肖 堯,閆振峰,李劍華

(中國(guó)石油渤海鉆探工程有限公司第二固井分公司,天津大港 300280)

趙東區(qū)塊地處河北省黃驊市趙家堡村以東5 m水深線以內(nèi)的灘海一極淺海地區(qū),區(qū)域構(gòu)造位于歧口凹陷和埕寧隆起的交界處。開(kāi)發(fā)區(qū)塊屬于埕北斷階區(qū)羊二莊趙家堡斷裂帶,斷層發(fā)育,長(zhǎng)期發(fā)育的趙北斷層、羊二莊斷層既是分界斷層,同時(shí)又和不整合面形成了油氣運(yùn)移的通道,在斷層兩側(cè)和不整合區(qū)形成油氣藏,該構(gòu)造具備形成多層系復(fù)合油氣藏的優(yōu)越條件。油層縱向上分布在第三系明化鎮(zhèn)組、館陶組、沙河街組,侏羅系和二疊系,含油井段長(zhǎng),油層埋深主要在為990～1 985 m,趙東油田的主力油層為明化鎮(zhèn)組和館陶組,埋深990～1 955 m。

平臺(tái)自2003年投產(chǎn)以來(lái),實(shí)現(xiàn)了10年百萬(wàn)噸穩(wěn)產(chǎn)的歷程,經(jīng)歷了“遞減快、資源枯竭”等重重考驗(yàn)。該地區(qū)目前采用大斜度、大位移井開(kāi)發(fā),且海上平臺(tái)存在井口槽少、井眼密度大、地質(zhì)目標(biāo)匹配難以及特高含水期高效井位優(yōu)選難等困難,固井施工難度大,主要存在以下技術(shù)難點(diǎn)[1-3]:①該地區(qū)采用大斜度、大位移井開(kāi)發(fā)時(shí),易導(dǎo)致套管偏心和下入困難,且易垮塌,引起縮徑或埋套管等事故;②長(zhǎng)期注水開(kāi)發(fā),改變了地層的原有特性,形成多套壓力層系,鉆進(jìn)過(guò)程中常出現(xiàn)井涌、井漏等復(fù)雜情況,因此防竄和防漏問(wèn)題同時(shí)存在[4-5];③地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、斷層發(fā)育導(dǎo)致鉆進(jìn)過(guò)程中容易發(fā)生井漏、井塌等事故,建設(shè)方要求使用1.50 g/cm3低密度水泥漿體系,溫度為50 ℃條件下24 h水泥漿抗壓強(qiáng)度不小于15 MPa;④大斜度、大位移井型要求低密度水泥漿失水量低、沉降穩(wěn)定性好和游離液為零[6]。

1 納米基低密高強(qiáng)水泥漿體系研究

1.1 納米減輕增強(qiáng)材料制備

針對(duì)趙東海上平臺(tái)存在的尾管固井大斜度、大位移、易漏失等固井難題,解決低密度水泥漿24 h強(qiáng)度發(fā)展慢等問(wèn)題,室內(nèi)優(yōu)選了四種主料[6-8]:①粒徑為50.00～70.00 μm、密度為0.3～0.6 g/cm3的減輕材料;②粒徑為0.02～0.07 μm、密度為1.1 g/cm3的納米材料;③粒徑為5.00～20.00 μm、密度為2.8 g/cm3礦物增強(qiáng)材料;④粒徑為0.50～5.00 μm、密度為2.2 g/cm3的微硅(圖1)。通過(guò)顆粒級(jí)配原理,復(fù)配出一種新型減輕增強(qiáng)劑BH-LW603S,密度0.7～0.9 g/cm3。

圖1 材料粒徑分布

1.2 減輕增強(qiáng)劑BH-LW603S對(duì)水泥漿性能影響

為了探究減輕增強(qiáng)劑BH-LW603S對(duì)水泥漿性能的影響,在相同條件下,對(duì)不同納米減輕材料加量的低密度水泥漿體系的穩(wěn)定性、游離液、抗壓強(qiáng)度、靜膠凝強(qiáng)度、耐壓性能及稠化性能進(jìn)行了室內(nèi)測(cè)試。測(cè)試水泥漿配方為:G級(jí)水泥+BH-LW603S+降失水劑+消泡劑+水+緩凝劑,密度為1.50 g/cm3。

1.2.1 穩(wěn)定性和游離液性能

水泥漿體系穩(wěn)定性差,易堵塞環(huán)空通道,游離液在上部貼近井壁處形成一條水帶,造成油氣竄流,影響固井施工安全及質(zhì)量,因此,必須保證穩(wěn)定性好和無(wú)游離液存在。對(duì)相同溫度、不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)減輕材料下的水泥漿的沉降穩(wěn)定性、游離液和稠化性能進(jìn)行了評(píng)價(jià),評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 納米減輕材料對(duì)水泥漿體系游離液、沉降穩(wěn)定性及稠化性能影響結(jié)果

評(píng)價(jià)方法:將制備好的水泥漿使用常壓稠化儀,在室溫條件下攪拌升溫至養(yǎng)護(hù)溫度60 ℃,繼續(xù)攪拌20 min,然后將養(yǎng)護(hù)好的漿體分別倒入250 mL和500 mL的量筒中,在60 ℃的常壓養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)靜置2 h;取出250 mL量筒上部析出的水分并進(jìn)行測(cè)量,再測(cè)量500 mL量筒上部和下部的密度。游離液=析出量/250×100%,沉降穩(wěn)定性為下步密度和上部密度的差值。

由表1可知,未加入納米減輕材料的水泥漿量筒內(nèi)有游離液,漿體出現(xiàn)沉降,加入納米減輕材料后,漿體逐漸穩(wěn)定,隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大,水泥漿體系的游離液、沉降穩(wěn)定性也越來(lái)越好,說(shuō)明該納米材料的粒徑特性和表面特性懸浮效果良好,保障了漿體的持續(xù)穩(wěn)定性。同時(shí),隨著材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,水泥漿體系的初始稠度變大,稠化時(shí)間縮短,表明該材料對(duì)水泥漿體系具有一定的促凝作用。

1.2.2 抗壓及耐壓性能

水泥石的抗壓強(qiáng)度是評(píng)價(jià)膠結(jié)質(zhì)量好壞的重要指標(biāo),關(guān)系著固井質(zhì)量與油氣井開(kāi)采,目前低密度水泥漿體系的水泥石24 h抗壓強(qiáng)度普遍低于14 MPa,隨著空心玻璃微珠的研發(fā)[9],低密度水泥石強(qiáng)度得到較大提高,但玻璃微珠低密度體系耐壓性能較差,破珠后易導(dǎo)致水泥漿體系性能不穩(wěn)定。

納米基材料的高反應(yīng)活性使水泥石抗壓強(qiáng)度大幅提升,且由顆粒級(jí)配構(gòu)建的材料耐壓性能也是其水泥漿性能的一大特點(diǎn),通過(guò)引入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米基減輕材料探究其對(duì)強(qiáng)度的影響。固井業(yè)內(nèi)通用測(cè)試耐壓性能的方法即在60.0 MPa壓力條件下,養(yǎng)護(hù)30 min后測(cè)得的水泥漿密度與加壓前測(cè)得的水泥漿密度的差值不大于0.03 g/cm3時(shí),判定其具有較好的耐壓性能。

耐壓性能測(cè)試方法:測(cè)量制備好的水泥漿的密度,將其倒入高溫高壓稠化儀中,依照設(shè)計(jì)方案,將壓力升至60.0 MPa后攪拌30 min,然后停機(jī),取出水泥漿并測(cè)量養(yǎng)護(hù)后的水泥漿的密度。耐壓性能等于養(yǎng)護(hù)后水泥漿的密度與養(yǎng)護(hù)前水泥漿的密度差值。對(duì)不同溫度、不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)減輕材料下的水泥漿的水泥石強(qiáng)度和耐壓性能進(jìn)行評(píng)價(jià),由表2可以看出,在相同溫度條件下,納米減輕材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于30%時(shí),水泥石強(qiáng)度有逐漸變大的趨勢(shì),加量在25%～30%時(shí),強(qiáng)度值最大;隨著納米減輕材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,水泥漿體系的耐壓性能逐漸變差,但在60 MPa壓力作用下,最大密度差為0.03 g/cm3,耐壓性能較好。

表2 納米減輕材料對(duì)水泥石抗壓強(qiáng)度和水泥漿耐壓性能影響結(jié)果

1.2.3 防竄性能

水泥漿的防竄性能主要取決于水泥漿由液體狀態(tài)轉(zhuǎn)化為固體狀態(tài)時(shí)過(guò)渡時(shí)間的長(zhǎng)短以及水泥漿空隙壓力下降速率的大小。其中,水泥漿由液到固的過(guò)渡過(guò)程通過(guò)水泥漿靜膠凝強(qiáng)度發(fā)展速率來(lái)測(cè)定。水泥漿空隙壓力下降的主要原因是水泥漿體系向地層失水,其大小采用水泥漿失水速率作為主要指標(biāo)進(jìn)行判定。通過(guò)考察水泥漿的失水速率和靜膠凝過(guò)渡時(shí)間,評(píng)價(jià)水泥漿的防竄性能與減輕材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系,失水速率值小于3時(shí),表示水泥漿體系防竄性能好。由表3可知,加入納米減輕材料后的水泥漿的靜膠凝強(qiáng)度過(guò)渡時(shí)間小于40 min,質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到20%以上時(shí),失水速率值小于3,因此納米減輕材料可大幅提升水泥漿體系的防竄性能。

表3 納米減輕材料對(duì)水泥漿性能影響結(jié)果

2 水泥漿性能綜合評(píng)價(jià)

通過(guò)對(duì)1.50 g/cm3低密高強(qiáng)水泥漿體系進(jìn)行調(diào)配,以及該新型減輕材料對(duì)水泥漿性能的影響,通過(guò)對(duì)其質(zhì)量分?jǐn)?shù)的研究,構(gòu)建了1.30～1.60 g/cm3的系列低密高強(qiáng)水泥漿體系,分別是:

1.30 g/cm3配方為:G級(jí)水泥+60%BH-LW603S+5%降失水劑+0.2%消泡劑+水+緩凝劑;

1.40 g/cm3配方為:G級(jí)水泥+40%BH-LW603S+5% 降失水劑+0.2%消泡劑+水+緩凝劑;

1.50 g/cm3配方為:G級(jí)水泥+25%BH-LW603S+5%降失水劑+0.2%消泡劑+水+緩凝劑;

1.60 g/cm3配方為:G級(jí)水泥+10%BH-LW603S+5%降失水劑++0.2%消泡劑+水+緩凝劑。

室內(nèi)進(jìn)行了不同密度下的低密高強(qiáng)水泥漿體系的綜合性能評(píng)價(jià),由表4可知,1.30～1.60 g/cm3的低密高強(qiáng)水泥漿體系,在溫度為30～120 ℃范圍內(nèi),水泥漿的耐壓性能好,沉降穩(wěn)定性良好,均控制在0.03 g/cm3以內(nèi),24 h抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)(7 MPa/24 h),尤其1.50 g/cm3水泥漿體系24 h抗壓強(qiáng)度值達(dá)18.1 MPa,滿足趙東平臺(tái)固井要求。

表4 納米基低密高強(qiáng)水泥漿體系綜合性能

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

納米基低密高強(qiáng)水泥漿體系在趙東油田CP2N-C4平臺(tái)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用,實(shí)驗(yàn)井為老井眼開(kāi)窗側(cè)鉆井,井斜角高達(dá)86.5°,且多處狗腿度大,套管不易居中,封固段長(zhǎng)達(dá)1 170.54 m,井底循環(huán)溫度為50 ℃,存在漏失風(fēng)險(xiǎn)。設(shè)計(jì)水泥漿時(shí),采用了低密度單凝高強(qiáng)防漏水泥漿技術(shù),可以有效封固,防止油氣、水竄,確保地層壓力平衡,提高了長(zhǎng)水平段的固井質(zhì)量。低密高強(qiáng)水泥漿要求:密度1.50 g/cm3,24 h抗壓強(qiáng)度值高于15.00 MPa,稠化時(shí)間180～200 min,靜態(tài)濾失量小于50 mL。

現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)采用納米基低密高強(qiáng)水泥漿單凝漿柱固井技術(shù),密度為1.50 g/cm3,水泥漿失水量為40 mL,稠化時(shí)間為194 min(圖2),失水速率2.39,游離液量為0,24 h抗壓強(qiáng)度高達(dá)18.17 MPa,靜膠凝強(qiáng)度過(guò)渡時(shí)間22 min。

圖2 水泥漿稠化曲線

為有效提高套管居中度,井深為1 400～1 900 m處,對(duì)每根套管下入一只半剛性扶正器;井深為780～1 400 m處,對(duì)每三根套管下入一只半剛性扶正器;懸掛器至井深780 m處,對(duì)每根套管下入一只半剛性扶正器;套管到底后,先用小排量頂通正常后,再用大排量1.3 m3/min循環(huán)洗井兩周,有效沖洗井眼,座掛懸掛器后循環(huán)一個(gè)內(nèi)容積,確保管內(nèi)暢通。施工過(guò)程中,鉆井泵注入隔離液8 m3,排量0.6～1.0 m3/min,壓力5.5 MPa;再使用固井泵注入沖洗液6 m3,排量0.6～0.9 m3/min,壓力2.5～6.5 MPa;之后,使用固井泵注入水泥漿38 m3,排量0.5～1.0 m3/min,壓力1.0～7.0 MPa,水泥漿密度平穩(wěn),施工曲線見(jiàn)圖3,固井質(zhì)量為優(yōu)質(zhì)。

圖3 固井施工曲線

該體系在趙東CP2N-C4平臺(tái)首口復(fù)雜井成功應(yīng)用,并獲得外方監(jiān)督認(rèn)可。截至目前,采用納米基低密高強(qiáng)水泥漿體系完成固井施工共14井次,其中優(yōu)質(zhì)11井次,取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

1)研制出納米減輕材料BH-LW603S,水泥石抗壓強(qiáng)度發(fā)展快,24 h抗壓強(qiáng)度值可達(dá)18 MPa,耐壓性能好,能夠在高壓下保持水泥漿性能穩(wěn)定,可通過(guò)調(diào)整其質(zhì)量分?jǐn)?shù)及水灰比來(lái)控制水泥漿的密度,復(fù)配出密度在1.30～1.60 g/cm3的納米基低密高強(qiáng)水泥漿體系。

2)室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明,納米基低密高強(qiáng)水泥漿體系漿體性能穩(wěn)定,抗壓強(qiáng)度高、沉降穩(wěn)定性均小于0.03 g/cm3,靜膠凝強(qiáng)度過(guò)渡時(shí)間短,失水速率值小于3,能夠滿足固井對(duì)低密度水泥漿體系24 h抗壓強(qiáng)度高、發(fā)展快的要求。

3)納米基低密高強(qiáng)水泥漿體系在趙東油田CP2N-C4平臺(tái)成功應(yīng)用,為國(guó)內(nèi)其他油氣田類似區(qū)塊或類似井應(yīng)用低密高強(qiáng)水泥漿體系提供了技術(shù)支持。