謝建華

中國石油長慶油田分公司工程技術(shù)管理部?。兾鳌∥靼病?10021）

長慶油田大部分區(qū)塊存在著低壓漏失地層，有些地層的破裂壓力非常低，只能利用密度為1.20～1.35 g/cm3的低密度水泥漿封固，有時甚至需要更低。固井測井聲幅圖統(tǒng)計分析結(jié)果表明，低密度封固段固井質(zhì)量存在某種程度的問題，有部分井固井水泥環(huán)膠結(jié)質(zhì)量不好，水泥石抗壓強度低，在進行壓裂改造等后續(xù)作業(yè)時，水泥環(huán)產(chǎn)生裂紋甚至破碎。

普通低密度水泥膠結(jié)不好的原因主要有：①水泥漿中水泥顆粒與減輕外摻料顆粒的比重、粒徑尺寸等相差比較大，外摻料顆粒在水泥漿體中運移，致使水泥漿體系穩(wěn)定性變差，析水率變大；形成的水泥石體積收縮，影響水泥環(huán)的膠結(jié)質(zhì)量；②低密度水泥漿減輕外摻料活性小，外加劑激發(fā)減輕材料活性的能力不足，形成的水泥石抗壓強度較低；③漿體中的顆粒堆積密度較低。

新型低密度水泥漿的解決從以下幾個方面入手：①研究開發(fā)超細材料，填充水泥顆粒之間的空隙；②研究高效早強劑激發(fā)減輕材料的活性，解決水泥石強度過低問題；③采用“顆粒級配原理”，優(yōu)化水泥顆粒與外摻料顆粒直徑分布，提高低密度水泥漿穩(wěn)定性及水泥石的致密性[1]；④確定合理的水泥漿體系及性能，解決漏失或出水問題。為保證水泥漿的流動性，水泥拌和水量大大多于水化需水量，分散劑能使膠凝材料聚集[2]，改善空隙結(jié)構(gòu)，并使水灰比減小，從而使膠凝材料性能有較大改善，但這種改善是有限的。在水泥漿中加入分散劑后，水泥顆粒之間產(chǎn)生斥力易于流動，表層水的厚度因此可以減薄，但充填水的量不會發(fā)生變化。充填水的量取決于系統(tǒng)的堆積密度，要減少充填水，必須提高系統(tǒng)的堆積密度[3]，要提高系統(tǒng)的堆積密度，需用超細化學膠凝材料充填空隙，并要求該材料具有充填性能好的特點。

1　低密度固井水泥漿體系綜合研究

1.1　減輕外摻材料的選用

目前最普遍使用的高效減輕材料是空心微珠，空心微珠是從熱電廠粉煤灰中漂選出來的灰白色空心球體，具有質(zhì)輕、密閉、粒細和一定的活性等特點，其殼體主要由硅鋁玻璃體組成，能與水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2和礦物中的CaSO4作用，生成具有膠凝特性的產(chǎn)物，從而有利于水泥石強度的提高和滲透率的降低，是一種良好的減輕劑?？招奈⒅榈幕瘜W成分為：58.9%SiO2、34.1%Al2O3、3.4%Fe2O3、2.0%CaO、1.6%MgO，93%的顆粒粒徑為 56～360μm、壁厚為直徑的10%～26%、密閉率大于83%。視密度約為0.6～0.8 g/cm3，制成的水泥漿密度最低可至1.20 g/cm3。

1.2　高效激發(fā)早強劑（GLC）室內(nèi)研究

從表1可以看出，隨著GLC加量的增加，水泥漿稠化時間變短,抗壓強度也隨之增加，當GLC加量大于3.5%時，水泥漿初始稠度大于30 Bc，流動性變差。GLC的最佳加量為2.0%～3.0%，形成的水泥漿體系穩(wěn)定，稠化時間可調(diào)、初始稠度和抗壓強度均能滿足技術(shù)要求。

1.3　超細外摻料室內(nèi)研究

超細外摻料是以非晶質(zhì)的SiO2為主，具有很高的活性，加入水泥漿中可促進水泥水化反應，尤其在水化早期和低溫條件下促水化作用更為明顯。表2為超細外摻料粒徑分布表，表3是主要的化學成分。

由表4看出，在這個低密度水泥漿體系中，超細增強外摻料、漂珠與G級水泥只有達到以上理論計算最佳的配比時，形成的水泥漿體系穩(wěn)定，水泥石強度較高。因此，最終確定的水泥漿配方為：當水泥漿密度為1.35 g/cm3時，G級水泥、外摻料與漂珠的比例為 65∶5∶30；當水泥漿密度為 1.43 g/cm3時，G 級水泥、外摻料與漂珠的比例為 75∶5∶20。

表2　超細外摻料粒徑分布

表3　超細外摻料化學成分

表4　超細外摻料加量對水泥漿性能的影響

1.4　低密度水泥漿的穩(wěn)定性分析

1.4.1水泥漿穩(wěn)定性研究

影響水泥漿顆粒之間相互作用的因素是顆粒濃度、粒度分布和不同水泥相的反應活性。在微觀上，水泥漿存在兩個極端：一是分散，這些顆粒被帶負電荷表面相互之間產(chǎn)生的斥力分離開；二是絮凝，這些顆粒借助于不同電荷之間的靜電引力生成連接結(jié)構(gòu)。當水泥漿被完全分散時，就成為不穩(wěn)定的，并有沉降作用發(fā)生，產(chǎn)生較大的垂直密度梯度，而沒有自由水析出。相反當絮凝時，水泥漿有自由水析出。理論上講，只有一部分絮凝顆粒存在于中間部分，生成穩(wěn)定的水泥漿。

1.4.2水泥漿穩(wěn)定性試驗

由圖1可知，該低密度體系漿體凝結(jié)硬化形成水泥石，在縱向上密度分布較均勻，有利于保證整個封固段的封隔質(zhì)量。低密高強度水泥漿體系由于加入超細外摻料，實現(xiàn)顆粒緊密堆積，其穩(wěn)定性明顯好于普通低密度水泥漿,成型均勻完整，充滿整個模具。截開的剖面非常均勻平整，漂珠分布均勻，穩(wěn)定性好。

圖1　水泥漿穩(wěn)定性試驗

1.5　水泥漿觸變性研究

從表5看出，1 min時兩種水泥漿體系的靜切力基本相同，隨著水泥漿靜止時間的增加，低密高強水泥漿靜切力上升很快，10 min時靜切力大于24 Pa。

表5　低密高強水泥漿與常規(guī)漂珠水泥漿觸變性對比

1.6　低密度水泥漿體系確定

圖2和圖3是兩種密度的稠化曲線圖。從圖中可以看出，這兩個水泥漿稠化曲線接近直角稠化，非常有利于防止地層水在水泥稠化過程中的水侵。

2　評價油井現(xiàn)場實驗

2.1　隴東、白豹區(qū)塊

用新型低密度水泥漿體系固井試驗11口井，均取得了良好的效果。莊A和莊B井，從固井水泥膠結(jié)評價圖來看[4]，水泥漿返高到位率100%，漏失和水侵問題都得到了解決，主力油層上部的幾個后備油層封固質(zhì)量為優(yōu)良。其余的9口井，低密度試驗段與粉煤灰水泥漿配伍性好，其與純水泥和粉煤灰水泥的混合帶膠結(jié)質(zhì)量也是優(yōu)良。變密度聲波測井曲線顯示實驗低密度段與純水泥段無差異，可以進行射孔等油層評價作業(yè)。只有一口井返高不夠，證明隴東區(qū)塊的水泥漿配方及性能設計完全滿足該區(qū)塊要求[5]。

圖3　1.43 g/cm3低密度水泥漿稠化曲線

2.2　定邊、姬原區(qū)塊

在該區(qū)塊共進行了低密度水泥固井試驗4口井。均是采用1車試驗灰與粉煤灰水泥配合使用。由于耿C井較深，一次上返固井有較大的難度，故用正注返擠固井工藝。

姬原區(qū)塊的油井比較深，大約在2 300～2 800 m，且地層壓力系數(shù)低，主力油層以上的幾個后備油層無法有效封固，使用純水泥漿會發(fā)生漏失；若用粉煤灰低密度水泥，則抗壓強度不足以承受射孔作業(yè)對水泥環(huán)的沖擊。采用新型低密度水泥后，減少了純水泥的用量，降低環(huán)空的靜水壓力，防止壓漏地層，同時水泥石也能進行射孔試油評價。

3　結(jié)論與認識

1）針對長慶油田低壓易漏，一次上返井段長等特點研制的低密高強水泥漿體系其技術(shù)指標達到國內(nèi)先進水平。研究開發(fā)的超細填充材料，是以非晶質(zhì)的SiO2為主，具有很高的活性，加入水泥漿中可促進水泥水化反應，尤其在水化早期和低溫條件下促水化作用更為明顯。

2）采用緊密堆積理論和顆粒分布技術(shù)，選用超細外摻料、G級水泥及空心漂珠等三種不同粒徑的材料，實現(xiàn)低密度水泥石空隙充分填充，充填顆粒之間的空隙，增強水泥石的致密性及抗壓強度，提高水泥漿穩(wěn)定性。

3）研究開發(fā)的能激發(fā)水泥減輕填充材料活性的高效外加劑GLC，能使水泥快速水化，提高水泥石早期強度和水泥漿的觸變防漏失、防水侵能力。

4）低密高強水泥漿體系應用“顆粒級配原理”很好地解決了低密度水泥石強度低的問題，具有低密度、高強度特點。應用于有漏失的油層固井，滿足射孔、壓裂對水泥石強度的要求。

5）低密高強水泥漿體系在隴東、白豹、姬原等區(qū)塊試驗15口井，封固段優(yōu)質(zhì)率大于88%，試驗井合格率100%。實踐證明該體系具有廣泛的應用前景。

參考文獻：

[1]胡澤華,吳忠孚.油井水泥漿高溫高壓穩(wěn)定性的測試[J].鉆井液與完井液,1992,9(5)：72-74.

[2]袁潤章.膠凝材料學[M].2版.武漢：武漢理工大學出版社,2009.

[3]黃柏宗.緊密堆積理論優(yōu)化的固井材料和工藝體系[J].鉆井液與完井液,2001,18(6)：1-8.

[4]羅勇,宋文宇,步玉環(huán),等.低密度水泥固井質(zhì)量評價方法的改進[J].天然氣工業(yè),2012,32(10)：59-62.

[5]張德潤,張旭.固井液設計及應用[M].北京：石油工業(yè)出版社,2000.