北201井高强低密度水泥浆的研制及应用

2014-12-16刘秀成李慕君

石油地质与工程 2014年5期

刘秀成，李慕君，覃乐

（中国石化中原石油工程有限公司固井公司，河南濮阳457001）

北201井位于长岭断陷北正镇断阶带龙凤山圈闭，目的层为登娄库组、营城组、沙河子组，该区块地质条件复杂多变，属典型的裂缝性储层。钻进过程中曾发生十余次严重井漏，特别是2190～3660 m段，漏失量高达1 023 m3，从开钻到下套管固井前，累计堵漏时间长达690 h。同时油气显示非常活跃且分布井段长，在2 200～3 715 m分布有62套油气层，特别在钻至3 000 m以下层位，全烃值最高达99．9%，油气上窜将影响水泥石的胶结质量。为节约费用，采用二开井身结构设计，上部244．5 mm套管下深789．2 m，完钻139．7 mm，套管下深3 761 m，固井水泥浆返至地面，实现全井封固，裸眼段长达2 974．8 m，上下温差大，常规水泥浆体系难以解决压稳和漏失的矛盾；特别是在800～1 200 m井段处，井径扩大严重且不规则，井径扩大率最高达32．6%，大井径段水泥浆顶替效率差，易引起窜槽。同时鉴于此井的良好显示，计划后续还要采取压裂施工作业，因此，必须研制出抗高温、沉降稳定性好、防漏性好、抗污染能力强的低密度增韧水泥浆体系［1－5］。

1 水泥浆配方设计

1．1 低密度材料确定

为确保固井后续的压裂施工作业，实验中选用国产的Y12000型高强度空心玻璃微珠为主要减轻剂，该材料堆积密度为0．39 g／cm3，平均粒径30～60μm，最大抗压强度达到82 MPa。其化学惰性强，受热不变形，不影响水泥浆综合性能，能改善体系的流动性能，可有效控制水泥浆密度，且对凝固后的水泥石抗压和抗折性能也有显著改善。

1．2 外加剂优选

为了提高低密度水泥浆的整体性能，实验中依据颗粒紧密堆积的基本原理，复合应用高强度空心微珠和微硅粉。微硅的主要成分是SiO2，含量在90%～98%之间，平均粒径为0．15μm，比水泥平均粒径（70μm）小很多，具有浆体稳定和耐高温特点，加入后能有效提高填充效果，并借助球形空心微珠的减轻、滚动效应，进一步改善浆体的流动性能，弥补空心与水泥差异大易发生颗粒沉淀的不足，提高水泥石的强度。同时为了严格控制水泥浆的性能，优化水泥浆外加剂，充分考虑了以下几点：

（1）将具有增黏作用的降失水剂G301与高分子聚合物降失水剂G306配合使用。G301通过增大液相黏度来降低失水，增加自由水的流动阻力，有利于漂珠低密度水泥浆体系的稳定，同时黏滞的外加剂包裹在漂珠表面，对漂珠起到保护作用；G306能够通过相互交联桥接作用形成胶结的网状胶体聚集体，在一定的压差作用下，形成具有韧性的非渗透性薄膜，从而起到了控制水泥浆失水和防止气窜的作用，为进一步提高水泥浆防气窜能力，还加入了防气窜剂FQ。

（2）选用抗温型分散剂USZ。能有效降低水泥浆黏度，改善浆体流动性，降低水泥浆屈服值，同时可削弱其他外加剂的综合作用结果对浆体稳定性所产生的影响。

（3）为缩短侯凝时间，提高水泥石的早期强度，选用早强剂Cw－1。

（4）为应对固井后续的压裂作业，采用了新型BCE防漏增韧剂，其由长度5～10 mm的弹性纤维及经特殊处理的橡胶粉材料复配而成，加入后能有效提高水泥浆的防漏、堵漏效果和水泥石受压后的弹性变形能力和抗冲击能力。

（5）选用低敏感度的宽温带缓凝剂GH－9来调节水泥浆的稠化时间，提高水泥石的顶部强度。

2 水泥浆体系及性能评价

2．1 水泥浆配方

一级固井领浆：嘉华G＋40%Y12000空心微珠＋18%微硅＋3．0%防气窜剂FQ＋2．5%分散剂USZ＋3．5%降失水剂G306＋1．5%降失水剂G301＋1．5%增韧剂BCE＋5．0%早强剂CW－1＋3．0%缓凝剂GH－9＋0．15%消泡剂XP－1＋1．20 W／C。水泥浆密度为1．35 g／cm3。

一级固井尾浆：嘉华G＋35%Y12000空心微珠＋18%微硅＋3．0%防气窜剂FQ＋2．5%分散剂USZ＋3．5%降失水剂G306＋1．5%降失水剂G301＋1．5%增韧剂BCE＋5．0%早强剂CW－1＋2．4%缓凝剂GH－9＋0．15%消泡剂XP－1＋1．18 W／C。水泥浆密度为1．40 g／cm3。

二级固井水泥浆：嘉华G＋15%Y12000空心微珠＋8%微硅＋2．0%防气窜剂FQ＋1．0%分散剂USZ＋2．0%降失水剂G306＋1．5%降失水剂G301＋3．0%早强剂CW－1＋1．0%缓凝剂GH－9＋0．15%消泡剂XP－1＋0．65 W／C。该水泥浆密度为1．50 g／cm3。

2．2 水泥浆性能评价

（1）实验条件。①稠化试验条件：一级固井100℃×47 MPa×40 min，二级固井64℃×30 MPa×30 min；②API失水试验条件：一级固井93℃×6．9 MPa×30 min，二级固井64℃×6．9 MPa×30 min；③自由液含量：将水泥浆体系搅拌和常压稠化20 min后倒入250 mL量筒中，然后静置2 h后测定。④水泥石顶部强度实验条件：一级固井为65℃×21 MPa×48 h，二级固井为35℃×0．1 MPa×48 h。

（2）综合性能评价。由表1、表2可看出，该水泥浆体系具有良好的流变性，n值大于0．8；有良好的控制失水能力，API失水量能控制在50 mL以内；游离液含量低；抗压强度高，48 h条件下大于14 MPa，满足射孔完井要求。图2、图3表明水泥浆体系呈“直角”稠化，过渡时间短，30～100 Bc时间小于10 min；水泥浆防窜能力强，SPN值小于3．0，综合性能满足储层段固井施工要求。

表1 抗高温高强低密度水泥浆性能

表2 抗高温高强低密度水泥浆常规性能

（3）水泥浆稳定性评价：① 高温高压水泥浆密度变化情况：将配置好的1．35 g／cm3、1．40 g／cm3的低密度水泥浆放至增压养护釜中，升温升压到100℃×55 MPa，养护2 h后，高温高压下，测量低密度水泥浆变化情况，实验结果表明，在高温高压养护后的水泥浆密度分别为1．35 g／cm3和1．41 g／cm3，水泥浆性能稳定。② 沉降稳定性评价：在93℃条件下，常压养护30 min后，倒入1 000 cm 量筒中，静置2 h后测各段水泥浆密度，实验结果表明：一级领、尾浆上、中、下密度差最大为0．15 g／cm3，二级固井水泥浆上下密度差为0，具有较好的沉降稳定性。

3 实际应用

图1 1．35g／cm3低密度水泥浆稠化曲线

图2 1．40g／cm3低密度水泥浆稠化曲线

北201井，井深3 764 m，139．7 mm套管下深3 761 m，上层244．5 mm 套管下深789．2 m，裸眼封固段长达2 974．8 m。采用双级固井方式，水泥浆返至地面，一级固井注入7．5 m3隔离液，密度1．05 g／cm3，注密度为1．35 g／cm3的低密度水泥领浆30 m3，密度为1．40 g／cm3的水泥尾浆15 m3，排量为0．8～1．0m3／min，施工压力2．5～3．5 MPa，现场水泥浆混配正常，无气泡和分层现象。替浆过程中压力平稳，排量1．0～1．5 m3／min，采用紊流＋塞流复合顶替技术，最高泵压控制在6 MPa以下，碰压12 MPa。放压后，投重力塞，打开循环孔，开泵循环，开孔后，初始排量在0．5 m3／min，后提至1．2 m3／min，循环出水泥浆4 m3，地面施工过程正常，无井漏；二级固井在一级固井24小时后实施，注入隔离液7．5 m3，注低密度水泥浆61 m3，密度1．50 g／cm3水泥浆正常返出，二级固井候凝72 h后，测固井质量（表3）。从中可以看出，北201井139．7 mm套管固井段质量优良率达到91．7%，有效封固了该井易漏失储层段。