超細低密度水泥漿的研制及其應用

摘 要

摘要：LG地區(qū)“三高(高壓、高含硫、高危)”氣井封固段長，復雜井眼條件下的固井給水泥漿提出了更高的要求，常規(guī)低密度水泥漿體系不能滿足封固質量的要求。為此，提出引入
摘要：LG地區(qū)“三高(高壓、高含硫、高危)”氣井封固段長，復雜井眼條件下的固井給水泥漿提出了更高的要求，常規(guī)低密度水泥漿體系不能滿足封固質量的要求。為此，提出引入超細水泥、微硅等材料，實現多元顆粒級配，優(yōu)化各組分的粒度分布，提高密實程度使水泥漿的各項性能得到了較大的提高。水泥漿密度為1.20～1.50g/cm3，具有良好的流變性，較短的稠化過渡時間；靜膠凝強度發(fā)展形態(tài)好，具有良好的防氣竄性能；API失水量小；水泥石具有高早期強度；更低的滲透率和良好的防漏堵漏功能等特點，井底壓力條件下水泥漿密度恒定不變，其各項指標達到了常規(guī)密度水泥漿性能的水平?，F場應用20余口井次，測井曲線顯示固井質量良好。
關鍵詞：深井；超深井；氣井；超細水泥；低密度水泥漿；滲透率；四川油氣田
0 引言
    LG地區(qū)儲層深，均為深井和超深井，巖性、壓力系統(tǒng)復雜，地層壓力系數從1.0到1.75不等，長裸眼段壓力窗口窄，極易發(fā)生井漏。為實現平衡壓力固井，采用了低密度水泥漿加常規(guī)密度水泥的漿柱結構，在確保主要目的層的封固質量的同時，還要求保證對上部氣層實現有效封隔，這不僅需要“三高(高壓、高含硫、高危)”氣井低密度水泥漿克服早期強度低，沉降穩(wěn)定性差，滲透率較高等缺點，還要具有良好的防氣竄性能，良好的防漏堵漏功能等特性，才能滿足該地區(qū)固井的要求。
1 LG地區(qū)固井技術難點
    1) 井深，封固段長，封固層位多，壓力系統(tǒng)復雜，上部存在氣層，鉆井過程中從沙一段到東岳廟組均存在不同程度的氣測異常或氣侵的情況，防氣竄難度大。
    2) 地層承壓能力低，施工中高泵壓極可能造成井漏，導致水泥漿返高達不到要求。必須采用正注反擠的工藝措施來保證全井封固質量，耗時費力，增加成本。
    3) 氣井封固段長，一次固井封固段經常出現在2000m以上，注灰量大，固井施工泵壓高，給固井帶來較大的風險和困難。長封固段帶來大溫差問題突出，井眼上部水泥石強度發(fā)展緩慢，影響電測質量。
2 設計思路
    根據顆粒級配原理，實現漂珠、水泥、超細水泥、微硅等特種不同粒度分布的材料進行組合，優(yōu)化設計各組分的比例，使之盡可能地達到高的體積堆積系數(PVF)值，實現緊密堆積[1～2]。水泥顆粒的平均粒徑為20～30μm，小于1Oμm的粒子不足[3]，水泥粒子之間的填充性并不好。加入超細粒子粗細組合，可使堆積體的孔隙率達到很小的程度。在水泥中摻入超細摻和材料，如超細水泥，微硅粉等，可以大幅度地改善膠凝材料顆粒的填充性，提高水泥石的致密度、抗?jié)B透性與水泥石強度。利用超細水泥細化后水化加快[4]；強度發(fā)育更快；漿體更加穩(wěn)定；水泥石更均勻、致密；填充性能更好；活性比微硅更高，不需要激活，低溫下仍然能發(fā)揮強度等一系列物化性能改善的有利因素，取代一部分G級油井水泥，使低密度水泥漿的各項性能得到提高。
3 室內實驗
3.1 實驗材料、儀器和方法
3.1.1實驗材料
    夾江G級水泥、超細水泥(樂山托陽產)、漂珠、玻璃微珠、微硅粉、分散劑SD35、緩凝劑SD21、早強劑CXB6-1、復合纖維SD66、晶體膨脹劑SDp-1。
3.1.2實驗儀器及方法
    恒速攪拌器，增壓稠化儀，高溫高壓養(yǎng)護釜，常壓稠化儀，高溫高壓失水儀，壓力試驗機，激光粒度儀。按GB/T 19139—2003中方法測定水泥漿性能。
3.2 實驗結果與分析
3.2.1超細水泥及多元復合粉體特性研究
    按API標準方法完成超細水泥各項性能的檢驗[4]。從表1中可以看出，相同水灰比條件下，超細水泥具有非常明顯的高早強的特性，由于其顆粒小，比表面積大，水化迅速且充分[5]，使水泥的早期強度得以充分發(fā)揮，其優(yōu)良的懸浮分散能力更有利于低密度水泥漿的穩(wěn)定性。實驗證明：超細水泥用于低密度水泥漿具有增加穩(wěn)定性、提高早期抗壓強度、降低滲透率等諸多優(yōu)點。
表1 超細水泥增強性能表(30℃)
水泥
W/C
抗壓強度(MPa)
3d
7d
18d
超細水泥
0.7
14.0
18.7
19.6
G級水泥
0.7
6.9
14.6
16.2
通過多次實驗，調整幾種材料比例，使之達到較高的PVF值，最終調配各組分比例為超細水泥占基本水泥質量的7%～12%，漂珠的質量比為15%～35%的多元復合高性能低密度水泥漿體系，根據實驗，水灰比為0.56～0.6，能確保良好的漿體性能。該體系顆粒粒度分布曲線見圖1。
 
    適當增加直徑3～10μm水化顆粒的比例，能有效提高水泥石的早期強度和漿體的沉降穩(wěn)定性[5]。加入并調整直徑為1μm以下潛在活性顆粒的比例，使之較大程度地填充到上級顆粒的縫隙當中，起到密實的作用。
3.2.2水泥漿工程性能研究
    超細水泥低密度水泥漿體系(表2)主要具有以下特點：①水泥漿密度為1.20～1.50g/cm3；②水泥漿具有良好的流變性，較短的稠化過渡時間；③靜膠凝強度發(fā)展形態(tài)好，從48Pa到240Pa的過渡時間小于20min，具有良好的防氣竄性能；④API失水量小于50mL，由于SDl8為非滲透成膜型降失水劑，超細粉體材料的加入起到充填密實作用，有效地控制失水；⑤水泥石強度更高，1.20g/cm3水泥石75℃，24h強度高于14MPa；⑥該體系使用玻璃微珠能保證井底壓力條件下水泥漿密度恒定不變的特點，使施工安全更有保障。從表3看出，該體系與常規(guī)低密度水泥漿相比，具有較好的流動能力和較低的濾失量，更高的早期強度。
3.2.3水泥漿防氣竄性能評價
    從表4中可以看出，該體系稠化過渡時間短，失水量小，水泥漿氣竄潛力系數(SPN)值小，防氣竄能力強。形成的水泥石具有微膨脹、低滲透率等特點，滲透率接近常規(guī)水泥石，具有良好的層間封隔與后期防氣竄的功能，更有利于延長油氣井的開采壽命。
3.2.4水泥漿防漏堵漏性能評價
    該體系由于加入防漏復合纖維SD66，使之發(fā)揮了良好的防漏堵漏能力，10min內能堵住漏失，提高漏失地層的承壓能力達6.0MPa(表5)，更好地保障了施工過程中發(fā)生井漏時的施工安全和固井質量。
表2 低密度水泥漿體系性能表(75℃)
干混材料
外加劑
密度(g/cm3)
流動度(cm)
稠化時間(min)
API失水量(mL)
抗壓強度(MPa/24h)
流變性
ф600
ф300
ф5
ф3
三元或四元復合體系
SD18+SDp-1+SD66+CXB6-1+SD35
1.20
19
240
36
14.1
166
112
22
16
1.30
21
280
37
15.0
162
101
15
11
1.40
21
220
28
16.0
173
100
10
7
1.50
21
180
20
17.2
178
114
14
12
表3 不同低密度水泥漿體系性能比較表
干混材料
密度(g/cm3)
流動度(cm)
稠化時間(min)
API失水量(mL)
抗壓強度[MPa/(70℃·24h)]
常規(guī)
1.30
24
256
68
6.8
超細水泥+漂珠
1.30
21
180
37
13.0
超細水泥+漂珠
1.30
21
178
36
14.3
表4 低密度水泥漿體系防氣竄性能表(103℃)
密度(g/cm3)
稠化時間(min)
API失水量(mL)
SPN值
100Bc
30Bc
1.30
240
230
44
2.62
1.40
225
216
40
2.21
1.50
186
177
36
2.20
表5 低密度水泥漿堵漏性能表
配方
10min承壓(MPa)
漏失量(mL)
備注
2%SD66+1.2%SD18
6
825
2mm孔板
6
840
2mm縫板
5
920
2mm孔板
5
920
2mm縫板
4 現場應用
4.1 現場應用概況
    超細水泥低密度水泥漿體系以G級高抗硫油井水泥、超細水泥、漂珠(玻璃微珠)、微硅等多元粉體復合，以0.56～0.6水灰比配制成密度為1.20～1.50g/cm3水泥漿體系，早期強度高，體系穩(wěn)定性好，完全能夠滿足工程要求，在四川油氣田的LG地區(qū)、廣安區(qū)塊上應用20余口井次，取得了良好效果。
4.2 主要技術措施
    1) 各種材料按一定比例加入后，嚴格倒灰4遍，保證混合均勻，并做好現場水泥試驗。
    2) 套管下到位以后，大排量洗井，徹底清除井底沉砂和巖屑，沖刷井壁，使濾餅充分“泄壓”[5]。
    3) 調整鉆井液性能，降低黏度和切力，注入大量的抗鈣隔離液和沖洗液，確保能夠隔開鉆井液與水泥漿，提高對虛濾餅的沖刷效果。
    4) 在不壓漏地層的前提下，盡量大排量頂替，增大水泥漿的壁面剪切應力，提高頂替效率和實現對致密濾餅的快速加載促使其塑性破壞[5]，提高膠結質量。
4.3 典型井例
    LG地區(qū)X井Ø244.5mm套管下深為3500m，裸眼段長為2800m，含有9組油氣顯示，其中遂寧組-自流井組有淺氣層；鉆進時多次遇卡，劃眼有垮塌現象，“大肚子”井段較多，井斜大，有漏失。采用常規(guī)單級雙凝水泥漿固井；用密度為1.90g/cm3常規(guī)快干防漏水泥封固3502～2 800m井段，密度為1.36g/cm3的復合低密度水泥漿封固0～2 800m。電測優(yōu)質率為97.91%，合格率為99.5%。
    LG地區(qū)Y井Ø177.8mm懸掛固井，井底溫度為124℃/5760m；固井封固和封隔須家河組-飛三段頂部，封固產層與上部不同的壓力系統(tǒng)，用密度為1.45g/cm3的復合低密度防漏水泥漿封固3040～4700m井段。電測結果優(yōu)質率為95.96%，合格率為1000。
5 結論
    1) 超細水泥具有改善基本水泥顆粒級配，起到提高粉體堆積密實程度的作用。
    2) 超細水泥低密度水泥漿體系克服了常規(guī)低密度水泥漿體系早期強度低、穩(wěn)定性差、易分層等缺點，具有較高的早期強度和穩(wěn)定性，水泥石微膨脹、滲透率低等優(yōu)點；水泥漿體系稠化時間從低溫到高溫均能可調，流變性可根據設計要求調整。
    3) 水泥漿體系失水量小，靜膠凝過渡時間小于20min，稠化時間從30～100Bc的時間小于20min，具有良好的防氣竄性能和具有較強的防漏堵漏的能力。現場成功應用20余口井次，測井曲線顯示固井質量良好。
參考文獻
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[5] 劉愛平.固井技術理論與應用探討[R].[出版地不詳]：中國石油集團公司固井技術培訓，2008.
 
(本文作者：張成金1，2 嚴海兵2 冷永紅2 1.西南石油大學；2.川慶鉆探工程公司井下作業(yè)公司)