魏浩光

(中國石油化工股份有限公司 石油工程技術(shù)研究院， 北京 100101)

納米液硅是由納米SiO2顆粒與水組成的一種懸浮分散液。經(jīng)國內(nèi)外學(xué)者研究，突破了制備工藝中的分散與團聚難題，形成了多種牌號的產(chǎn)品[2-3]。哈里伯頓、貝克休斯、中海油油服、中石化油服等公司以納米液硅材料為核心，構(gòu)建了防竄水泥漿體系[4-7]，但納米液硅水泥漿體系的性能研究主要集中在塑態(tài)性能，忽視了流態(tài)與固態(tài)的綜合性能。本文研究了納米液硅水泥漿體系以流態(tài)、塑態(tài)、固態(tài)3種形態(tài)下存在的關(guān)鍵性能，包括漿體以流態(tài)存在時的基礎(chǔ)性能、向塑態(tài)轉(zhuǎn)變時的防竄性能、以固態(tài)形式存在水泥石的力學(xué)性能以及水化收縮規(guī)律等特殊性能，并分析了納米液硅材料在各項性能變化中發(fā)揮的作用機理。最后，介紹了納米液硅水泥漿體系在新疆順北油田產(chǎn)層套管固井總體應(yīng)用情況及順北1-19井的168.3 mm套管固井實例。

1 納米液硅水泥漿體系性能

1.1 流態(tài)性能

納米液硅水泥漿體系由AMPS類降失水劑SCFL、納米液硅SCLS、聚羧酸類分散劑SCD-150L、有機硅抑泡劑SCDF-3以及聚合物緩凝劑SCR-6組成。水泥漿密度為1.90 g/cm3，實驗條件為130 ℃、80 MPa。實驗方法參照行標《油井水泥試驗方法》(SY/T 6544—2017)。

表1說明呈流態(tài)的納米液硅水泥漿體系具有更好的冪律特征、API失水性能、穩(wěn)定性。納米液硅加量為10%、15%時，水泥漿體系冪律指數(shù)n值由0.92下降到0.76、0.69，稠度系數(shù)K值由0.13 Pa·sn增加到0.28、0.45 Pa·sn。加入10%以上的納米液硅時，水泥漿的穩(wěn)定性顯著改善，自由液由0.8 mL降低為0，養(yǎng)護后的沉降密度差由0.13 g/cm3改善至無沉降。無納米液硅時水泥漿失水69 mL，加入10%、15%納米液硅時，水泥漿體系的API失水量分別為45、36 mL。

納米液硅中的固體顆粒比表面積大，達到了23 m2/g，能大量吸附漿體中游離水，具有增黏提切性，改善漿體的流變學(xué)特征與穩(wěn)定性。同時，納米液硅中的固體顆粒粒徑達到了納米尺度，填充作用使API失水降低。

1.2 塑態(tài)性能

水泥漿進入油氣井環(huán)空后，漿體將由流態(tài)向塑態(tài)轉(zhuǎn)變，環(huán)空靜液柱壓力逐漸減小，地層流體易在環(huán)空中發(fā)生竄流。本文從氣竄因子SPN值、靜膠凝強度實驗、氣竄模擬實驗3個方面研究了納米液硅水泥漿體系呈塑態(tài)時的性能。

表1 納米液硅水泥漿體系的流態(tài)性能

1.2.1 氣竄因子SPN

影響水泥漿氣竄因子SPN的主要因素是API失水與稠化過渡時間。API失水量越小，稠化過渡時間越短，SPN越低，水泥漿體系的防竄性能越好，通常要求SPN值不超過3.0[8-9]。0%納米液硅加量水泥漿體系的SPN值3.5，加量10%與15%納米液硅水泥漿體系的SPN值分別為1.6、1.3，分別降低了45.7%、62.9%。納米液硅水泥漿體系具有低失水的特征。同時，納米二氧化硅顆粒表面富含硅羥基官能團[10]，能加速水泥水化反應(yīng)，加量10%與15%使水泥漿的稠化過渡時間由12 min縮短至7、5 min。因此，納米液硅水泥漿體系的氣竄因子SPN值顯著降低。

1.2.2 靜膠凝強度發(fā)展

靜膠凝強度(SGS)發(fā)展就是水泥漿流態(tài)轉(zhuǎn)變至塑態(tài)過程中的膠凝結(jié)構(gòu)變化，靜膠凝強度由48 Pa發(fā)展為240 Pa階段為極易竄流的階段，這段時間要求不超過30 min, 具體實驗方法見GB/T 39421—2020。本文利用chandler超聲波靜膠凝強度儀，考察了納米液硅水泥漿體系(加量10%)的靜膠凝強度發(fā)展規(guī)律。圖1表明納米液硅水泥漿的靜膠凝強度由48 Pa發(fā)展為240 Pa的時間僅為10 min。分析其作用機理為：納米二氧化硅硅羥基官能團，具有促凝性，縮短過渡時間[11]。

圖1 靜膠凝強度發(fā)展曲線

1.2.3 氣竄模擬實驗

本文利用chandler氣竄模擬儀[12]，開展了納米液硅水泥漿體系塑態(tài)“失重”氣竄模擬實驗。將納米液硅(加量10%)水泥漿倒入氣竄模擬裝置養(yǎng)護釜后，隨著水化進行，水泥漿逐漸進入塑態(tài)“失重”，表現(xiàn)為孔隙壓力下降，漿柱底部的氣體易向上部竄流。圖2為納米液硅水泥漿氣竄模擬實驗曲線，在水泥漿內(nèi)部孔隙壓力急劇下降過程中，采集到的氣竄量為零，氣竄模擬實驗中未見氣竄現(xiàn)象發(fā)生。

圖2 氣竄模擬曲線

1.3 納米液硅水泥漿體系固態(tài)性能

1.3.1 彈性模量

本文重點考察了納米液硅水泥漿轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)水泥石后的彈性模量、強度、滲透率等工程物性參數(shù)。表2說明納米液硅水泥石的彈性模量隨著納米液硅的加量增加而顯著降低。加量15%時，降低幅度達到了38.9%。較低彈性模量可避免各種應(yīng)力作用對水泥石本體、水泥石-套管界面、水泥石-地層界面造成破壞，預(yù)防竄流的發(fā)生。油井水泥石固化后，內(nèi)部存在大量的微裂隙、微缺陷，致使其力學(xué)性能較差。納米液硅填充在水泥石的微裂隙、微缺陷里，通過參與水化反應(yīng)，生產(chǎn)水化硅酸鈣凝膠產(chǎn)物，對水泥石內(nèi)部的微裂隙、微缺陷進行修補。

表2 水泥石彈性模量

1.3.2 抗壓強度

表3說明齡期1 d時，加量10%與15%的納米液硅水泥石抗壓強度比無納米液硅的水泥石抗壓強度分別提高了9.1%、22.7%；齡期3 d時，納米液硅水泥石強度分別提高了30%、46.7%；齡期5 d時，納米液硅水泥石抗壓強度分別提高了23.5%、38.2%；齡期7 d時，納米液硅水泥石抗壓強度分別提高28.2%、35.9%。納米二氧化硅顆粒提高水泥石抗壓強度的作用機理主要有：①增加了水泥石的致密性；②具有促凝性；③參與水化反應(yīng)，修補水泥石微裂隙。

表3 不同齡期水泥石抗壓強度

1.3.3 滲透率

滲透率大小不僅反映了水泥石的致密性，也體現(xiàn)了水泥石本體的密封能力。納米液硅的顆粒填充堵塞作用降低水泥石滲透率。無納米液硅水泥石滲透率為0.22×10-3μm2；加量10%、15%的納米液硅水泥石滲透率分別為0.05×10-3、0.007×10-3μm2，比普通水泥石的滲透率降低了77.3%、90.9%。

1.4 水泥漿收縮規(guī)律

水泥漿在水化反應(yīng)過程中存在著較高的體積收縮率，嚴重時可引起油氣井水泥環(huán)界面竄流。本文利用chandler高溫高壓膨脹收縮儀，考察了納米液硅水泥漿體系以流態(tài)、塑態(tài)、固態(tài)3種狀態(tài)存在時的收縮規(guī)律。實驗結(jié)果見表4。

表4 水泥漿水化體積收縮率 %

表4說明加入納米液硅后水泥漿體系具有更低的收縮率，0%加量納米液硅水泥漿體系的流態(tài)、塑態(tài)、固態(tài)時的水化體積收縮率分別為0.51%、1.86%、1.64%。納米液硅降低水泥漿收縮率的主要作用機理為限位支撐作用[13]，可以顯著降低水泥漿塑態(tài)和固態(tài)收縮率。加量10%的納米液硅水泥漿體系在塑態(tài)和固態(tài)水化體積收縮率分別為1.64%、0.56%，降低幅度為11.8%、65.8%；加量15%的納米液硅水泥漿體系在塑態(tài)和固態(tài)水化體積收縮率分別為1.26%、0.34%，降低幅度為32.3%、79.3%。

2 應(yīng)用情況

2.1 順北地區(qū)整體應(yīng)用情況

新疆順北油田位于塔里木盆地中西部，是中國石化在碳酸鹽巖海相石油勘探的新發(fā)現(xiàn)，平均埋藏深度超7 300 m，具有超深、超高壓、超高溫的特點。其產(chǎn)層套管固井面臨的主要難題體現(xiàn)在：①桑塔木組高壓水層，距上層套管鞋僅100 m左右，安全密度窗口僅0.03 g/cm3，極易發(fā)生水竄，應(yīng)用納米液硅防竄水泥漿體系前，水竄井比率達到了30%；②短尾管、小井眼固井，固井質(zhì)量難以保證，應(yīng)用納米液硅水泥漿體系前，該區(qū)域的固井質(zhì)量優(yōu)良率僅70.3%；③水泥石強度不足，難以滿足側(cè)鉆要求，需要多次打水泥塞施工。

截至目前，該區(qū)域產(chǎn)層套管固井累計應(yīng)用納米液硅防竄水泥漿技術(shù)153井次。應(yīng)用后成功封住桑塔木組高壓水層，應(yīng)用井中未見水竄現(xiàn)象發(fā)生，應(yīng)用井固井優(yōu)良率由70%提升至91.7%。應(yīng)用井最深順北鷹1井8 520 m。

2.2 順北1-19井168.3 mm套管固井實例

該井的構(gòu)造位置為塔里木盆地塔中北坡順托果勒低隆，屬于開發(fā)井，井型為直井。本井3開理論井眼直徑190.5 mm，井深7 294 m。下入168.3 mm套管，套管下深7 292 m。懸掛器位置6 356 m。鉆井液密度1.62 g/cm3，黏度為57 s，動切力為24 mPa·s。主要固井難點，鉆遇桑塔木組高壓含水層和輝綠巖鹽水層，地層多次發(fā)生漏失，安全密度窗口窄，易發(fā)生水竄。

本次固井采用納米液硅水泥漿體系，計算井底靜止溫度為140 ℃，水泥漿實驗溫度為130 ℃。該井固井施工時注入16 m3加重隔離液，密度1.75 g/cm3，泵壓1215 MPa；注入納米液硅防竄水泥漿16.83 m3，密度1.90 g/cm3，注入排量0.6～0.8 m3/min，泵壓1511 MPa；注壓塞液2 m3，密度為1.75 g/cm3，注入排量為0.5 m3/min，泵壓5 MPa；大泵替漿12 m3，密度為1.62 g/cm3，注入排量0.8～0.6 m3/min，泵壓5～7 MPa；注保護液2.9 m3，密度1.75 g/cm3，注入排量0.5 m3/min，泵壓5 MPa；大泵替漿43.67 m3，密度1.62 g/cm3，注入排量0.8～0.3 m3/min，碰壓，泵壓1622 MPa；檢查回流，回壓凡爾工作正常，起鉆10柱，反循環(huán)洗井1.5周，起鉆1柱。關(guān)井憋壓4 MPa侯凝48 h。

開井掃塞后，經(jīng)聲幅測井評價全井聲幅值<10%，成功封住桑塔木地層與輝綠巖鹽水層，固井質(zhì)量評定為優(yōu)質(zhì)。

3 結(jié)論

1)納米液硅水泥漿體系以流態(tài)存在時比普通水泥漿體系具有更好的基礎(chǔ)性能，冪律指數(shù)為0.69，稠度系數(shù)為0.45 Pa·sn，API失水36 mL，無自由液，無沉降現(xiàn)象。納米液硅顆粒水泥漿體系向塑態(tài)轉(zhuǎn)變時的防竄系數(shù)SPN值為1.3，比普通水泥漿體系低62.9%，靜膠凝強度由48 Pa發(fā)展至240 Pa的時間為7 min，模擬實驗中無竄流現(xiàn)象發(fā)生。

2)納米液硅加量15%，齡期7 d時的水泥石彈性模量為8.3 GPa，降低幅度38.9%，水泥石強度為53 MPa，提高幅度35.9%。齡期7 d固化體的滲透率為0.007×10-3μm2，比普通水泥石降低90.9%。納米顆粒具有限位支撐作用，納米液硅水泥漿體系轉(zhuǎn)變?yōu)樗軕B(tài)、固態(tài)后具有更低的水化收縮率，加量15%的納米液硅水泥漿體系在塑態(tài)和固態(tài)水化體積收縮率分別為1.26%、0.34%，降低幅度為32.3%、79.3%。

3)納米液硅水泥漿體系在順北油田累計應(yīng)用153井次，平均固井優(yōu)良率91.7%，主要解決了產(chǎn)層套管固井的桑塔木高壓水層與輝綠巖鹽水層竄流難題。