抗高溫低密度彈塑性水泥漿體系研究與應(yīng)用

彭金龍，李全雙

（中國(guó)石化華東工程技術(shù)分公司，江蘇揚(yáng)州225000）

1 塔河油田奧陶系固井難點(diǎn)

塔河油田位于新疆塔里木盆地沙雅隆起，奧陶系碳酸鹽巖縫洞型儲(chǔ)層埋藏垂深一般在6 000 m 以上，隨著勘探開發(fā)的深入，需要在上層套管193.7 mm內(nèi)懸掛139.7 mm 尾管封固奧陶系易漏地層，為下步快速鉆進(jìn)提供有利條件[1]。奧陶系井溫梯度（1.97～2.05）℃/100 m，井底靜止溫度150～170 ℃，縫洞發(fā)育易發(fā)生漏失、溢流等復(fù)雜情況。其固井難點(diǎn)主要體現(xiàn)在：①地層承壓能力低[2]，易發(fā)生漏失，導(dǎo)致返高不足影響封固質(zhì)量；②井深溫度高，對(duì)水泥漿性能要求高，特別是水泥石強(qiáng)度需滿足后期開發(fā)要求；③小尾管環(huán)空間隙小，理論環(huán)空間距12.7 mm，水泥環(huán)厚度薄，水泥環(huán)的密封完整性無(wú)法得到保證。針對(duì)以上難點(diǎn)，固井水泥漿應(yīng)滿足：抗高溫低密度水泥漿降低漏失風(fēng)險(xiǎn)，水泥石具有一定的韌性，保證水泥環(huán)的密封完整性。

2 低密度彈塑性水泥漿體系研究

2.1 水泥漿體系設(shè)計(jì)

針對(duì)深井低壓易漏層固井漏失風(fēng)險(xiǎn)大，薄水泥環(huán)易密封失效問(wèn)題，開展抗高溫低密度彈塑性水泥漿體系研究，一方面是優(yōu)選低密度材料，密度滿足1.25～1.50 g/cm3，低密度水泥石早期強(qiáng)度大于15 MPa/48 h；另一方面是優(yōu)選彈性材料，改善力學(xué)性能，水泥石彈性模量可小于7 GPa，要求實(shí)現(xiàn)水泥環(huán)長(zhǎng)效密封。

1）粉煤灰活性處理，增強(qiáng)水泥石早期強(qiáng)度。粉煤灰[3-4]為潛活性火山灰材料，其化學(xué)組成以SiO2和Al2O3為主，通過(guò)對(duì)粗料粉煤灰進(jìn)行粉碎、球磨、分級(jí)篩選等物理活性處理后[5]，粉煤灰圓球度明顯提高，且粒徑分布變窄，D90＜5 μm。在活性處理過(guò)程中，粉煤灰顆粒玻璃體表面致密的保護(hù)層受到破壞，內(nèi)部高活性的SiO2和Al2O3溶出，斷鍵增多，從而活性提高。與此同時(shí)，優(yōu)選的強(qiáng)堿類化學(xué)激活劑對(duì)Si-O-Si、Si-O-Al 網(wǎng)絡(luò)具有較強(qiáng)的等破壞解聚作用，可有效改善粉煤灰參與水泥水化的程度，提高水泥石早期強(qiáng)度。室內(nèi)評(píng)價(jià)了粉煤灰活性處理對(duì)水泥石強(qiáng)度的影響，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 粉煤灰活性處理對(duì)水泥石強(qiáng)度影響Table 1 Effect of fly ash active treatment on cement strength

由表1可知，粉煤灰活性處理[6]，配合強(qiáng)堿激活劑可有效增強(qiáng)水泥石早期強(qiáng)度。同等條件下，活性粉煤灰水泥石24 h 強(qiáng)度可常規(guī)粉煤灰水泥石提高46.4%。

2）國(guó)產(chǎn)高抗擠玻璃微珠，進(jìn)一步提高水泥漿綜合性能[7-8]。常規(guī)漂珠作為減輕材料時(shí)，由于其耐壓強(qiáng)度低，適用壓力低于60 MPa；而3M 高抗擠玻璃微珠雖然耐壓強(qiáng)度高，但價(jià)格昂貴。因此，室內(nèi)優(yōu)選了國(guó)產(chǎn)高抗擠玻璃微珠Y12000，其真實(shí)密度可低至0.58～0.6 g/cm3，D90≤90 μm。室內(nèi)評(píng)價(jià)了其耐壓性能見(jiàn)表2。

表2 Y12000耐壓性能評(píng)價(jià)Table 2 Pressure resistance performance evaluation for glass beads of type-Y12000

由表2 可知，在80～100 MPa 范圍內(nèi)，隨著高抗擠玻璃微珠加量增加，壓力越大，養(yǎng)護(hù)后水泥漿密度增加越多，但養(yǎng)護(hù)前后水泥漿密度差≤0.03 g/cm3，因此，可滿足100 MPa 以內(nèi)的固井要求。由于Y12000較低的加量即可顯著減低水泥漿密度，降低了水泥漿需水量，同時(shí)得益于其良好的圓球度，可改善水泥漿流變性，并與粉煤灰形成顆粒級(jí)配，提高水泥漿漿體穩(wěn)定性[9]，改善水泥漿綜合性能。

3）優(yōu)選抗高溫彈性材料，降低水泥石彈性模量。優(yōu)選抗高溫彈韌性[10-11]材料SRBS，其為“軟核硬殼”的核殼結(jié)構(gòu)，粒徑10～100 μm。該核殼結(jié)構(gòu)外層為無(wú)機(jī)活性納米材料，具有良好親水特性、巨大的比表面積和較高的水化活性；內(nèi)核為抗高溫有機(jī)彈性材料，通過(guò)化學(xué)鍵與外殼材料緊密吸附。得益于其核殼結(jié)構(gòu)，不但有利于彈性材料再水泥漿中均勻分散，有利于提高漿體穩(wěn)定性，而且可提高有機(jī)材料本身與水泥的膠結(jié)效果，從而改善水泥石力學(xué)性能。室內(nèi)評(píng)價(jià)了不同SRBS 加量下對(duì)水泥石力學(xué)性能的影響見(jiàn)表3。

由表3可知，彈性材料可顯著降低水泥石彈性模量，但一定程度上降低水泥石抗壓強(qiáng)度。綜合考慮水泥石力學(xué)性能，優(yōu)選SRBS 加量為4%～6%，既保證水泥石抗壓強(qiáng)度＞18 MPa，亦保證水泥石彈性模量＜8 GPa，提高水泥環(huán)長(zhǎng)效密封性能[12]。

表3 彈性材料加量的影響Table 3 Effect of elastic material addition

2.2 低密度彈韌性水泥漿性能評(píng)價(jià)

在粉煤灰活性處理、高抗擠玻璃微珠復(fù)配、抗高溫彈韌性材料優(yōu)選的基礎(chǔ)上，優(yōu)選配套降失水劑、緩凝劑、早強(qiáng)劑等配套外加劑，形成了低密度彈韌性水泥漿體系，基礎(chǔ)配方：G 級(jí)+（10 %～100 %）FMH+（16 %～40 %）Y12000+（6 %～8 %）膨脹劑+（5%～6%）SRBS+（17%～22%）降失水劑+1.5%早強(qiáng)劑+X%緩凝劑+1%穩(wěn)定劑+X%純水+0.1%纖維。

1）常規(guī)性能評(píng)價(jià)。室內(nèi)對(duì)低密度彈韌性水泥漿[13]常規(guī)性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)見(jiàn)表4、圖1。

表4和圖1可以看出，密度為1.50～1.25 g/cm3的高溫低密度彈韌性水泥漿體系綜合性能良好，API失水＜50 mL，流變性好，直角稠化，且水泥漿沉降穩(wěn)定性好，水泥漿上下密度差≤0.03 g/cm3，滿足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

圖1 配方3稠化曲線Fig.1 Thicken curve of formula 3

表4 低密度彈韌性水泥漿綜合性能Table 4 Comprehensive performance of low density elastic tenacity cement

2）水泥石力學(xué)性能評(píng)價(jià)?？紤]粉煤灰活性較差，水泥石強(qiáng)度發(fā)展慢且通常強(qiáng)度不高。因此，室內(nèi)評(píng)價(jià)了不同溫度下水泥石抗壓強(qiáng)度，結(jié)果見(jiàn)表5。通過(guò)超聲波強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)顯示，水泥漿靜膠凝強(qiáng)度過(guò)渡時(shí)間短，有利于防止油氣水侵。

由表5 可知，低密度彈韌性水泥石力學(xué)性能良好。水泥石抗壓強(qiáng)度發(fā)展快，48 h 抗壓強(qiáng)度大于15 MPa，彈性模量小于7 GPa，有利于改善水泥環(huán)密封完整性。超聲波強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)顯示，水泥漿靜膠凝強(qiáng)度過(guò)渡時(shí)間短，有利于防止油氣水侵。

表5 低密度彈韌性水泥石性能Table 5 Performance of cement with elastic and toughness at low density

3）水泥環(huán)密封完整性評(píng)價(jià)。水泥石力學(xué)性能優(yōu)劣直接影響水泥環(huán)長(zhǎng)效密封性，室內(nèi)利用自制水泥環(huán)密封完整性評(píng)價(jià)裝置評(píng)價(jià)了低密度彈韌性水泥石（配方3）的密封性能?？疾於噍喆螇毫有遁d后水泥環(huán)密封完整性，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 配方3水泥環(huán)交變壓力下密封性測(cè)試Fig.2 Airtightness test under alternating pressure for cement sheath of formula 3

表6 TP193井? 139.7 mm尾管固井水泥漿性能Table 6 Cement slurry performance of ? 139.7 mm drilling liner cementing in well-TP193

由圖2 可知，得益于水泥環(huán)良好的變形能力，配方3水泥環(huán)經(jīng)過(guò)多輪次壓力加卸載后密封性能良好，可滿足套管70 MPa加卸載下的密封完整性。相比于常規(guī)水泥石脆硬特性，水泥環(huán)易發(fā)生密封失效問(wèn)題，低密度彈韌性水泥石可滿足后期作業(yè)過(guò)程中井筒壓力交變載荷下水泥環(huán)密封完整性，防止井口帶壓[14-15]。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

抗高溫低密度彈塑性水泥漿體系在塔河油田中探1 井?244.5 mm 技術(shù)套管和TP193 井?139.7 mm尾管中進(jìn)行了應(yīng)用，效果良好。

以TP193 井為例。TP193 是位于塔河油田阿克庫(kù)勒凸起西南斜坡構(gòu)造的一口開發(fā)井，該井一開?346.1 mm 鉆頭鉆至1 206 m，?273.1 mm 表層套管下深1 205.53 m；二開?250.88 mm鉆頭鉆至6 509 m，?193.7 mm 技套管下深6 507.71 m；三開采用?165.1 mm 鉆頭鉆至7 148 m，?139.7 mm 油層尾管下深7 144.34 m，懸掛器位置6 451～6 454.67 m；三開地層鉆遇奧陶系一間房組和鷹山組，鉆進(jìn)過(guò)程中發(fā)生多次漏失，累積漏失泥漿約550 m3；實(shí)測(cè)井底靜止溫度155 ℃，該井6 507～6 741 m平均井徑167.9 mm，井徑擴(kuò)大率1.7%；6 741～7 145 m平均井徑201.85 mm，井徑擴(kuò)大率22.2%，大肚子井眼嚴(yán)重。該井使用抗高溫1.50g/cm3低密度彈塑性水泥漿體系，體系性能見(jiàn)表6?，F(xiàn)場(chǎng)注沖洗液4 m3，密度1.02 g/cm3；注隔離液6 m3，密度1.40 g/cm3；注水泥漿15 m3，密度1.50 g/cm3；注壓塞液2 m3，密度1.02 g/cm3；共替漿37.1 m3，密度1.35 g/cm3；替漿到量碰壓12↗16 MPa。放回水正常，起鉆至井口開井候凝48 h。

候凝48 h后測(cè)固井質(zhì)量，全井優(yōu)良率85.7%，套管試壓20 MPa，穩(wěn)壓30 min，壓降0.2 MPa，滿足固井設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了奧陶系易漏地層小間隙尾管的有效封固。

4 結(jié)論

1）粉煤灰經(jīng)活性處理與分級(jí)篩選后，自身活性增強(qiáng)且圓球度提高，有利于提高水泥石早期強(qiáng)度與水泥漿穩(wěn)定性；與高抗擠玻璃微珠顆粒級(jí)配可顯著降低需水量，增強(qiáng)低密度水泥石致密性與抗壓強(qiáng)度；抗高溫彈性材料可改善水泥石脆性，增強(qiáng)水泥石韌性，三者綜合作用顯著改善低密度水泥石力學(xué)性能。

2）研發(fā)抗高溫低密度彈塑性水泥漿體系綜合性能優(yōu)良，其體系能夠適用井溫150 ℃以上、低密度范圍1.25～1.50 g/cm3，水泥石抗壓強(qiáng)度大于15 MPa/48 h，彈性模量可小于7 GPa，水泥環(huán)在70 MPa交變應(yīng)力作用下的密封完整性良好。

3）針對(duì)低壓易漏地層，還需進(jìn)一步增強(qiáng)水泥漿防漏堵漏效果研究，保證低壓易漏層段水泥環(huán)有效封固，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)效密封。