李德偉

（中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司長(zhǎng)慶固井公司,陜西西安710000）

隨著長(zhǎng)慶油田對(duì)低壓低滲透油氣藏的進(jìn)一步勘探和開(kāi)發(fā)，深井和長(zhǎng)封固段井的數(shù)量也逐年增多，低壓易漏井和深井長(zhǎng)封固井的固井難點(diǎn)也日趨突顯出來(lái)。為避免長(zhǎng)封井和易漏井固井施工中出現(xiàn)漏失，并保證固井質(zhì)量，對(duì)固井水泥漿的各項(xiàng)性能提出了更高的要求，特別是在2019年，為了適應(yīng)新環(huán)保法的要求，長(zhǎng)慶油田調(diào)整了油、氣井產(chǎn)建方案，油氣井實(shí)行全封固，同時(shí)對(duì)低密度段封固質(zhì)量及性能提出了更高的要求。不僅要進(jìn)一步降低水泥漿密度，還要保證水泥漿在大溫差下的各項(xiàng)性能，最大程度地滿足油田勘探開(kāi)發(fā)的要求。

1 長(zhǎng)慶油田低密度水泥漿應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，長(zhǎng)慶油田應(yīng)用的低密度水泥漿密度范圍在1.35～1.65g/cm3之間，難以滿足地層承壓能力特低的區(qū)塊的固井要求和固井質(zhì)量要求。但該水泥漿密度和低溫條件下的抗壓強(qiáng)度，還不完全滿足長(zhǎng)封段固井要求。1.25～1.30g/cm3低密高強(qiáng)水泥漿體系的研究的完成將有利于保證長(zhǎng)慶油田深井和長(zhǎng)封固井的固井施工及提高固井質(zhì)量，改善下部漏失層承壓能力；同時(shí)隨著水泥漿密度的進(jìn)一步降低，也減少了液柱壓力與地層壓力的過(guò)平衡的程度，盡可能避免了油氣層帶來(lái)的損害；為長(zhǎng)慶油田后續(xù)開(kāi)發(fā)的需求提供了有利的技術(shù)支撐，對(duì)固井技術(shù)的發(fā)展起到積極的推動(dòng)作用。在優(yōu)選外摻料的過(guò)程中，應(yīng)用顆粒級(jí)配及緊密堆積理論，從而降低了水泥漿體系的應(yīng)用成本，為油田經(jīng)濟(jì)效益做出有效貢獻(xiàn)。

2 減輕材料的優(yōu)選

2.1 按減輕機(jī)理優(yōu)選

通過(guò)技術(shù)調(diào)研、優(yōu)選出減輕材料有白土、?；渲閹r、空心玻璃微珠、粉煤灰、微硅等外加劑，見(jiàn)表1。

表1 低密度水泥外摻料優(yōu)缺點(diǎn)

要配制出具有低密高強(qiáng)的水泥漿體系，優(yōu)選減輕材料時(shí)需要考慮有低的密度、沉降穩(wěn)定性能好、來(lái)源廣泛、符合長(zhǎng)慶油田低成本開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略，能帶來(lái)較好的經(jīng)濟(jì)效益的減輕材料。另外，還需考慮減輕材料的粒度、硬度、吸水性、反應(yīng)活性等物化性質(zhì)對(duì)水泥漿體系的綜合性能。

2.2 按水泥漿力學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)選

在水泥漿靜止候凝過(guò)程中,要求漿體的固相顆粒不發(fā)生分層離析,達(dá)到預(yù)期封固高度和封固質(zhì)量。在超低密度水泥漿中, 由于減輕劑本身具有很低的密度,其上浮趨勢(shì)明顯,水泥漿存在不穩(wěn)定趨向。在漿體密度一定時(shí),減輕劑顆粒直徑越大、密度越小,所需靜切應(yīng)力越大,因此減輕劑應(yīng)盡量選擇顆粒尺寸較小、密度與漿體接近的, 才更容易保證漿體的穩(wěn)定。另外,在滿足施工對(duì)流動(dòng)性的要求的前提下,可適當(dāng)提高漿體的粘度,使減輕劑的上浮趨勢(shì)降低,保持漿體的穩(wěn)定。

3 實(shí)驗(yàn)材料性能分析

3.1 ?；渲閹r的物化特性分析

玻化珍珠巖屬于火山玻璃質(zhì)熔巖，屬富含SiO2、Al2O3的巖類(lèi)，外觀為灰白色可流動(dòng)顆粒、顆粒密度0.6～0.75g/cm3，比表面積7.5～20m2/g，容重3kg/m3，平均粒徑0.50～30μm，SiO255%～70%，CaO25%～10%，容重3.0kg/m3，耐火度1100℃～1400℃，是將精選特殊粒徑的珍珠巖礦砂，在電爐加熱方式下膨化。在國(guó)內(nèi)產(chǎn)量豐富，具有極強(qiáng)的表面活性,價(jià)格相對(duì)較低。

3.2 空心玻璃微珠的性能

空心玻璃微珠是一種中空的圓球粉末狀超輕質(zhì)無(wú)極非金屬材料，是今年發(fā)展起來(lái)的一種用途廣泛、性能優(yōu)異的新型輕質(zhì)材料，其真密度在0.20～0.60g/cm3，粒徑在2～130μm 之間，具有質(zhì)量輕、體積大、導(dǎo)熱系數(shù)低、抗壓強(qiáng)度、流動(dòng)性好的特點(diǎn)，見(jiàn)表2。

表2 空心玻璃微珠基本性能

3.3 粉煤灰加量確定

粉煤灰具有較高的水化活性、吸附性及較低的顆粒密度。粉煤灰具有減輕的特性，改善漿體的流動(dòng)性能。較低的顆粒密度可以降低低密度水泥漿體系的水灰比，從而進(jìn)一步提高低密度水泥石的強(qiáng)度和沉降穩(wěn)定性。在長(zhǎng)慶固井中已經(jīng)大量推廣應(yīng)用。粉煤灰屬于三廢利用，成本低、貨源廣，使用粉煤灰低密度水泥具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，見(jiàn)表3。

表3 粉煤灰不同加量對(duì)水泥石的影響

4 低密度水泥漿室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

4.1 兩種低密度體系各種性能實(shí)驗(yàn)

配制水泥漿體系的過(guò)程是一個(gè)綜合分析的過(guò)程，要考慮多種因素的影響，通常影響水泥漿和水泥石性能的主要因素包括油井水泥的礦物組分、水灰比、外摻料、添加劑、溫度、壓力以及混配方法等。還應(yīng)考慮到各種材料復(fù)合后對(duì)整個(gè)體系產(chǎn)生的影響，是否存在協(xié)同效應(yīng)，而不是單純的各種外摻料最優(yōu)加量的累加。

通過(guò)大量室內(nèi)實(shí)驗(yàn)形成了一種復(fù)合減輕劑（見(jiàn)圖1），外觀為灰白色固體顆粒粉末；具有極強(qiáng)的表面活性，物理密度0.85～0.95g/cm3，堆積密度0.55～0.65g/cm3，耐火度1100℃～1400℃，抗壓強(qiáng)度0.5MPa，閉合率不小于90%、D10 粒徑10.9μm，D50 粒徑64.1μm，D90粒徑189.7μm，是經(jīng)過(guò)優(yōu)化篩選三種減輕材料，按照最佳比例復(fù)配組合，實(shí)現(xiàn)更好的粒徑密集堆積效應(yīng)，見(jiàn)圖2。

圖1 復(fù)合減輕劑實(shí)物照片

圖2 復(fù)合減輕劑粒度分布圖

采用復(fù)合減輕劑與玻璃微珠作為減輕材料,并選用適合低密度水泥漿的超細(xì)水泥活性材料及水泥外加劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。形成配方1（G級(jí)水泥∶復(fù)合減輕劑∶超細(xì)水泥+GJ-S+GQD+GH-3+USZ）和配方2（G級(jí)水泥∶玻璃微珠∶微硅+GJ-S+GQD+GH-3+USZ）兩種不同類(lèi)別低密高強(qiáng)水泥漿體系。經(jīng)實(shí)驗(yàn)配方1結(jié)果為水灰比0.75，密度1.27g/cm3，析水率0%，API 失水48mL，45℃抗壓強(qiáng)度5.1MPa/24h、8.2MPa/48h，60℃/30MPa初稠15Bc、稠化時(shí)間208min（見(jiàn)圖3）；配方2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果為水灰比0.65，密度1.28g/cm3，析水率0%，API 失水39mL，45℃抗 壓 強(qiáng) 度7.9MPa/24h、15.5MPa/48h，60℃/30MPa初稠21Bc、稠化時(shí)間171min，見(jiàn)圖4。

圖3 配方1稠化曲線圖

圖4 配方2稠化曲線圖

4.2 水泥石抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)

為能了解低密度水泥石抗壓強(qiáng)度的長(zhǎng)期變化情況，模擬井下上下封固段溫度，試驗(yàn)了45℃（見(jiàn)圖5）、90℃常壓及21MPa 養(yǎng)護(hù)條件下水泥石的強(qiáng)度變化規(guī)律，按照配方1，制備水泥漿，實(shí)測(cè)密度為1.27g/cm3，模塊為50.8mm立方體水泥塊；如表4所示。

圖5 45℃/24h 常壓強(qiáng)度試驗(yàn)

從表4可知，該體系凝固的水泥石24h抗壓強(qiáng)度達(dá)到5MPa 以上，從24h 到48h 期間，常壓或21MPa 下養(yǎng)護(hù)抗壓強(qiáng)度發(fā)展很快，特別是在增壓釜內(nèi)養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度發(fā)展較快，15d 后強(qiáng)度發(fā)展平緩；48h 后抗壓強(qiáng)度達(dá)到7MPa，完全可以滿足現(xiàn)場(chǎng)固井需要，說(shuō)明該水泥漿體系固井，強(qiáng)度穩(wěn)定、水泥石不衰退，長(zhǎng)效性能好。

表4 低密度水泥石實(shí)驗(yàn)

5 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與應(yīng)用

5.1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)用情況

截止2019年11月10日，在蘇里格區(qū)塊一共完成氣完井固井施工158口，固井施工順利，一次上返成功率100%，固井質(zhì)量一次合格率100%。桃59 井是應(yīng)用1.25 ～1.30g/cm3低密度水泥漿第一口試驗(yàn)井，固井質(zhì)量?jī)?yōu)質(zhì)。

5.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況實(shí)例

5.2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

桃59井為預(yù)探井位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂托克前旗昂素鎮(zhèn)巴彥烏素嘎查，于2019 年8 月1 日固井,設(shè)計(jì)井深5770m,屬二開(kāi)固井，固井井深3900m。

井身結(jié)構(gòu):鉆頭?311mm×(1156～3900m)，進(jìn)入馬家溝地層318m；套管?244.5mm×3897m。?244.5mm技術(shù)套管固井的主要目的是封固劉家溝漏層及本溪組及其以上氣層，為下部施工降低風(fēng)險(xiǎn)。

5.2.2 水泥漿體系

3380m 至井底氣層段采用1.88g/cm3常規(guī)密度膨脹降失水水泥漿，2960～3380m 采用1.75g/cm3降失水水泥漿，800～2960m采用1.28g/cm3低密高強(qiáng)水泥。

5.2.3 固井質(zhì)量效果

從測(cè)三樣結(jié)果分析：158口氣完井一次上返成功率100%，固井合格率：100%，目的層段優(yōu)質(zhì)率：89%，封固段合格率：87%。從聲幅圖上分析：在沒(méi)有增加成本的情況下，比常規(guī)低密度水泥漿體系固井質(zhì)量提高很多，得到甲方的一致認(rèn)可。

5.2.4 經(jīng)濟(jì)效益測(cè)算

1.25 ～1.30g/cm3低密高強(qiáng)水泥漿體系研究是2019年申報(bào)的科技項(xiàng)目，經(jīng)濟(jì)考核指標(biāo)8～10口井。低密高強(qiáng)減輕劑在蘇里格項(xiàng)目部、第三項(xiàng)目部得到了廣泛的推廣應(yīng)用，目前應(yīng)用井口數(shù)158口，每口井與常規(guī)低密度材料成本對(duì)比，一口井低密度水泥平均使用30t計(jì)算，每噸比同類(lèi)低密度水泥節(jié)約280 元測(cè)算，每口井節(jié)約成本8400 元，且固井質(zhì)量?jī)?yōu)于常規(guī)低密度水泥。158口井共創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益達(dá)130余萬(wàn)元。

6 結(jié)論與建議

（1）1.25 ～1.30g/cm3低密高強(qiáng)水泥漿體系，優(yōu)選?；渲閹r、微硅、粉煤灰復(fù)配，具有沉降穩(wěn)定性及流變性能好，密度低，抗壓強(qiáng)度高、失水量小，適合溫度寬，稠化時(shí)間可調(diào)，可應(yīng)用長(zhǎng)封固段固井作業(yè)。

（2）該體系析水接近于“0”，靜止后上下密度差小于0.03g/cm3，漿體沉降穩(wěn)定性好，能夠滿足一次注水泥封固段長(zhǎng)達(dá)4000m 的固井施工作業(yè)需要，具有廣闊的應(yīng)用前景和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。

（3）該配方選用的降失水劑和緩凝劑已達(dá)到最高臨界點(diǎn)，超過(guò)90℃建議選擇其他添加劑。

（4）體系應(yīng)用物料種類(lèi)少，混灰流程簡(jiǎn)單且流動(dòng)性好，可泵性強(qiáng)，有利于現(xiàn)場(chǎng)施工。具有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值，建議在油田易漏、承壓能力較低的區(qū)塊大面積使用。