亞魯杰伊油田低溫防竄水泥漿體系研究與應(yīng)用

王建偉，袁繼勝，李曉維，楊先濤，李鵬飛

（中曼石油天然氣集團股份有限公司，上海 201306）

亞魯杰伊油田位于北極圈內(nèi)的俄羅斯亞馬爾涅涅茨基自治區(qū)普爾-納德姆地區(qū)，由河流相沉積而成，儲層以砂巖和粉砂巖為主，埋深1 500～1 800 m，含氣層多，自井底至上部400 m 內(nèi)有5 個含氣層系和20 個氣層組，單層厚度0.4～21.0 m，為底水塊狀砂巖高產(chǎn)氣藏，孔隙壓力高、油氣水同層等特點[1]。受地理條件所限，該油氣田開發(fā)以平臺式叢式水平井為主，采用生產(chǎn)套管下部掛篩管完井工藝，對固井質(zhì)量要求非常高。井底靜止溫度低（25～30 ℃），常規(guī)水泥漿強度發(fā)展緩慢，水平段長，滲透率高，虛泥餅厚，頂替效率差，界面膠結(jié)強度低，導(dǎo)致綜合防竄能力差，固井施工及后續(xù)作業(yè)中易發(fā)生氣竄和環(huán)空帶壓等問題，補救困難，影響了油氣資源的開發(fā)和利用。為提高固井質(zhì)量，根治環(huán)空帶壓問題，高效利用北極地區(qū)亞魯杰伊油田的油氣資源，亟需針對該油田的地質(zhì)特征及技術(shù)要求，優(yōu)化開發(fā)一套適用的低溫防氣竄水泥漿體系以滿足現(xiàn)場施工需求。

1 亞魯杰伊油田固井技術(shù)難點

（1）緯度高，儲層淺，井底溫度低，水泥水化速度緩慢。亞魯杰伊油田位于北極圈內(nèi)的納德姆地區(qū)，緯度高，年平均地表氣溫不足10 ℃，地表下有近400 m 的永久凍土層，滲透率高，易漏失，溫度在-6～4 ℃。主力產(chǎn)層垂深1 500～1 800 m，井底靜止溫度25～30 ℃，常規(guī)水泥漿在低溫下水化速度慢，凝固時間長，強度發(fā)展極為緩慢。

（2）產(chǎn)層段長，地層壓力高，氣層活躍，后效嚴重。縱向上含氣層多，厚度變化大，當鉆遇氣層后，在壓力釋放過程中，氣體從壓縮狀態(tài)不斷膨脹，并不斷進入井眼中，在起下鉆時，后效嚴重，高達24 m/h；固井后，氣體在水泥漿中上浮力增大，井下氣體容易在環(huán)空竄流、積聚，易造成環(huán)空壓力上升[2]。

（3）地層井斜大，水平段長，驅(qū)替難度大。油田開發(fā)以叢式水平井為主，主力儲層為砂巖和粉砂巖，孔隙度高，滲透率大，易形成虛厚泥餅，水平井中套管居中度差，為防止漏失，替漿排量小，環(huán)空返速低，頂替界面容易失穩(wěn)，水泥漿對泥漿完全驅(qū)替難度大。

（4）界面膠結(jié)差，水泥漿綜合防竄性能差。井壁虛厚泥餅多，難以有效驅(qū)替，導(dǎo)致界面膠結(jié)強度低，水泥凝固后，體積易收縮，可能造成環(huán)空間隙，形成氣竄通道，影響界面膠結(jié)質(zhì)量。

2 低溫防竄水泥漿

2.1 設(shè)計原則

低溫防竄水泥漿體系以穩(wěn)定性好、低失水、高觸變?yōu)楹诵模s短水泥漿在低溫環(huán)境下的過渡時間使其可快速凝固形成較高強度為關(guān)鍵；基于緊密堆積理論，利用水泥、漂珠和微硅顆粒級配設(shè)計低密度領(lǐng)漿；應(yīng)用改性的高分子聚合物類降失水劑，其分子結(jié)構(gòu)中含有多個羥基、羧基等極性官能團，可吸附于水泥顆粒表面，形成交互的立體空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高了漿體的阻氣能力；采用納米增強劑填充于水泥顆粒間隙，提高水泥漿的懸浮性和穩(wěn)定性，優(yōu)化改善膠凝材料的性能，加快水泥水化進程，提高水泥石致密性和降低滲透率，同時利用其超細粒徑可自由嵌入界面地層的特性，改善界面膠結(jié)質(zhì)量；提高漿體的觸變性，使之在停泵后30 min即可形成較強的膠凝結(jié)構(gòu)，具有較強的內(nèi)部凝聚力，使氣侵阻力增大，同時使用發(fā)氣型防氣竄劑，提高液注壓力，阻止氣竄的發(fā)生，從而提高水泥漿的綜合防竄性能。

2.2 材料優(yōu)選

2.2.1 低溫促凝早強劑ALE 低溫促凝早強劑ALE是由筆者通過將硫酸鈉、氯化鈣、偏硅酸鈉、三乙醇胺四元復(fù)配開發(fā)出的一種適用于極地地區(qū)的低溫促凝早強劑，具有優(yōu)良的促凝早強效果。其主要作用機理是通過提高水泥漿中的離子強度以及醇胺類物質(zhì)與水泥漿中離子生成易溶于水的絡(luò)合物，提高了水泥顆粒表面的可溶性，增加了水泥組分的溶解及擴散速度，促進了C-S-H 凝膠、鈣礬石、Ca（OH）2等晶種生成速度，改變了水泥漿液相中的離子分布，降低了晶體形成的成核位壘，使Ca2+的溶解遷移速度變快，從而縮短了水泥主要組分硅酸三鈣水化反應(yīng)誘導(dǎo)期，加速了水泥漿的凝結(jié)硬化進程，從而提高水泥石的早期強度[3-5]。分別考察了低溫促凝早強劑ALE 的不同加量對1.40 g/cm3低密度領(lǐng)漿和1.85 g/cm3尾漿的抗壓強度及初終凝性能的影響，結(jié)果見表1 和表2。當加入低溫促凝早強劑ALE后，領(lǐng)、尾漿在低溫環(huán)境下的凝固時間都會明顯縮短，抗壓強度也隨之增加，加量為3.0%時，低密度領(lǐng)漿的抗壓強度可達9.5 MPa，尾漿16.5 MPa，已滿足現(xiàn)場的施工需要，如繼續(xù)提高ALE 的加量，可能導(dǎo)致施工時間太短影響施工安全，選擇ALE 的加量為3.0%。實驗配方如下：領(lǐng)漿：Dyckerhoff I-50 水泥+28%漂珠+12%微硅+5%納米增強劑RC090-01+0.75%降失水劑RC012-04+0.40%分散劑Plast-A+水；尾漿：Dyckerhoff G 水泥+0.75%降失水劑RC012-04+5%納米增強劑RC090-01+0.25%分散劑Plast-A+水。

表1 促凝早強劑ALE 加量對低密度領(lǐng)漿凝固時間和抗壓強度的影響

表2 促凝早強劑ALE 加量對尾漿凝固時間和抗壓強度的影響

2.2.2 納米增強劑RC090-01 為了提高水泥漿的綜合防竄性能，選用高活性納米增強劑RC090-01，其比表面積大，可達25 m2/g，能有效束縛吸附水泥漿體中的游離水，優(yōu)化水泥漿的膠凝特性，加速水泥的水化進程，同時在水泥漿加入該材料可增黏提切，改善漿體的觸變性及穩(wěn)定性，提高水泥石的致密性，降低水泥滲透率，顯著增強了水泥漿漿體的阻氣效應(yīng)。RC090-01 超細粒徑可自由嵌入泥餅及地層空隙中，從而改善界面膠結(jié)，有助于消除環(huán)空間隙，提高界面膠結(jié)強度。考察了RC090-01 不同加量對領(lǐng)、尾漿的抗壓強度和界面膠結(jié)強度的影響，其結(jié)果見表3 和表4，納米增強劑RC090-01 可改善水泥石的抗壓強度和界面膠結(jié)強度，并有一定的促凝效果，若納米增強劑RC090-01 加量過高，會提高水泥漿需水量，影響水泥漿的流動性，不利于現(xiàn)場施工，綜合考慮，確定RC090-01 的加量為5%；實驗配方如下：領(lǐng)漿：Dyckerhoff I-50 水泥+28%漂珠+12%微硅+0.75%降失水劑RC012-04+0.40%分散劑Plast-A+3.0%低溫促凝早強劑ALE+水；尾漿：Dyckerhoff G 水泥+0.75%降失水劑RC012-04+3.0%低溫促凝早強劑ALE+0.25%分散劑Plast-A+水。

表3 納米增強劑RC090-01 加量對領(lǐng)漿抗壓強度及界面膠結(jié)強度的影響

表4 納米增強劑RC090-01 加量對尾漿抗壓強度及界面膠結(jié)強度的影響

2.2.3 降失水劑RC012-04 采用聚合物類高分子降失水劑RC012-04，通過其分子鏈中的羥基、羧基等極性基團吸附水泥顆粒表面形成空間交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高漿體黏度的同時，水泥漿體中自由水被完全“束縛”，從而有效控制水泥漿失水。降失水劑RC012-04 具有很強的潤濕作用，會增加水泥顆粒的水化面積，加快水泥初期水化速度，促進早期強度的發(fā)展，其含有羥基和羧酸的基團可進行橋接，形成低滲透的屏蔽層，控制水泥顆粒的水化速度，使之在水泥顆粒表面去水化后迅速凝結(jié)，實現(xiàn)“直角”稠化效應(yīng)[6]。考察了降失水劑RC012-04 不同加量對尾漿稠化時間、失水及流動度的影響，結(jié)果見表5，隨著RC012-04 加量的增多，失水量明顯降低，漿體流動性降低，稠化時間略有延長，當加量超過0.75%后，API 失水不再有明顯降低，漿體增稠比較明顯，故將RC012-04 加量定為0.75%。配方如下：Dyckerhoff G 水泥+3.0%低溫促凝早強劑ALE+5%納米增強劑RC090-01+0.40%分散劑Plast-A+水。

表5 降失水劑RC012-04 加量對尾漿稠化時間、失水及流動度的影響

2.2.4 分散劑和防氣竄劑 選用Plast-A 作為分散劑，低溫下有很好的分散作用，無緩凝效果，不會影響水泥石抗壓強度的發(fā)展。采用RC21-09 作為防氣竄劑，摻有RC21-09 水泥漿注入井內(nèi)，會與漿體中的氫氧根離子反應(yīng)逐漸產(chǎn)生少量的氫氣，均勻分散于水泥漿中[7]，使水泥漿體積膨脹，消除了水泥漿由液相轉(zhuǎn)化為固相時的體積收縮，同時在水泥漿水化和凝結(jié)過程中可提供足夠壓力，使內(nèi)部靜液柱壓力始終大于地層壓力，可防止氣竄的發(fā)生。

3 低溫防竄水泥漿體系綜合性能

3.1 水泥漿綜合性能

通過上述實驗，形成了低溫防竄水泥漿體系，其配方如下：

領(lǐng)漿：Dyckerhoff I-50 水泥+28%漂珠+12%微硅+5%納米增強劑RC090-01+3.0%低溫促凝早強劑ALE+0.75%降失水劑RC012-04+0.40%分散劑Plast-A+水；

尾漿：Dyckerhoff G 水泥+0.75%降失水劑RC012-04+3.0%低溫早強劑ALE+0.40%分散劑Plast-A+0.25%防氣竄劑RC21-09+5%納米增強劑RC090-01+水，并對該體系進行了綜合性能評價，評價結(jié)果見表6，由表6 可知，該水泥漿體系具有零游離液；API 失水量很低，控制在15 mL 以內(nèi)；過渡時間小于20 min，漿體流變讀數(shù)低，流變性能好，低溫下養(yǎng)護形成的水泥石抗壓強度高，滿足現(xiàn)場施工需求。

表6 水泥漿綜合性能評價

3.2 穩(wěn)定性和觸變性評價

具有良好穩(wěn)定性和觸變性是水泥漿防竄及預(yù)防環(huán)空帶壓重要手段和措施，水泥漿的穩(wěn)定性應(yīng)從失水、析水及沉降穩(wěn)定性3 個方面考慮[8]，在3.1 對水泥漿綜合性能評價中已對失水和游離液進行闡述，筆者采用測量水泥石上中下密度差法評價水泥漿體系的穩(wěn)定性；目前對水泥漿觸變性的評價還沒有統(tǒng)一的標準，一般采用測定滯后環(huán)法、靜切力法和滯后環(huán)總能量法進行評價[9-10]，筆者采用靜切力法對設(shè)計的低溫防竄水泥漿的觸變性進行了測量。從表7 可知，水泥漿的沉降穩(wěn)定性良好，水泥凝固后，上中下水泥石密度均勻，全部為1.40 g/cm3；從靜切力測定結(jié)果可以看出，領(lǐng)、尾漿靜切力初切較高，靜置10 min 后的終切升高特別明顯，說明領(lǐng)、尾漿有很強的觸變性，其性能符合設(shè)計要求。

表7 水泥漿穩(wěn)定性及觸變性評價

3.3 水泥漿防竄性能

評價水泥漿防竄性能的一個重要指標是水泥漿性能系數(shù)SPN 值[11]。

式中：t100Bc-水泥漿稠度達到100 Bc 的時間，min；t30Bc-水泥漿稠度達到30 Bc 的時間，min；FLAPI-API 失水量，mL。

SPN 值越小，水泥漿防竄性能越好。由實驗結(jié)果可以計算得出：領(lǐng)漿和尾漿配方的SPN 值分別為1.13和0.77，均遠小于3，說明該水泥漿體系防竄性能優(yōu)越，采用該配方進行固井施工時有利于提高防竄性能。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

自2020 年以來，該低溫防竄水泥漿開始在亞魯杰伊油田進行應(yīng)用，在使用該水泥漿體系的同時，不斷優(yōu)化并調(diào)整現(xiàn)場施工方案：下套管前使用原鉆具加雙扶通井，并認真洗井，保證井眼干凈，井下通暢無阻。合理選擇扶正器類型，并安放充足數(shù)量的扶正器，提高套管居中度，以提高頂替效率，形成均勻的水泥環(huán)。配合使用高效沖洗液和隔離液，提高對虛泥餅的沖洗效果，提高頂替效率和膠結(jié)質(zhì)量[12]。結(jié)合現(xiàn)場實際井況，為預(yù)防漏失而不過分追求環(huán)空返速，采用有效層流進行替漿，確保替漿界面的穩(wěn)定性和連續(xù)性。

在已完成的6 個鉆井平臺的22 口井中，固井質(zhì)量優(yōu)質(zhì)率為88.5%，固井質(zhì)量合格率為100%，僅1 口井出現(xiàn)了環(huán)空帶壓，環(huán)空帶壓率遠小于甲方要求的10%，現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，該低溫防竄水泥漿體系非常適合亞魯杰伊油田的固井技術(shù)。

5 結(jié)論

（1）優(yōu)選出了低溫促凝早強劑ALE、降失水劑RC 012-04、納米增強劑RC090-01，確定了適用于亞魯杰伊油田的低溫防竄水泥漿體系的配方。

（2）低溫防竄水泥漿體系具有穩(wěn)定性高，流變性好，觸變性強，低溫下過渡時間快，凝固時間短，早期強度高，界面膠結(jié)強等特點，滿足該地區(qū)特殊固井要求。

（3）現(xiàn)場應(yīng)用表明，低溫防竄水泥漿體系能有效提高固井質(zhì)量，降低環(huán)空帶壓率。