复配高密度水泥浆及前置液体系研究与应用

2015-12-21张云华

天然气勘探与开发 2015年4期

关键词：隔离液重晶石磁铁矿

王乐张云华

（中国石化西南石油工程有限公司固井分公司）

复配高密度水泥浆及前置液体系研究与应用

王乐张云华

（中国石化西南石油工程有限公司固井分公司）

针对四川地区高压固井需要，根据粒级级配和紧密堆积理论原理，选择将不同粒径与密度的磁铁矿F与高密度磁铁矿FF进行复配实验，研制出密度2.50 g/cm3的高密度水泥浆体系以及密度2.45 g/cm3的前置液体系。该水泥浆体系流变性能好，API失水小于50 mL，无沉降，抗压强度高；选择不同密度的重晶石与磁铁矿进行复配，筛选出流变性能优异，性能稳定，抗污染能力强的前置液体系，并成功应用于MY 2井和YB 273-1H井，固井质量优良。表3参5

复配型磁铁矿高密度水泥浆前置液

0 引言

在四川地区高压油气井钻井过程中，需要使用高密度水泥浆固井，水泥浆密度可高达2.50 g/cm3左右，为了配制高密度水泥浆，需要添加大量加重材料。大量室内实验证明，单一添加磁铁矿F或高密度磁铁矿FF，不能配制出性能良好的超高密度水泥浆体系[1]，由于加重材料比例较高，水泥的用量减低较大，使水泥浆流动性、稳定性等性能变差，沉降严重，且抗压强度达不到设计要求，影响固井质量甚至引发气窜。因此我们根据粒级级配和紧密堆积理论［2，5］，采用不同粒度的加重剂进行颗粒级配,使单位体积水泥浆内的固相颗粒比例最大,降低水灰比,并且提高水泥石的抗压强度,降低其孔隙度和渗透率,实现水泥浆体系的密度的增加和性能的优化［3-4］，从而保证水泥浆满足流变性、析水量、稠化时间等性能要求，并获得最好的力学性能，提高固井质量，防止气窜发生。

1 实验部分

1.1 实验材料与仪器

本文中所采用实验材料如下：葛洲坝G级油井水泥；磁铁矿F（密度5.05 g/cm3，100目）；高密度磁铁矿FF（密度6.0 g/cm3，120目）；重晶石（密度4.10 g/cm3，180目）；降失水剂；分散剂；缓凝剂；膨胀剂；塑性剂；稳定剂；隔离剂1；隔离剂2等。

本文中所采用实验仪器如下：YMS数显示液体密度计；ZNN-D6A型六速旋转黏度仪；OWC-9350常压稠化仪；OWC-93600UD恒速搅拌器；OWC-9380增压稠化仪等。水泥浆性能实验以《GB/T19139—2003油井水泥试验方法》所规定的方法进行。

1.2 实验基础配方

高密度水泥浆实验基本配方（以水泥质量分数为基准）：

葛洲坝G级油井水泥500g+适量磁铁矿+适量高密度磁铁矿+2%膨胀剂+1.5%塑性剂+5%降失水剂+ 1.5%分散剂+0.5%稳定剂+缓凝剂+0.5%稳定剂+适量水

高密度前置液实验基本配方（以水质量分数为基准）：

［适量重晶石+适量磁铁矿］100%+3%隔离剂Ⅰ型+5%隔离剂Ⅱ型+0.5%稳定剂+5%缓凝剂+适量水

1.3 实验方法

室内对磁铁矿F和高密度磁铁矿FF进行复配实验，由于磁铁矿粉FF的密度高于磁铁矿粉F，FF的加量少于F的加量，因此选择4个磁铁矿FF加量比例（40%、45%、50%、60%），在不同高密度铁矿F加量进行复配实验，通过对水泥浆体系各项性能进行评价分析，得到最优复配型高密度水泥浆配方。同样，首次将重晶石与磁铁矿F进行复配实验，最终得到最优高密度隔离液体系配方。

1.4 复配加重剂加量优选实验

由表1数据表明，当FF加量为40%时，随着F加量的增加，浆体流变性有一定改变，但加重剂所占比例小，要达到2.5 g/cm3高密度水泥浆，水灰比降低，因此水泥浆体稠，流动度小，下灰时间长，不利于现场混配，高温养护后稳定性较差；增加FF加量为60%时，浆体流变性明显改善，流动度增加，但浆体经过高温养护后，静置2 h后，测其上下层密度差，水泥浆体不稳定，说明FF加量太大；从而降低FF加量为50%以后，浆体经过高温养护，上下层密度差有所减小，浆体稳定性较之前有所改善，但考虑到现场水泥浆侯凝期间的稳定性，防止发生气窜问题，可以考虑再降低FF的加量。因此优选出FF的加量为45%时，随着F加量的增加，水泥浆体流变性，流动度达到最优状态，考虑到冬季施工，现场混配等问题，最终优选出FF的加量为45%，F的加量为90%进行级配，配制出密度为2.50 g/cm3的超高密度水泥浆体系。

表1

1.5 前置液体系的优选

从固井设计以及现场施工综合考虑，前置液体系的密度为2.45 g/cm3。重晶石通常被选作前置液加重材料，其密度为4.10 g/cm3左右，因此要想配制出密度为2.45 g/cm3的前置液体系，只有降低水灰比，由表2数据可以看出，单独依靠重晶石作为加重材料，配制出的前置液体系浆体稠，流动度差，不利于现场泵送，给施工带来风险，且驱替能力差，影响固井质量。而单独选用磁铁矿F作为前置液加重材料，配制密度为2.45 g/cm3的前置液体系，浆体经过高温养护后沉降严重，浆体不稳定，且考虑到现场必须用方罐提前混配，这样不仅增加了成本，而且增加工作量，因此首次将重晶石和磁铁矿进行室内复配实验。

表2

由表2中数据可以看出，当重晶石的加量和磁铁矿F的加量为40%∶60%和50%∶50%的时，可以配制出性能较好的高密度前置液体系，但从节约成本的角度最终选出前置液体系为后者的加量。

1.6 配伍性实验

由表3数据可看出，该高密度隔离液体系具有较强抗污染能力。隔离液与水泥浆、钻井液按比例混合后稠化时间不缩短，隔离液与水泥浆，隔离液与钻井液混合后无增稠现象发生，可以有效解决因多相污染而引发的安全施工问题。

表3

2 现场应用

MY2井是位于四川省绵阳市涪城区城郊乡的一口预探井，井身结构如下：Φ444.5 mm钻深82 m，Φ339.7 mm套管下深78.98 m；Φ311.15 mm钻深1502 m，Φ244.5 mm套管下深1501.36 mm；本开Φ215.9 mm钻深4133 m，采用钾石灰聚磺体系钻井液，完钻泥浆密度2.44 g/cm3，含油1%。钻进至3944.31 m井漏，在堵漏时发生溢流，井内情况复杂。井筒压力安全窗口窄，施工排量受限，顶替效率难以保证封固段长，上下温大，泥浆密度高，黏度、切力高，水泥浆顶替过程中难以驱替干净。采用高密度双凝膨胀防气窜水泥浆体系，单级注水泥全封固井，水泥浆返出地面，有效封隔气层，防止气窜及层间互窜。

YB 273-1H井是位于四川省苍溪县陵江镇的一口开发井，该井上开Ф346.1 mm技术套管下深2958 mm,本开Ф314.1 mm钻深4872.00 m，泥浆密度为2.41 g/cm3,选用高密度双凝膨胀防气窜水泥浆体系，Ф273.1 mm+Ф282.6 mm技术尾管固井。

MY2井和YB273-1井两口井中超高密度水泥浆体系均采用优选出的实验配方进行配灰，加量分别为磁铁矿FF 45%和磁铁矿F 90%；而优选出的高密度前置液体系高密度前置液加量分别为重晶石粉50%和磁铁矿粉50%，在进行固井施工作业前，先试配了1 m3的隔离液，从现场来看，前置液的性能满足现场施工要求。MY2井整个固井施工过程非常顺利，前置液平均密度为2.44 g/cm3，领浆平均密度为2.49 g/cm3，尾浆平均密度为2.47 g/cm3，井下未出现任何事故和复杂情况，通过声幅及声波变密度测井曲线显示，全井封固质量优良，满足下步作业要求。YB273-1井施工现场前置液平均密度为2.43 g/cm3，领浆平均密度为2.51g/cm3，尾浆平均密度为2.49g/cm3，通过声幅及声波变密度测井曲线显示，全井封固质量优良。