松南地区低密度水泥浆体系的研究与应用

马 艳 超

（中石化东北油气分公司工程技术研究院，吉林 长春 130062）

松南地区低密度水泥浆体系的研究与应用

马 艳 超

（中石化东北油气分公司工程技术研究院，吉林 长春 130062）

松南地区地层破裂压力梯度较低，井底循环温度较低，油气层分布十分广泛，注水泥后易造成漏失，发生环空气窜等问题，给固井施工带来了很大的困难，严重影响了固井质量。为解决这些问题，研究并应用了漂珠-微硅低密度水泥浆体系，该体系具有低失水、流变性能好、稠化过渡时间短、抗压强度高等优点，能够满足松南地区固井要求。

松南地区；固井；低密度水泥浆；井漏；防气窜

松南地区地层破裂压力梯度较低，一般在1.7～2.2 MPa/100 m，且裂隙发育，在固井过程中易造成漏失；井底循环温度较低，油气层分布十分广泛，注水泥后易发生环空气窜[1]，这些问题都给固井施工带来了很大的困难，要求固井水泥浆在较低密度的情况下具有良好早期强度、防气窜等性能。针对这种情况，确定采用漂珠-微硅低密度水泥浆体系，该体系具有低失水、强度高、放窜性能好等优点，能够满足松南地区固井需要。

1 低密度水泥浆体系组成

1.1 设计原则

应用颗粒级配原理和紧密堆积理论，优选了取材广、价格低的漂珠和微硅复合低密度材料来降低水泥浆密度，通过不同颗粒进行合理的搭配，提高水泥浆和水泥石的性能。漂珠颗粒密度只有 0.7 g/cm2左右，颗粒直径大(平均粒径 150～250 μm)，与水泥混合时用水少，降低水泥浆密度的效率高，漂珠在水泥浆中会产生大于自身重力的浮力而上浮，使水泥浆体系易失稳产生分层，固井时造成封固段上部封固不良[2]。微硅的平均颗粒直径为0.15 μm，远比水泥和漂珠小，所以微硅比表面积很大(15～25 m2/g)，与水泥混合时需要大量的水来润湿微硅表面，从而降低水泥浆的密度。微硅低密度水泥稳定性好，但过大的需水量影响水泥浆强度的发展，对水灰比的敏感性较强，因而微硅低密度水泥的加量与降低密度效率也受到限制[3]。漂珠微硅复合水泥体系利用微硅稳定性好的优点来弥补漂珠易漂浮的缺陷，使水泥浆体系均匀稳定；利用漂珠对水依赖性小的特点，减少微硅对水的敏感性，降低水泥体系的水灰比，有效地降低水泥浆密度，提高水泥体系的综合性能[4]。

该低密度水泥浆体系的外加剂主要有缓凝剂、降失水剂、早强剂、分散剂等。

采用敏感性小的有机磷酸盐缓凝剂，克服了缓凝剂加量微小变化就很大程度改变水泥浆稠化时间的弊端，该缓凝剂受温度和水泥的影响小，对水泥后期强度的发展无不良影响。

采用化学交联、聚合处理的高分子非渗透降失水剂，可在水泥浆中控制其交联形态和聚合分子，发生络合反应形成络合结构，进而形成连续的凝胶结构（非渗透薄膜）。此膜可以迅速减低水泥浆滤失渗透率和失水量，在水泥胶凝过渡期，由于非渗透膜的作用，增加了气层气体侵入水泥浆内的运移阻力，此时，虽然水泥浆失重仍然存在，但是随着非渗透剂交联作用的增强，气体在水泥浆运移阻力也在加大，保证了环空静压力和气体在环空中的流动阻力之和大于气层压力，不会发生环空气窜，具有良好的防气窜性能。

2 低密度水泥浆体系性能特点

漂珠-微硅低密度水泥浆体系具有良好的综合性能(见表1)，该水泥浆体系能够达到较低的密度，在不同温度的实验条件下，水泥浆的的流型指数 n值大于0.75，该水泥浆体系具有良好的流变性，有利于在低泵压、低排量条件下实现水泥浆紊流顶替。各项性能指标均能满足现场固井施工要求。

表1 低密度水泥浆体系综合性能Table 1 Comprehensive properties of low density cement slurry

2.1 失水性能

水泥浆失水特性是衡量其防气窜能力和抗污染能力的重要指标。该降失水剂能有效地控制水泥浆向渗透性地层滤失，API失水非常低，且该水泥浆体系具有良好的强度发展，满足了漏失及长封固段固井要求。

2.2 稠化过渡时间

传统的珩磨轮是由树脂结合剂和陶瓷磨料混合烧制而成的，赫美斯公司以PROFINE系列命名这类珩磨轮（图3）。然而，最新一代的直接传动的珩齿设备，使得采用陶瓷结合剂的珩磨轮成为可能。这一工艺，被称为“强力珩齿”，其使高效率地精密加工硬齿面齿轮成为可能。为了实现这一目标，赫美斯公司与相关大学机构以及机床设备制造商共同合作，开发出了CERFINE系列产品。

水泥浆在液态时能够传递液柱压力，在过平衡液柱压力作用下，气体不能窜入环空，而水泥浆稠化以后形成的胶结力已经能抵御气体的入侵，因此如何缩短稠化过渡时间（水泥浆稠度从30Bc～100Bc时间）是防止环空气窜的一个关键指标。

该水泥浆体系稠化时间易调，能满足现场固井施工的要求；稠化过渡时间短，＜10 min，基本呈直角稠化，有利于防止环空流体窜槽，从而提高水泥环胶结质量。

2.3 防气窜性能

水泥浆稠化过渡时间与水泥浆失水速率综合考虑为水泥浆性能系数（SPN）[5]，具体表达式为：

式中：SPN—水泥浆性能系数，无因次；

FLAPI—水泥浆API失水，mL；

t100Bc—水泥浆稠度为100Bc时间，min；

t30Bc—水泥浆稠度为30Bc时间，min。

SPN是评价水泥浆防气窜性能的参数，反映了水泥浆失水量及水泥浆凝固过程阻力变化系数对防气窜的影响，SPN值评价标准：0≤SPN≤3（防气窜效果好）；36（防气窜效果差）。

该水泥浆体系早期强度发展快，其水泥石 24 h抗压强度均在14 MPa以上；且具有低失水、稠化过渡时间短的特点，因而其SPN值也小，说明具有较好的防气窜能力，有利于防止环空油气水窜的发生。

3 低密度水泥浆体系的推广应用

3.1 固井质量

2009年低密度水泥浆体系在松南地区应用 42井次，合格率100%，优良率87%；2010年应用53井次，合格率100%，优良率89%。

表2 低密度水泥浆体系现场应用情况Table 2 Field application of low density cement slurry

3.2 技术措施

（1）采用新型漂珠-微硅复合低密度水泥浆体系，实现近平衡压力固井，防止储层受到污染；

（2）下套管前要对井眼进行大排量洗井，确保井眼稳定、不漏、干净，使之满足固井施工要求；

（3）合理安放套管扶正器，提高套管居中度，以提高钻井液顶替效率和水泥环胶结质量；

（4）为了提高顶替效率，采用DF高效隔离液，用量在4～6 m3，具有良好的隔离、冲洗、缓冲等效果，有利于提高固井质量；

（5）控制好水泥浆密度，使入井水泥浆密度达到固井设计要求；

（6）应用高效能注水泥混浆设备，确保注水泥施工连续，水泥浆密度，排量合乎要求；

（7）应用固井设计模拟软件，预测施工过程中井底及特殊点的压力变化情况，以选择最佳的注替排量，提高固井质量。

4 结 论

（1）漂珠-微硅低密度水泥浆体系利用颗粒级配原理，优化了水泥与低密度充填材料之间的粒度分布，优选水泥浆外加剂，大大改善了水泥浆体系的整体性能；

水泥浆密度范围1.40～1.65 g/cm3，API失水控制在10 mL以内，24 h抗压强度大于14 MPa，并且能够实现直角稠化。

（2）该低密度水泥浆体系具有密度低、失水小、稠化过渡时间短、抗压强度高等优点，能够很好解决松南地区固井漏失及环空气窜的问题，对储层实现良好封隔。

［1］马开华，姜向东，李枫，等．LDAM低密度防气窜水泥浆体系的研究与应用[J]. 石油钻采工艺，2000，22(1)：22-26．

［2］段德松，黄瑞珍，王荷波.漂珠水泥浆体系稳定性研究[J]. 石油钻探技术，1995，23(增刊)：57-60．

［3］苑铭，刘秀成，李社坤.微硅复合低密度水泥浆的室内研究与应用[J]. 石油钻探技术，2001，29(5)：36-38．

［4］周仕明．微硅漂珠复合低密度水泥体系的探讨[J]. 钻井液与完井液，1999，16(6)：27-29．

［5］方国伟．固井水泥浆防气窜方法研究[D]. 北京：中国石油大学，2009．

Research and Application of Low Density Cement Slurry System for Songnan Area

MA Yan-chao
（Sinopec Northeast Oil and Gas Branch Engineering Technology Research Institute, Jilin Changchun 130062，China）

The formation in Songnan area has lower fracture pressure gradient, the bottom hole circulating temperature is also lower, oil and gas layer distribution is widely in Songnan area. Lost circulation and annular channeling often happen after cementing, which can bring many difficulties to cementing operation and affect cementing quality. To solve these problems, a low density cement slurry system with floating beads and micro-silicon was researched and applied. The results show that the cement slurry system has low fluid loss, better rheology, short thickening time, high compressive strength, and it can meet cementing requirement for Songnan area.

Songnan area; Cementing; Low density cement slurry; Lost circulation; Preventing gas migration

TE 256

B

1671-0460（2011）07-0716-03

2011-05-30

马艳超（1983-），女，黑龙江双鸭山人，助理工程师，硕士研究生，2009年毕业于东北石油大学化学工程专业，从事固井技术工作。E-mail：mycgcy@163.com，电话：0431-88531828。