TS2井超低密度水泥浆固井技术

2016-03-30宁河清

天然气勘探与开发 2016年1期

关键词：水泥石固井水泥浆

宁河清

（中国石化西南工程公司固井分公司）

TS2井超低密度水泥浆固井技术

宁河清

（中国石化西南工程公司固井分公司）

摘要TS2井是中国石化西北油田分公司在新疆塔河油田库车县境内部署的一口风险探井，处于低压易漏区块。在没有该区块类似井况固井先例的情况下，研究了该井的固井技术难点、固井技术措施，优选水泥浆体系，并基于颗粒级配理论提高PVF，使用国外先进减轻材料，调制出密度为1.25g/cm3的超低密度水泥浆进行固井作业，施工顺利，质量优良率82.32%。图2表4参2

关键词超低密度水泥浆漏失井固井工艺

TS2井是为了进一步评价奥陶系兼顾三叠系、石炭系储层发育特征及其油气分布规律,及油气藏范围的一口探井，井深6632.42 m。该井井底段温度高、压力高、地层压力低。因此如何在低密度、超深井、窄安全窗口等条件下成功固井,为该井固井的技术难点。

1　水泥浆技术难点

1.1温度高

四开215.9 mm钻头钻至井深6630 m时出现既漏又垮、起下钻困难等复杂情况，井底静止温度126℃,井底循环温度101℃,井底压力82 MPa。

1.2密度低

该井在钻井液密度在1.23 g/cm3时，井下曾有不同程度的漏失,当下套管过程中扶正器对井壁刮削或激动压力都有可能破坏井壁稳定，造成下部裸眼段漏失，给注水泥施工带来困难。

1.3压力高

尽管国际、国内对低密度水泥浆进行了大量研究和尝试，但是对于井深超过6000 m、压力80 MPa以上的条件下采用1.25 g/cm3左右的超低密度水泥浆及现场实际应用未见到公开资料报道。高压使水泥浆中的水分进入漂珠内部或者压破漂珠，从而影响水泥浆性能。水泥浆性能稍微控制不好,水泥浆便会先期脱水,轻则形成桥堵,重则使水泥浆产生急剧稠化,致使固井失败。

2　水泥浆技术

超低密度水泥浆的难点在于选用强度高、破碎率低的漂珠作减轻剂,使用超细微硅粉作基质稳定剂,利用紧密堆积原理,在水泥浆中优化固相颗粒分布。目前国外使用较多的是DOWELL公司的Litecrete低密度水泥浆技术。该技术利用颗粒级配原理优化水泥浆与低密度充填材料之间的粒度分布,使材料之间的堆积比例达到很大,减少材料颗粒之间的空隙,从而降低水灰比,提高水泥浆体系的整体性能[1]。国内的超低密度水泥浆体系也较为常见，但大部分水泥浆体系只选用二级级配技术，其PVF(Packed volume factor,充填体积系数)通常低于0.8，且缺乏在井深超过6000 m，压力超过80 MPa井况时使用的经验。

2.1减轻剂的优选

超低密度水泥浆若仅靠增大水灰比将密度降低至1.25 g/cm3，则其水泥石强度较低,综合性能将无法满足本井难度要求。水泥浆的减轻材料很多，而漂珠具有密闭、质轻、薄壁、粒细呈球形且具有活性,因此,漂珠就成了粗颗粒材料的首选。选择以下3种漂珠进行优选，1号漂珠为国产托阳漂珠，粒径为150～250 μm，加量70%；2号漂珠为美国3M公司漂珠，粒径为20～65 μm，加量85%；3号漂珠为美国3M公司漂珠，粒径为18～70 μm，加量90%。

从表1可知：国产漂珠抗剪切性能和抗高压性能不好，密度增量均在0.15 g/cm3以上，不适用于超低密度水泥浆。2号和3号漂珠在剪切和高压后密度增量均能控制在0.06 g/cm3以下，都可以满足超低密度水泥浆要求。由图1可以看出1号漂珠表面存在孔洞，水泥浆中的液体介质很容易进入，造成“减轻失效”，2号和3号漂珠表面为光滑密闭形态，剪切和高压均很难破坏其结构，使之具有很好的稳定性[2]。综合考虑决定选用2号3M公司漂珠。

表1　漂珠的抗剪切、抗高压性能对比

图1　漂珠在电镜下的形状

2.2填充剂的优选

根据紧密堆积原理要求,该水泥浆体系尚需选择一种比水泥粒度相对细得多的微细颗粒作为充填空隙的材料,因此,选择了微硅作为细颗粒。根据国内相关研究经验,由公式[1]：

式中：

SG—混合物密度，g/cm3；

ρ—水泥浆密度，g/cm3；

V—水与固相质量分数,通常取0.5～0.6。

A、B为漂珠和微硅占水泥的质量百分比,漂珠和微硅的比例关系为经验关系。漂珠微硅的比例为（4: 1）～（3:1）时,水泥石强度高,水泥浆流变性能较好[1]。

由此为依据进行室内实验，实验结果如表2所示。

表2　漂珠和微硅比例对水泥浆性能的影响

图2　水泥浆稠化曲线

由表2可知，微硅加量越大其PVF值越接近1，密实程度高，但是微硅加量太大会直接影响水泥浆的流动性，没有实用的意义。当漂珠和微硅的比例为3:1 时PVF达到0.9，且流动度20 cm，满足超低密度水泥浆性能的需求，与理论公式结论一致。由于微硅平均粒径在0.5 μm左右当微硅作为充填剂加入水泥浆中,可以降低胶凝材料的孔胶比,改善水泥浆颗粒间的胶结能力,使水泥浆具有极好的悬浮性、密实性和稳定性,极大提高水泥石的抗压强度(尤其是后期强度)和水泥浆的总体性能。

2.3外加剂的优选

通过对缓凝剂、降失水剂、分散剂的配套实验，加入改善水泥石力学性能的纤维状外加剂。其作用机理如下：①通过纤维作微筋,增强与水泥基质粘结力,从而使水泥石具有柔性,水泥石强度高且稳定、工程力学性能较好。②使水泥石体积膨胀产生化学预应力,减小水泥石孔隙度,增加自由水流动阻力,有效阻止孔隙压力下降,从而增加抗压强度和降低孔隙度和渗透率。

2.4水泥浆配方及性能

水泥浆配方：阿克苏G级水泥+55%3M漂珠+微硅20%CEA-1+超细水泥10% +早强剂3%OS-A+降失水剂9.5%FS-23 L +减阻剂0.5 %FS-13 L+缓凝剂1.5%FS-35 L+消泡剂0.2%DF-A密度:1.25 g/cm3，失水:20 ml/101℃×6.9 MPa×30 min；游离液:0%；初始稠度:18 Bc；40～100 Bc过渡时间:14 min；100 Bc稠化时间:310 min/101℃×82 MPa×60 min；24 h抗压强度:14 MPa；流动度:23 cm（图2）。

此水泥浆性能已经完全达到了“常规密度水泥浆”性能标准，且具有易配制，稠化时间可调，高强度，防窜性能好等优点，符合固井设计要求。

2.5试配模拟

在固井前充分模拟配灰、运输、配水、配浆整个过程，保证入井水泥浆性能与实验室小样性能一致。

2.6现场应用

在固井施工前进行试配，现场检测显示，水泥浆密度为1.25 g/cm3，流动度达到23 cm，混制过程平稳，达到了预先效果。

现场施工超低密度水泥浆实际入井密度:领浆最高1.26 g/cm3,最低1.22 g/cm3,平均1.25 g/cm3，尾浆最高1.28 g/cm3,最低1.27 g/cm3,平均1.28 g/cm3。水泥浆注、替顺利,正常碰压。

本次固井优良率82.32%，合格率100%，套管鞋封固质量优秀（表4）。