 g/cm3配方為:G級水泥+25%BH-LW603S+5%降失水劑+0.2%消泡劑+水+緩凝劑;

1.60 g/cm3配方為:G級水泥+10%BH-LW603S+5%降失水劑++0.2%消泡劑+水+緩凝劑。

室內進行了不同密度下的低密高強水泥漿體系的綜合性能評價,由表4可知,1.30～1.60 g/cm3的低密高強水泥漿體系,在溫度為30～120 ℃范圍內,水泥漿的耐壓性能好,沉降穩定性良好,均控制在0.03 g/cm3以內,24 h抗壓強度遠高于標準(7 MPa/24 h),尤其1.50 g/cm3水泥漿體系24 h抗壓強度值達18.1 MPa,滿足趙東平臺固井要求。

表4 納米基低密高強水泥漿體系綜合性能

3 現場應用

納米基低密高強水泥漿體系在趙東油田CP2N-C4平臺進行了現場應用,實驗井為老井眼開窗側鉆井,井斜角高達86.5°,且多處狗腿度大,套管不易居中,封固段長達1 170.54 m,井底循環溫度為50 ℃,存在漏失風險。設計水泥漿時,采用了低密度單凝高強防漏水泥漿技術,可以有效封固,防止油氣、水竄,確保地層壓力平衡,提高了長水平段的固井質量。低密高強水泥漿要求:密度1.50 g/cm3,24 h抗壓強度值高于15.00 MPa,稠化時間180～200 min,靜態濾失量小于50 mL。

現場作業時采用納米基低密高強水泥漿單凝漿柱固井技術,密度為1.50 g/cm3,水泥漿失水量為40 mL,稠化時間為194 min(圖2),失水速率2.39,游離液量為0,24 h抗壓強度高達18.17 MPa,靜膠凝強度過渡時間22 min。

圖2 水泥漿稠化曲線

為有效提高套管居中度,井深為1 400～1 900 m處,對每根套管下入一只半剛性扶正器;井深為780～1 400 m處,對每三根套管下入一只半剛性扶正器;懸掛器至井深780 m處,對每根套管下入一只半剛性扶正器;套管到底后,先用小排量頂通正常后,再用大排量1.3 m3/min循環洗井兩周,有效沖洗井眼,座掛懸掛器后循環一個內容積,確保管內暢通。施工過程中,鉆井泵注入隔離液8 m3,排量0.6～1.0 m3/min,壓力5.5 MPa;再使用固井泵注入沖洗液6 m3,排量0.6～0.9 m3/min,壓力2.5～6.5 MPa;之后,使用固井泵注入水泥漿38 m3,排量0.5～1.0 m3/min,壓力1.0～7.0 MPa,水泥漿密度平穩,施工曲線見圖3,固井質量為優質。

圖3 固井施工曲線

該體系在趙東CP2N-C4平臺首口復雜井成功應用,并獲得外方監督認可。截至目前,采用納米基低密高強水泥漿體系完成固井施工共14井次,其中優質11井次,取得了良好的經濟效益。

4 結論

1)研制出納米減輕材料BH-LW603S,水泥石抗壓強度發展快,24 h抗壓強度值可達18 MPa,耐壓性能好,能夠在高壓下保持水泥漿性能穩定,可通過調整其質量分數及水灰比來控制水泥漿的密度,復配出密度在1.30～1.60 g/cm3的納米基低密高強水泥漿體系。

2)室內試驗和現場應用結果表明,納米基低密高強水泥漿體系漿體性能穩定,抗壓強度高、沉降穩定性均小于0.03 g/cm3,靜膠凝強度過渡時間短,失水速率值小于3,能夠滿足固井對低密度水泥漿體系24 h抗壓強度高、發展快的要求。

3)納米基低密高強水泥漿體系在趙東油田CP2N-C4平臺成功應用,為國內其他油氣田類似區塊或類似井應用低密高強水泥漿體系提供了技術支持。