一種低密度水泥復合堵漏劑的研制與應用

韓婧

中石化華北石油工程有限公司 技術服務公司（河南 鄭州 450006）

鄂爾多斯盆地劉家溝組地層承壓能力低（當量密度1.20 g/cm3），裂縫發(fā)育，以水平界面縫和鉆井誘導縫為主，裂縫寬度3～10mm。當鉆井至劉家溝地層位時，80%的井會發(fā)生井漏，漏速5～100m3/h不等。采用常規(guī)鉆井液材料進行堵漏效果不理想,承壓不夠,大部分井往往在后期固井時再次發(fā)生漏失,造成水泥漿返高不夠,滿足不了固井要求。傳統(tǒng)水泥漿堵漏后形成的水泥石體積收縮，遺留漏失通道；常規(guī)低密度水泥漿體系流動性好，難以駐留在漏層內(nèi)，適用裂縫寬度范圍較窄；水泥堵漏施工過程中水泥漿和鉆井液發(fā)生接觸污染，導致鉆井液切力增高，黏度增大，失水增大，頻繁的堵漏作業(yè)容易誘發(fā)井下其他復雜情況。因此，本文通過優(yōu)選多種固相顆粒，以架橋封堵為指導，研發(fā)了低密度水泥復合堵漏劑，該體系在杭錦旗區(qū)塊應用于2口井劉家溝組堵漏，塞后承壓能力增高，且不會影響鉆井液性能。

1 低密度水泥復合堵漏劑配方設計

東勝氣田劉家溝組中下部地層漏失的成因機理主要是斷層、破碎區(qū)帶、縱橫向天然微裂縫、層理發(fā)育、巖性膠結性較差、結構力薄弱條件所致的問題，從提高堵漏材料與地層膠結性及自身膠結性出發(fā)，堵漏液應具有流動性差、黏合力強、掛壁性好、強度適中的特性。劉家溝組深度2200m左右，地溫梯度2.73 ℃/100m，設計鉆井液密度1.10 g/cm3左右，通過地溫梯度和壓力公式計算及現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)綜合分析得出實驗條件為60℃、25MPa。結合地層承壓能力（當量密度1.20 ～1.30 g/cm3）、鉆井液密度1.12 g/cm3左右，綜合考慮，設計堵漏液密度為1.38 ～1.43 g/cm3。

1.1 固相顆粒優(yōu)選

常規(guī)水泥堵漏液中水泥成分會與鉆井液中的膨潤土發(fā)生離子交換吸附，造成鉆井液性能急劇變化。本文提供的低密度水泥復合堵漏劑在保證固化體強度的同時最大限度減少水泥用量。根據(jù)堵漏液的設計密度，優(yōu)選自身密度較小的固相材料。結合緊密堆積理論“采用顆粒尺寸相差4～5倍的多組分緊密堆積時效果顯著”的指導原則[1]，優(yōu)選了水泥、粉煤灰、漂珠、微硅作為堵漏液體系的基礎固相材料。其中，漂珠粒徑范圍26.716 ～475.067 μm（95%），作為第一級填充；微硅粒徑范圍0.312～8.499 μm（95%），作為第三級填充；水泥和粉煤灰粒徑范圍處于漂珠和微硅之間，作為第二級填充。

1.2 固相顆粒配比設計

結合堵漏液密度在1.40 g/cm3左右，以最大限度降低水泥組分、適當減少漂珠加量為設計原則，通過理論計算各組分的合適加量范圍，不斷增加粉煤灰和微硅含量，通過測量漿體抗壓強度、穩(wěn)定性、流動度綜合優(yōu)選顆粒配比，實現(xiàn)低密度水泥復合堵漏劑中水泥含量少、密度小、強度適中的目的。

由表1可看出，隨著粉煤灰替代水泥的比例增大，固化體的強度變低，水泥含量占總固相質(zhì)量比的30%時，固化體的24h抗壓強度1MPa左右；固化體強度及發(fā)展速率很大程度上決定了堵漏作業(yè)成功與否，水泥含量最低占總固相質(zhì)量比的30%。配方4、7和配方5、8對比可知，加入少量比例的漂珠后，固相顆粒之間的堆積率更密實，固化體強度增大。綜上，優(yōu)選5#作為固相顆粒配比。

表1 不同固相材料配比下的漿體性能

2 低密度水泥復合堵漏劑性能優(yōu)化

2.1 早期強度提升

堵漏作業(yè)對于施工時效要求較高，根據(jù)堵漏要求候凝12h即探塞，做承壓試驗，繼續(xù)下步鉆井作業(yè)[2]。為節(jié)省鉆時，減少因鉆井漏失引起的停待時間，通過提高堵漏液的早期強度，縮短堵漏候凝時間。水泥石抗壓強度大于1MPa后，水泥石已完全凝固，綜合考慮設計堵漏液早期強度大于2MPa。本文設計的堵漏液體系中水泥含量較少，膠凝比例較低，且粉煤灰活性較低，其自身的玻璃體解聚能力較弱，要發(fā)揮水化活性必須借助外力破壞玻璃體釋放活性物質(zhì)，強度發(fā)展緩慢[3]。

分別采用無機鹽類早強劑A、復合早強劑B兩種早強劑加入到低密度堵漏液中，加量設計為3%，其他固相顆粒配比為水泥加量40%、微硅加量20%、粉煤灰加量30%、漂珠加量10%，另外優(yōu)選一種低密度增強劑B，加量為5%。70℃常壓條件下分別養(yǎng)護8h、12h、24h后測試抗壓強度，結果如圖1所示。兩種早強劑均在一定程度上提高了低密度水泥堵漏漿的24h抗壓強度，早強劑B的效果優(yōu)于A，且摻入早強劑B的低密度水泥堵漏漿的12h抗壓強度可達到2.5 MPa,可實現(xiàn)迅速固化漏層，提高封堵能力，達到堵漏作業(yè)候凝時間短的目的。

圖1 早強劑A、B對低密度水泥堵漏漿早期強度發(fā)展的影響

2.2 觸變性和流動性

堵漏液具備良好的流變性是現(xiàn)場順利配制、安全泵注的前提，同時，堵漏液應具有一定的觸變性，增加堵漏漿在漏層流動阻力。為提高堵漏液進入堵漏層能夠?qū)崿F(xiàn)“流不動、站得住”，通過摻入適量提黏物質(zhì)聚丙烯酰胺鉀鹽，攪動可恢復流動性，靜止可快速初凝。同時，通過調(diào)整液固比和加入適量分散劑調(diào)整堵漏液的流變性，可滿足堵漏液的n值大于0.7 ，k值小于0.5 ，漿體流動性較好，堵漏液配方1#為：40%水泥+30%粉煤灰+10%漂珠+20%微硅+5%復合早強劑B，具體數(shù)據(jù)見表2。

表2 流變性能優(yōu)化數(shù)據(jù)

2.3 裂縫封堵性

普通水泥漿在凝固后，具有一定體積收縮性，水泥漿進入漏層凝固后發(fā)生體積收縮(表3)，將遺留漏失通道，增大復漏概率[4-5]。本文通過添加適量的晶格膨脹劑，產(chǎn)生微膨脹，補償水泥石的體積收縮，壓縮水泥石孔隙并改善孔分布。同時，本文設計的堵漏液體系中水泥含量較小，并含有適量粉煤灰，粉煤灰干縮性較小。通過室內(nèi)實驗，加入2%膨脹劑XJP-1后，堵漏液固化體的收縮率僅為2.85%，普通水泥石的收縮率為18.65%。通過固化體微膨脹特性，實現(xiàn)堵漏漿在漏層中凝結后完全封堵漏層，避免固化體體積收縮遺留漏失通道。

表3 膨脹劑對水泥石體積收縮率的影響

基于架橋封堵原理，當橋堵材料的尺寸為裂縫寬度的2/3時，可穩(wěn)定架橋于裂縫之間；橋堵材料的尺寸為裂縫寬度的1/3時，可深入裂縫內(nèi)部，堆積形成橋塞。這兩種材料相結合能有效而牢固地封堵裂縫孔隙[6]。本文以1～10mm裂縫性漏失地層為堵漏目標，選用3mm和6mm的線性纖維以一定比例復合，摻入低密度堵漏漿中，纖維加量1%～3%。通過裂縫模擬裝置評價裂縫封堵效果，優(yōu)選線性纖維復合比例及加量。得出測試數(shù)據(jù)見表4，根據(jù)測試數(shù)據(jù)，優(yōu)選3mm線性材料摻量1%，6mm纖維加量2%。

表4 不同堵漏材料的封堵性能測試數(shù)據(jù)

2.4 凝結時間

根據(jù)不同地層條件和施工時間需求，通過添加適量緩凝劑延長堵漏液凝固時間，保證安全施工，本文以東勝氣田劉家組的實驗條件進行實驗。劉家溝組深度2200m左右，地溫梯度2.73 ℃/100m，通過地溫梯度和壓力公式計算及現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)綜合分析得出實驗條件為70℃、25MPa。結合漏層位置及堵漏工藝，通過加入適量緩凝劑，滿足堵漏液稠化時間在180～200min（稠化曲線如圖2），實現(xiàn)堵漏液進入漏層即時凝結，有效封固漏層。堵漏液配方為40%水泥+30%粉煤灰+10%漂珠+20%微硅+5%早強劑B+95%水+2%降失水劑+0.1%分散劑+2%XJP-1+0.05%緩凝劑。

圖2 低密度水泥復合堵漏劑的稠化性能曲線

3 低密度水泥復合堵漏劑現(xiàn)場應用

3.1 在J44井堵漏應用

J44井二開鉆頭222.3 mm，鉆進至2550m時發(fā)生失返性漏失，漏失層位為劉家溝組，鉆井液密度1.10 g/cm3。設計在2400～2550m打堵漏水泥塞封固劉家溝組，為后續(xù)鉆進及固井提供良好條件。堵漏作業(yè)前，起鉆更換鉆具組合，采用光鉆桿進行專程堵漏，鉆具下放至易漏層頂部以上15～30m，按照封堵井段容積和預計漏失量計算泵注堵漏漿量，泵注排量控制在1m3/min左右。

堵漏施工流程：注入前置液2.0 m3；注入低密度水泥復合堵漏劑15.0 m3；平均密度1.38 g/cm3；泵壓4.0 MPa，排量1.0 m3/min；注入后置液（清水）1.0 m3；替鉆井液17.7 m3；泵壓升至2.9 MPa，排量1.4 m3/min，到量停泵；施工過程中全程失返，全起鉆具。堵漏施工結束后，候凝10～12h，下鉆探塞，探的塞頂位于2507m，塞段2507～2550m，判斷漏失點為2550m。下鉆過程中無漏失，探到塞面后循環(huán)泥漿，泥漿性能無明顯變化（堵漏前后鉆井液性能見表5），掃塞后恢復鉆進，鉆進至2809m中完，過程中此井段沒再發(fā)生漏失。

表5 J44井堵漏施工前后鉆井液性能測試數(shù)據(jù)

3.2 在J59井堵漏應用

J59井二開鉆頭222.3 mm，鉆井液密度1.17 g/cm3，劉家溝組位置2400～2700m，鉆進2992m時，發(fā)生漏失；起鉆至2700m，排量18L/s測漏速，平均漏速23.4 m3/h。設計在2500～2700m打堵漏水泥塞封固漏失層，為后續(xù)鉆進及固井提供良好條件。

堵漏施工流程：注入前置液3.0 m3；注入低密度水泥復合堵漏劑18.0 m3；平均密度1.36 g/cm3；泵壓5.5 MPa，排量0.8 m3/min；注入后置液（清水）1.0 m3；替鉆井液17.3 m3；泵壓升至9MPa，排量1.8 m3/min，到量停泵；起鉆17柱至安全位置，頂通水眼4m3，因施工期間漏失量較大，全起鉆具。堵漏施工結束后，候凝10～12h，下鉆探塞，下鉆至2680m處掃塞結束，判斷漏失點為2680m。下鉆過程中井內(nèi)正常無漏失，復鉆前泥漿性能無明顯變化（堵漏前后鉆井液性能見表6），掃塞后恢復鉆進，直至3498m，鉆進過程中井內(nèi)正常無漏失，達到堵漏效果。

表6 J59井堵漏施工前后鉆井液性能測試數(shù)據(jù)

4 結論

1）采用粉煤灰、水泥等固相顆粒與線性材料復合開發(fā)的低密度水泥復合堵漏劑，主要作用機理是通過纖維等線性進入漏層后搭橋成網(wǎng)，固相顆粒駐留充填，漿體固結微膨脹封堵漏失通道；通過室內(nèi)試驗，該堵漏劑能實現(xiàn)封堵1～6mm鉆井裂縫性漏失，能夠及時控制鉆井失返性漏失，對于油田開發(fā)降本增效具有重要意義。

2）該體系水泥含量較低、粉煤灰含量較高，粉煤灰價格低廉；漂珠成本稍高于微硅、粉煤灰，加量較小，起到降低密度、結構填充作用；整體體系成本滿足低成本戰(zhàn)略需求，具有較高的推廣應用價值。水泥含量低，對鉆井液性能影響較小，堵漏后不需要治理鉆井液性能，縮短井漏停待時間。

3）通過合理的顆粒配比和早強劑優(yōu)選，能夠加速低水泥比的復合堵漏劑早強強度發(fā)展速率，縮短堵漏候凝時間。