楊培龍，許明標(biāo)，王　雷　程　爽，王曉亮

（1.中國(guó)海油伊拉克有限公司，北京100010；2. 非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢430100）

巨厚鹽膏層固井用過(guò)飽和氯化鉀水泥漿

楊培龍1，許明標(biāo)2，王雷1程爽1，王曉亮2

（1.中國(guó)海油伊拉克有限公司，北京100010；2. 非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢430100）

楊培龍等.巨厚鹽膏層固井用過(guò)飽和氯化鉀水泥漿［J］.鉆井液與完井液，2016，33（5）：.

為提高巨厚鹽膏層固井質(zhì)量，解決固井過(guò)程中的鹽溶問(wèn)題，提出利用過(guò)飽和氯化鉀溶液（相當(dāng)于38%鹽濃度氯化鉀溶液）配制水泥漿，通過(guò)優(yōu)選抗鹽降失水劑CG80S、增強(qiáng)防竄劑GS12L以及非滲透劑BX-80等材料，構(gòu)建了一套過(guò)飽和氯化鉀水泥漿體系。室內(nèi)對(duì)過(guò)飽和氯化鉀水泥漿體系的物理性能、抗污染性能以及界面膠結(jié)性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，過(guò)飽和氯化鉀固井水泥漿體系稠化時(shí)間以及失水量可控；68 ℃、24 h養(yǎng)護(hù)抗壓強(qiáng)度大于15 MPa，混入5%的石膏、芒硝或頁(yè)巖巖屑均不會(huì)對(duì)水泥漿的性能產(chǎn)生較大的影響，界面膠結(jié)實(shí)驗(yàn)顯示該水泥漿能夠顯著提高水泥漿與鹽巖地層的膠結(jié)質(zhì)量，能夠保障巨厚鹽膏層一、二界面的膠結(jié)質(zhì)量。

巨厚鹽膏層；固井；過(guò)飽和氯化鉀；過(guò)飽和鹽水水泥漿

鹽膏層固井成功的關(guān)鍵是讓注入環(huán)空的水泥漿與鹽層間較快地形成平衡，避免因鹽巖層溶解、堿金屬運(yùn)移而造成水泥漿凝固時(shí)間改變、強(qiáng)度降低、水泥與鹽層間的膠結(jié)變差等現(xiàn)象的發(fā)生。如何使水泥漿與巨厚鹽巖層間快速形成平衡，是設(shè)計(jì)固井水泥漿的關(guān)鍵。通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，氯化鉀水泥漿體系在抑制鹽巖層的溶解以及石膏、芒硝、頁(yè)巖等污染時(shí)有顯著的效果，且其效果隨氯化鉀鹽水濃度的增加愈加顯著［1-2］。一方面，氯化鉀具有良好的黏土膨脹抑制性，能夠防止含有泥頁(yè)巖鹽膏層發(fā)生膨脹而造成井徑縮小或失穩(wěn)；另一方面，過(guò)飽和氯化鉀溶液易使近井筒地帶地層發(fā)生脫水，孔隙壓力降低，有利于增加地層強(qiáng)度和近井筒的有效應(yīng)力［3-4］。構(gòu)建一套過(guò)飽和氯化鉀水泥漿體系是提高巨厚鹽膏層固井質(zhì)量的關(guān)鍵。室內(nèi)對(duì)過(guò)飽和氯化鉀水泥漿體系的性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)研究，發(fā)現(xiàn)該水泥漿體系不僅有利于提高巨厚鹽膏層油氣井的固井質(zhì)量，在鉀鹽礦藏的勘探開(kāi)采過(guò)程中也具有廣闊的應(yīng)用空間。

1　水泥漿配方設(shè)計(jì)

1.1設(shè)計(jì)原理

過(guò)飽和氯化鉀水泥漿體系應(yīng)用于巨厚鹽膏層固井面臨著諸多問(wèn)題，最為突出的是高鹽濃度下水泥石強(qiáng)度發(fā)展緩慢、難以固化的現(xiàn)象。筆者認(rèn)為構(gòu)建過(guò)飽和氯化鉀水泥漿體系應(yīng)從以下3個(gè)方面著手。

1）使用四元共聚物降失水劑CG80S來(lái)控制水泥漿失水量。CG80S為含有磺化基團(tuán)的高分子量聚合物，其在過(guò)飽和鹽水中能夠自由伸展而不受壓縮，所以能夠控制水泥漿黏度和失水量，同時(shí)該降失水劑具有良好的熱穩(wěn)定性，在0～150 ℃范圍內(nèi)不會(huì)發(fā)生分解而產(chǎn)生緩凝問(wèn)題。CG80S有助于過(guò)飽和氯化鉀水泥漿漿體保持良好的均勻穩(wěn)定性。

2）使用增強(qiáng)劑GS12L提高水泥石強(qiáng)度。GS12L為無(wú)定形、活性的二氧化硅微粒通過(guò)特殊的處理工藝與水混合形成的懸濁液；其平均顆粒粒徑為0.2 μm，比表面積高達(dá)21 m2/g，具有極強(qiáng)的表面活性。增強(qiáng)劑GS12L加入水泥漿中，能束縛水泥漿中的間隙水，與Ca（OH）2反應(yīng)生成C—S—H凝膠，加快水泥漿的凝固，降低水泥石的滲透率，使水泥石較快地形成強(qiáng)度。

3）使用非滲透劑BX-80降低水泥石滲透率，提高水泥石強(qiáng)度。BX-80為納米有機(jī)材料，其含有獨(dú)特的小分子，其與水分子反應(yīng)生成的韌性薄膜迅速包裹水泥顆粒，這層薄膜具有優(yōu)異的彈性和拉伸強(qiáng)度，能夠防止水泥本體固化過(guò)程中因收縮而產(chǎn)生微裂隙。另外，納米材料良好的分散性和填充效果能夠提高水泥石致密性，進(jìn)而提高水泥石早期強(qiáng)度。

1.2水泥漿配方

以M油田鹽膏層固井為例。M油田上部地層以鹽膏層為主，埋深2 500 m左右，厚度在800 m左右，屬典型的巨厚鹽膏層。在固井時(shí)需針對(duì)封固地層設(shè)計(jì)相應(yīng)的水泥漿密度，以期達(dá)到最佳封固效果?？紤]到巨厚鹽膏層固井時(shí)，為保障水泥漿安全泵送，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)要求，水泥漿68 ℃的稠化時(shí)間控制在200～240 min。室內(nèi)配方設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)適當(dāng)?shù)卦鰷p緩凝劑H21L加量來(lái)控制水泥漿的稠化時(shí)間，適當(dāng)增減赤鐵礦CDX加量以及混合水比例，確定了水泥漿配方，如表1所示。

表1　水泥漿配方

2　水泥漿性能評(píng)價(jià)

2.1物理性能

室內(nèi)對(duì)不同密度過(guò)飽和氯化鉀水泥漿配方的物理性能進(jìn)行了綜合評(píng)估，結(jié)果如表2所示。

表2　過(guò)飽和氯化鉀水泥漿的性能

由表2可知，不同密度過(guò)飽和氯化鉀水泥漿均具有較高的抗壓強(qiáng)度，24 h抗壓強(qiáng)度大于15 MPa，API失水量能夠控制在50 mL內(nèi)，稠化時(shí)間可控；隨水泥漿密度的升高水泥漿的流變讀數(shù)略有增大，這與水泥漿中固相含量增大有關(guān)，而水泥漿自由水以及漿體沉降穩(wěn)定性變化較小，均能夠得到較好地控制。綜合可見(jiàn)，不同密度水泥漿配方均具有良好的物理性能，能夠滿足巨厚鹽膏層固井作業(yè)需要。

2.2抗污染性能

巨厚鹽膏層中鹽層厚度較大，且多為復(fù)合鹽層。鹽層中常含有鉀鹽、鈉鹽、石膏、芒硝以及粉質(zhì)泥頁(yè)巖［5］。部分復(fù)合鹽巖地層存在較強(qiáng)的不穩(wěn)定性，易出現(xiàn)井眼縮徑、坍塌的現(xiàn)象。針對(duì)這類地層封固，水泥漿需要具有良好的抗污染能力。室內(nèi)對(duì)混入5%氯化鈉、石膏、芒硝、頁(yè)巖巖屑等固體顆粒的過(guò)飽和氯化鉀水泥漿性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3　過(guò)飽和氯化鉀水泥漿抗污染性能評(píng)價(jià)

從表3可以看出，該水泥漿中混入5%氯化鈉后水泥石強(qiáng)度下降比例為3.6%，稠化時(shí)間延長(zhǎng)了21 min，整體變化幅度不大，可以看作5%氯化鈉混入水泥漿中影響較輕微；通過(guò)2#配方污染前后性能對(duì)比分析可知，5%石膏、芒硝混入水泥漿后，水泥漿稠化時(shí)間出現(xiàn)縮短趨勢(shì)，水泥石的抗壓強(qiáng)度和流變讀數(shù)出現(xiàn)略微增大的現(xiàn)象，但總體影響較小；通過(guò)對(duì)比分析5%頁(yè)巖巖屑混入前后水泥漿性能數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，頁(yè)巖巖屑對(duì)水泥漿性能影響較大，污染后水泥石強(qiáng)度下降了近15%，而水泥漿的稠化時(shí)間延長(zhǎng)了41 min，這可能與頁(yè)巖巖屑本身強(qiáng)度較低，且不能很好地在水泥漿中分散有關(guān)。綜合分析可知，過(guò)飽和氯化鉀水泥漿體系的抗污染性能較好。值得注意的是，在確定要封固的巨厚鹽膏層中含有頁(yè)巖時(shí)，需要適當(dāng)提高水泥漿抗壓強(qiáng)度，保證即使有巖屑混入水泥漿也能具有較高強(qiáng)度。

2.3膠結(jié)性能

室內(nèi)以7#淡水水泥漿配方和8#半飽和鹽水水泥漿配方作為參照，與2#配方的膠結(jié)性能進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表4所示。由表4可以看出，與一界面膠結(jié)質(zhì)量最佳者為淡水水泥漿，半飽和鹽水水泥漿和過(guò)飽和氯化鉀水泥漿與一界面的膠結(jié)強(qiáng)度相差不大，相對(duì)而言2#配方性能略強(qiáng)；與二界面的膠結(jié)質(zhì)量最佳者為過(guò)飽和氯化鉀水泥漿，其拉伸強(qiáng)度較半飽和鹽水水泥漿提高了9.7%，相對(duì)淡水水泥漿提高了37%，其拉伸強(qiáng)度較半飽和鹽水水泥漿提高了10%，相對(duì)淡水水泥漿提高了19%。綜合評(píng)價(jià)可知，過(guò)飽和氯化鉀水泥漿能夠顯著提高鹽膏層二界面的膠結(jié)質(zhì)量。

表4　水泥漿體系與一、二界面的膠結(jié)強(qiáng)度對(duì)比

3　現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1工程概況

GJ-2井為勘探井，其鉆探目的為勘探深層鹵水層，了解鹵水層巖性、物性與厚度，求取鹵水儲(chǔ)量資源評(píng)價(jià)所需參數(shù)。該井完鉆井深為3 681 m。在用密度為2.27 g/cm3鉆井液鉆至井深3 581.4 m時(shí)，鉆遇高壓鹵水層發(fā)生嚴(yán)重溢流，在處理事故過(guò)程中又發(fā)生了卡鉆、鉆具內(nèi)鹽結(jié)晶堵水眼等故障。經(jīng)過(guò)專家組討論決定將鉆井液密度提高至2.30 g/cm3，搶鉆至井深3 600 m提前完鉆，迅速組織實(shí)施尾管固井作業(yè)。為保證現(xiàn)場(chǎng)固井作業(yè)安全有效實(shí)施，研究決定使用新研制的2.40 g/cm3過(guò)飽和氯化鉀水泥漿體系進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)固井作業(yè)。

3.2水泥漿材料用量與性能

固井方式：懸掛尾管固井，封固段長(zhǎng)388 m（3 212～3 600 m，上部井段重疊段長(zhǎng)200 m），上部套管裸眼段井徑φ165.1 mm，尾管直徑為φ127 mm，裸眼段平均井眼擴(kuò)大率為47.8%，實(shí)際設(shè)計(jì)按照60%附加量準(zhǔn)備水泥漿。 理論計(jì)算現(xiàn)場(chǎng)共需要水泥漿9.7 m3，實(shí)際按照15 m3水泥漿準(zhǔn)備，共使用10 t G級(jí)水泥、10 t 淡水、0.50 t CG80S、2 t GS12L、0.15 t BX-80、0.05 t EXP-1、0.10 t H21L、3.60 t 氯化鉀、15 t CDX。

為實(shí)現(xiàn)配方中氯化鉀過(guò)飽和要求，現(xiàn)場(chǎng)采用氯化鉀飽和溶液配制水泥漿，在混拌水泥灰的過(guò)程中同時(shí)加入1%的固體氯化鉀顆粒（BWOC）。

現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)工程中采用雙凝水泥漿設(shè)計(jì)，領(lǐng)漿密度為2.35 g/cm3，稠化時(shí)間為260 min，尾漿稠化時(shí)間為147 min。領(lǐng)漿保持較長(zhǎng)的稠化時(shí)間，有利于上部漿柱的液柱壓力順利向下傳導(dǎo)，有助于短稠化時(shí)間尾漿快速固化壓穩(wěn)裸眼段高壓鹽水地層，確保底部裸眼段固井質(zhì)量。

表5　現(xiàn)場(chǎng)水泥漿物理性能

4　結(jié)論

1.過(guò)飽和氯化鉀水泥漿體系具有良好的物理性能，能夠滿足巨厚鹽膏層固井需要。

2. 5%的氯化鈉、石膏、芒硝均不會(huì)對(duì)水泥漿的性能產(chǎn)生較大影響，5%頁(yè)巖巖屑混入會(huì)延長(zhǎng)水泥漿稠化時(shí)間，降低水泥石強(qiáng)度，所以當(dāng)?shù)貙雍许?yè)巖時(shí)，需要適當(dāng)提高水泥漿抗壓強(qiáng)度。

3.通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，淡水水泥漿與一界面的膠結(jié)強(qiáng)度最高，過(guò)飽和氯化鉀鹽水水泥漿與二界面的膠結(jié)強(qiáng)度最高。

4.密度為2.40 g/cm3的過(guò)飽和鹽水氯化鉀水泥漿在GJ-2井應(yīng)用成功，說(shuō)明該水泥漿體系針對(duì)巨厚鹽膏層以及含鉀石巖以及含石巖、石膏以及芒硝的粉質(zhì)泥巖地層固井具有推廣應(yīng)用的空間。

［1］陳良，彭博，黃敏.聚合物氯化鉀水泥漿體系性能評(píng)價(jià)及應(yīng)用研究［J］.長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)（自然版），2015，12（25）：14-16，57.

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Oversaturated Potassium Chloride Cement Slurry for Cementing Boreholes Penetrating Thick Salt and Gypsum Formations

YANG Peilong1， XU Mingbiao2， WANG Lei1， CHENG Shuang1， WANG Xiaoliang2
（1. CNOOC Iraq Limited， Beijing 100010；2. Hubei Cooperative Innovation Center of Unconventional Oil and Gas， Wuhan， Hubei 430100）

To improve the job quality of cementing the borehole penetrating thick salt and gypsum formations， an over-saturated potassium chloride solution （contains 38% KCl） was used in formulating a cement slurry， in an effort to avoid rock salt dissolution during well cementing. The over-saturated KCl cement slurry formulated was treated with a salt-resistant filter loss reducer CG80S， an enhanced anti-channeling agent GS12L， and a non-penetrating agent BX-80. Laboratory evaluation showed that the over-saturated KCl cement slurry had controllable thickening time and filter loss. The compressive strength of the set cement， after aging for 24 h at 68℃， was greater than 15 MPa. When contaminated by 5% gypsum， Glauber’s salt or shale cuttings， the properties of the cement slurry did not change noticeably. Laboratory experiments also showed that the bond of the cement slurry and the salt formations improved remarkably， indicating that the quality of the bond between the cement sheath and the casing string， and the bond between the cement sheath and the formations can both be guaranteed.

Thick salt and gypsum formations； Well cementing； Over-saturated potassium chloride； Over-saturated saltwater cement slurryResearch of thick salt layer cementing supersaturated potassium chloride cement slurry system

TE256

A

1001-5620（2016）05-0001-03

10.3696/j.issn.1001-5620.2016.05.00

國(guó)家科技重大專項(xiàng)課題“海洋深水油氣田開(kāi)發(fā)工程技術(shù)（二期）”子課題“深水鉆井特殊環(huán)境水泥漿體系研究”（2011ZX05026-001-03）。

楊培龍，工程師，1985年生，2007年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程專業(yè)，現(xiàn)為中國(guó)海油伊拉克有限公司鉆井部設(shè)計(jì)主管，主要從事油氣田鉆井技術(shù)工作。電話 18602240733；E-mail：yangpl@cnoociraq.com。

（2016-7-15；HGF=1604M7；編輯馬倩蕓）