超细低密度水泥浆的研制及其应用

摘 要

摘要：LG地区“三高(高压、高含硫、高危)”气井封固段长，复杂井眼条件下的固井给水泥浆提出了更高的要求，常规低密度水泥浆体系不能满足封固质量的要求。为此，提出引入
摘要：LG地区“三高(高压、高含硫、高危)”气井封固段长，复杂井眼条件下的固井给水泥浆提出了更高的要求，常规低密度水泥浆体系不能满足封固质量的要求。为此，提出引入超细水泥、微硅等材料，实现多元颗粒级配，优化各组分的粒度分布，提高密实程度使水泥浆的各项性能得到了较大的提高。水泥浆密度为1.20～1.50g/cm3，具有良好的流变性，较短的稠化过渡时间；静胶凝强度发展形态好，具有良好的防气窜性能；API失水量小；水泥石具有高早期强度；更低的渗透率和良好的防漏堵漏功能等特点，井底压力条件下水泥浆密度恒定不变，其各项指标达到了常规密度水泥浆性能的水平。现场应用20余口井次，测井曲线显示固井质量良好。
关键词：深井；超深井；气井；超细水泥；低密度水泥浆；渗透率；四川油气田
0 引言
    LG地区储层深，均为深井和超深井，岩性、压力系统复杂，地层压力系数从1.0到1.75不等，长裸眼段压力窗口窄，极易发生井漏。为实现平衡压力固井，采用了低密度水泥浆加常规密度水泥的浆柱结构，在确保主要目的层的封固质量的同时，还要求保证对上部气层实现有效封隔，这不仅需要“三高(高压、高含硫、高危)”气井低密度水泥浆克服早期强度低，沉降稳定性差，渗透率较高等缺点，还要具有良好的防气窜性能，良好的防漏堵漏功能等特性，才能满足该地区固井的要求。
1 LG地区固井技术难点
    1) 井深，封固段长，封固层位多，压力系统复杂，上部存在气层，钻井过程中从沙一段到东岳庙组均存在不同程度的气测异常或气侵的情况，防气窜难度大。
    2) 地层承压能力低，施工中高泵压极可能造成井漏，导致水泥浆返高达不到要求。必须采用正注反挤的工艺措施来保证全井封固质量，耗时费力，增加成本。
    3) 气井封固段长，一次固井封固段经常出现在2000m以上，注灰量大，固井施工泵压高，给固井带来较大的风险和困难。长封固段带来大温差问题突出，井眼上部水泥石强度发展缓慢，影响电测质量。
2 设计思路
    根据颗粒级配原理，实现漂珠、水泥、超细水泥、微硅等特种不同粒度分布的材料进行组合，优化设计各组分的比例，使之尽可能地达到高的体积堆积系数(PVF)值，实现紧密堆积[1～2]。水泥颗粒的平均粒径为20～30μm，小于1Oμm的粒子不足[3]，水泥粒子之间的填充性并不好。加入超细粒子粗细组合，可使堆积体的孔隙率达到很小的程度。在水泥中掺入超细掺和材料，如超细水泥，微硅粉等，可以大幅度地改善胶凝材料颗粒的填充性，提高水泥石的致密度、抗渗透性与水泥石强度。利用超细水泥细化后水化加快[4]；强度发育更快；浆体更加稳定；水泥石更均匀、致密；填充性能更好；活性比微硅更高，不需要激活，低温下仍然能发挥强度等一系列物化性能改善的有利因素，取代一部分G级油井水泥，使低密度水泥浆的各项性能得到提高。
3 室内实验
3.1 实验材料、仪器和方法
3.1.1实验材料
    夹江G级水泥、超细水泥(乐山托阳产)、漂珠、玻璃微珠、微硅粉、分散剂SD35、缓凝剂SD21、早强剂CXB6-1、复合纤维SD66、晶体膨胀剂SDp-1。
3.1.2实验仪器及方法
    恒速搅拌器，增压稠化仪，高温高压养护釜，常压稠化仪，高温高压失水仪，压力试验机，激光粒度仪。按GB/T 19139—2003中方法测定水泥浆性能。
3.2 实验结果与分析
3.2.1超细水泥及多元复合粉体特性研究
    按API标准方法完成超细水泥各项性能的检验[4]。从表1中可以看出，相同水灰比条件下，超细水泥具有非常明显的高早强的特性，由于其颗粒小，比表面积大，水化迅速且充分[5]，使水泥的早期强度得以充分发挥，其优良的悬浮分散能力更有利于低密度水泥浆的稳定性。实验证明：超细水泥用于低密度水泥浆具有增加稳定性、提高早期抗压强度、降低渗透率等诸多优点。
表1 超细水泥增强性能表(30℃)
水泥
W/C
抗压强度(MPa)
3d
7d
18d
超细水泥
0.7
14.0
18.7
19.6
G级水泥
0.7
6.9
14.6
16.2
通过多次实验，调整几种材料比例，使之达到较高的PVF值，最终调配各组分比例为超细水泥占基本水泥质量的7%～12%，漂珠的质量比为15%～35%的多元复合高性能低密度水泥浆体系，根据实验，水灰比为0.56～0.6，能确保良好的浆体性能。该体系颗粒粒度分布曲线见图1。
 
    适当增加直径3～10μm水化颗粒的比例，能有效提高水泥石的早期强度和浆体的沉降稳定性[5]。加入并调整直径为1μm以下潜在活性颗粒的比例，使之较大程度地填充到上级颗粒的缝隙当中，起到密实的作用。
3.2.2水泥浆工程性能研究
    超细水泥低密度水泥浆体系(表2)主要具有以下特点：①水泥浆密度为1.20～1.50g/cm3；②水泥浆具有良好的流变性，较短的稠化过渡时间；③静胶凝强度发展形态好，从48Pa到240Pa的过渡时间小于20min，具有良好的防气窜性能；④API失水量小于50mL，由于SDl8为非渗透成膜型降失水剂，超细粉体材料的加入起到充填密实作用，有效地控制失水；⑤水泥石强度更高，1.20g/cm3水泥石75℃，24h强度高于14MPa；⑥该体系使用玻璃微珠能保证井底压力条件下水泥浆密度恒定不变的特点，使施工安全更有保障。从表3看出，该体系与常规低密度水泥浆相比，具有较好的流动能力和较低的滤失量，更高的早期强度。
3.2.3水泥浆防气窜性能评价
    从表4中可以看出，该体系稠化过渡时间短，失水量小，水泥浆气窜潜力系数(SPN)值小，防气窜能力强。形成的水泥石具有微膨胀、低渗透率等特点，渗透率接近常规水泥石，具有良好的层间封隔与后期防气窜的功能，更有利于延长油气井的开采寿命。
3.2.4水泥浆防漏堵漏性能评价
    该体系由于加入防漏复合纤维SD66，使之发挥了良好的防漏堵漏能力，10min内能堵住漏失，提高漏失地层的承压能力达6.0MPa(表5)，更好地保障了施工过程中发生井漏时的施工安全和固井质量。
表2 低密度水泥浆体系性能表(75℃)
干混材料
外加剂
密度(g/cm3)
流动度(cm)
稠化时间(min)
API失水量(mL)
抗压强度(MPa/24h)
流变性
ф600
ф300
ф5
ф3
三元或四元复合体系
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 不同低密度水泥浆体系性能比较表
干混材料
密度(g/cm3)
流动度(cm)
稠化时间(min)
API失水量(mL)
抗压强度[MPa/(70℃·24h)]
常规
1.30
24
256
68
6.8
超细水泥+漂珠
1.30
21
180
37
13.0
超细水泥+漂珠
1.30
21
178
36
14.3
表4 低密度水泥浆体系防气窜性能表(103℃)
密度(g/cm3)
稠化时间(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 低密度水泥浆堵漏性能表
配方
10min承压(MPa)
漏失量(mL)
备注
2%SD66+1.2%SD18
6
825
2mm孔板
6
840
2mm缝板
5
920
2mm孔板
5
920
2mm缝板
4 现场应用
4.1 现场应用概况
    超细水泥低密度水泥浆体系以G级高抗硫油井水泥、超细水泥、漂珠(玻璃微珠)、微硅等多元粉体复合，以0.56～0.6水灰比配制成密度为1.20～1.50g/cm3水泥浆体系，早期强度高，体系稳定性好，完全能够满足工程要求，在四川油气田的LG地区、广安区块上应用20余口井次，取得了良好效果。
4.2 主要技术措施
    1) 各种材料按一定比例加入后，严格倒灰4遍，保证混合均匀，并做好现场水泥试验。
    2) 套管下到位以后，大排量洗井，彻底清除井底沉砂和岩屑，冲刷井壁，使滤饼充分“泄压”[5]。
    3) 调整钻井液性能，降低黏度和切力，注入大量的抗钙隔离液和冲洗液，确保能够隔开钻井液与水泥浆，提高对虚滤饼的冲刷效果。
    4) 在不压漏地层的前提下，尽量大排量顶替，增大水泥浆的壁面剪切应力，提高顶替效率和实现对致密滤饼的快速加载促使其塑性破坏[5]，提高胶结质量。
4.3 典型井例
    LG地区X井Ø244.5mm套管下深为3500m，裸眼段长为2800m，含有9组油气显示，其中遂宁组-自流井组有浅气层；钻进时多次遇卡，划眼有垮塌现象，“大肚子”井段较多，井斜大，有漏失。采用常规单级双凝水泥浆固井；用密度为1.90g/cm3常规快干防漏水泥封固3502～2 800m井段，密度为1.36g/cm3的复合低密度水泥浆封固0～2 800m。电测优质率为97.91%，合格率为99.5%。
    LG地区Y井Ø177.8mm悬挂固井，井底温度为124℃/5760m；固井封固和封隔须家河组-飞三段顶部，封固产层与上部不同的压力系统，用密度为1.45g/cm3的复合低密度防漏水泥浆封固3040～4700m井段。电测结果优质率为95.96%，合格率为1000。
5 结论
    1) 超细水泥具有改善基本水泥颗粒级配，起到提高粉体堆积密实程度的作用。
    2) 超细水泥低密度水泥浆体系克服了常规低密度水泥浆体系早期强度低、稳定性差、易分层等缺点，具有较高的早期强度和稳定性，水泥石微膨胀、渗透率低等优点；水泥浆体系稠化时间从低温到高温均能可调，流变性可根据设计要求调整。
    3) 水泥浆体系失水量小，静胶凝过渡时间小于20min，稠化时间从30～100Bc的时间小于20min，具有良好的防气窜性能和具有较强的防漏堵漏的能力。现场成功应用20余口井次，测井曲线显示固井质量良好。
参考文献
[1] 黄柏宗.紧密堆积理论优化固井材料和工艺体系[J].钻井液与完井液，200l，18(6)：1-8.
[2] 周仕明.应用混凝土技术提高低密度水泥浆体系性能[J].国外钻井技术，1999，16(6)：27-29.
[3] 刘崇建，黄柏宗，徐同台，等.油气井注水泥理论与应用[M].北京：石油工业出版社，2001.
[4] 陈英，舒秋贵.低温微细低密度水泥的实验研究[J].天然气工业，2005，25(12)：74-76.
[5] 刘爱平.固井技术理论与应用探讨[R].[出版地不详]：中国石油集团公司固井技术培训，2008.
 
(本文作者：张成金1，2 严海兵2 冷永红2 1.西南石油大学；2.川庆钻探工程公司井下作业公司)