付洪瓊 李早元 李 毅 雷俊杰 郭小陽

(1.油氣藏地質及開發(fā)工程國家重點實驗室(西南石油大學)，四川 成都 610500；2.延長油田股份有限公司 吳起采油廠，陜西 吳起 717600)

隨著國內(nèi)各油田鉆井越來越深，地層壓力梯度越來越高，特別是鉆遇異常高壓地層時，地層壓力梯度最高可達2.6 MPa/100m，需采用高密度甚至超高密度水泥漿封固，水泥漿密度高達2.8 kg/L甚至更高。目前，常用高密度水泥漿通常都是用顆粒級配原理[1-3]采用單一的固體加重劑進行加重，密度一旦超過2.4 kg/L時，其性能調節(jié)難度急劇增大，綜合解決水泥漿的抗高壓性、流變性和抑制性、穩(wěn)定性等之間的矛盾尤為困難[4-6]。實際上，水泥漿作為一個固液混合體系，配漿用基液的密度對水泥漿的性能有至關重要的影響。如果提高了基液的密度，就可以大大提高水泥漿密度，減小鐵礦粉用量，水泥漿性能也更容易調節(jié)。

1 FX-1 對自來水加重

1.1 加重原理[7-8]

因處理劑類型和作用機理不盡相同,高密度鉆井液中所用無機鹽或有機鹽加重材料基本不適合配制高密度水泥漿[9]。在選擇水泥漿用無機鹽或有機鹽加重劑時應遵循如下原則: 1)易溶解，且本身密度高；2) 與其他外加劑配伍性好，對水泥漿性能影響較?。?)材料來源廣，價格低廉。

國內(nèi)外多數(shù)水泥漿外加劑都具有良好的抗鹽能力,但主要是針對NaCl。既然外加劑可以抗NaCl,對類似的無機鹽同樣具有抵抗能力,基于此,筆者優(yōu)選了無機鹽 FX-1,針對 FX-1 的特性進行了處理劑優(yōu)選,最終選擇了一套性能優(yōu)良的適合該無機鹽加重劑的處理劑系列,配制的超高密度水泥漿性能良好。筆者采用的理論公式為[10-11]：

G=ρ3(ρ2-ρ1)/(ρ3-ρ2)

(1)

式中：G為加重劑用量,kg；ρ1為原自來水密度，kg/L；ρ2為加重后的水溶液密度，kg/L；ρ3為加重劑 FX-1 的密度，kg/L。

根據(jù)式(1)，如要配制密度為1.5 kg/L的 FX-1 溶液，需 FX-1 的質量為：3.203(1.5-1.0)/(3.203-1.500)=0.940 4，即G=0.940 4 kg。

1.2 效果分析

用 FX-1 對500 mL自來水在常溫常壓下進行加重，結果見表1。

表1 FX1對自來水的加重效果

由表1可知，常溫常壓下 FX-1 水溶液的密度隨 FX-1 加量的增加而增大。當 FX-1 的質量為950 g時，溶液達到飽和，F(xiàn)X-1 的質量繼續(xù)增大，則溶液密度不再發(fā)生改變，此時 FX-1 溶液密度最大，約為1.50 kg/L。因此，在配制高密度水泥漿時，可使用 FX-1 將基液密度提高至1.50 kg/L，相同水灰比條件下可將水泥漿密度提高0.35 kg/L左右。

2 FX-1加重高密度水泥漿體系性能

2.1 失水、流變性

水泥漿的流變性和失水性能是水泥漿的基本性能，是固井時十分重要的參數(shù)。FX-1 加重水泥漿體系的配方見表2。

表2 FX1加重水泥漿體系配方

在室內(nèi)配制水泥漿時發(fā)現(xiàn)，配方1#的水泥漿不易混和，幾乎沒有流動性，無法進行后續(xù)試驗操作。而配方2#的水泥漿雖有較好的流動性，但沉降穩(wěn)定性很差，靜置小段時間后水泥漿就發(fā)生沉降，解決方法之一是適量增加具有增黏效果的降失水劑 L-8 的用量。因為該試驗用降失水劑 L-8 為大分子物質，大分子之間相互纏繞可以提高高密度水泥漿的沉降穩(wěn)定性，同時有效控制失水。

對配方3#～5#的水泥漿進行常規(guī)性能測試，結果見表3。

表3 高密度水泥漿常規(guī)性能

對表3中的六速旋轉黏度計讀數(shù)進行了流變性計算，所得結果見表4。

表4 水泥漿流變參數(shù)

由表4可知，該水泥漿體系的塑性黏度較低，有利于提高頂替效率，動切力較小，流性指數(shù)接近于1，稠度系數(shù)小，說明該水泥漿體系具有良好的流變性能。API失水量小，48 h抗壓強度高，其常規(guī)性能可滿足現(xiàn)場施工要求。

另外，隨著緩凝劑量的增加，水泥漿由冪律流變模式變?yōu)榱速e漢流變模式。塑性黏度、動切力和稠度系數(shù)都有所減小，流性指數(shù)n有所增加，水泥漿防竄性能更好。

2.2 穩(wěn)定性

穩(wěn)定性差的水泥漿，靜止時產(chǎn)生沉降，并伴隨有游離水析出，容易造成橋堵或氣竄，特別是大斜度井和水平井，更容易產(chǎn)生高邊游離水連通竄槽和低邊水泥顆粒沉降竄槽。因此，正確地進行水泥漿配方設計，提高水泥漿穩(wěn)定性，嚴格防止固相沉降和自由水析出，保持水泥漿顆粒均勻地懸浮直至固化，對保證固井質量非常重要。

對配方4#和5#兩種水泥漿(密度分別為2.87和2.86 kg/L)進行了穩(wěn)定性試驗，結果見表5。

表5 水泥漿穩(wěn)定性試驗

由表5可知:配方4#上下密度差為0.08 kg/L，析水2.5 mL，析水率1.00%;配方5上下密度差為0.13 kg/L，析水3.2 mL，析水率1.28%。該水泥漿析水率均小于PAI規(guī)范要求的1.40%，漿體穩(wěn)定性也能滿足現(xiàn)場固井要求。對比可知，配方5#較配方4#的穩(wěn)定性稍差，原因是所加緩凝劑具有輕微分散作用。隨著緩凝劑加量的增大，水泥漿沉降速度加快，穩(wěn)定性變差。

2.3 水泥漿稠化時間

基于配方4#，考察了不同緩凝劑加量下水泥漿的稠化時間，結果見表6。

表6 配方4#水泥漿稠化試驗結果

相應稠化曲線如圖1～4所示。

圖1 1號水泥漿稠化曲線

圖2 2號水泥漿稠化曲線

圖3 3號水泥漿稠化曲線

圖4 5號水泥漿稠化曲線

由表6和圖1～4可知：該水泥漿在不同高溫高壓條件下,水泥漿稠化時間隨緩凝劑加量變化有較好的可調性,且初始稠度不算太高,隨溫度、壓力升高稠度趨于平穩(wěn),并且實現(xiàn)了直角稠化,能夠滿足高溫深井或異常高壓井固井的施工要求。

試驗結果證明，F(xiàn)X-1 作為一種新型液體加重劑可以應用在固井水泥漿體系中。

2.4 水泥石抗壓強度

對配方4#和5#兩種水泥漿所形成的水泥石進行不同養(yǎng)護條件下的抗壓強度試驗，結果見表7。

表7 水泥漿抗壓強度

由表7可知，該水泥漿體系所形成的水泥石養(yǎng)護48 h后其抗壓強度能滿足現(xiàn)場施工的要求。

3 FX-1 加重高密度水泥漿的優(yōu)越性

比較了相同水灰比條件下不加外加劑時，常規(guī)純水泥漿與無機鹽加重水泥漿的性能，其基本數(shù)據(jù)見表8。

由表8可知：1)FX-1 加重高密度水泥漿其密度明顯高于常規(guī)水泥漿密度，因此在配制相同高密度水泥漿時，可以明顯減少固體加重劑的用量；2)FX-1 加重水泥漿的流性指數(shù)更小，稠度系數(shù)也有所增大，F(xiàn)X-1 加重高密度水泥漿與常規(guī)水泥漿相比，增強了水泥漿的塑性黏度；3)FX-1 為電解質，加到水泥漿中時會引起絮凝稠度增大，使水泥漿網(wǎng)架結構能力增強，固相顆粒與液相內(nèi)部摩擦作用增強，因而動切力增大。

表8 常規(guī)水泥漿與FX1加重高密度水泥漿的性能比較

4 結 論

1) 無機鹽 FX-1 可使配制液密度提高到1.5 kg/L，采用液相和固相同時加重的方法，可配制出密度為2.87 kg/L的超高密度且性能良好的水泥漿體系。

2) 該超高密度水泥漿體系流變性、穩(wěn)定性良好，失水量小，稠化時間可調，水泥石性能滿足深層油氣層、超高壓地層及大段鹽膏地層的固井施工要求,具有較高的應用推廣價值。

參 考 文 獻

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