低成本超低密度水泥浆体系研究与应用

2018-10-18杨昆鹏项忠华黄鸣宇孙富全侯兵

钻井液与完井液 2018年4期

杨昆鹏，项忠华，黄鸣宇，孙富全，侯兵

（1. 天津中油渤星工程科技有限公司，天津 300451； 2.中国石油集团钻井工程重点实验室固井技术研究室，天津 300451；3. 油气钻井技术国家工程实验室固井技术研究室，天津 300451；4.吉林油田公司钻井工艺研究院，吉林松原 138000；5.大庆钻探工程公司钻井生产技术服务第二公司，吉林松原 138000 ）

低压易漏失复杂油气井在长庆油田、塔里木油田、吉林油田、青海油田等广泛分布。在新安全生产和环境保护政策下，各油田严格要求固井全井段封固、水泥浆返出地面，这无疑造成低密度水泥浆用量大导致固井成本较高，同时“低油价”市场环境下勘探开发成本大幅缩减，因此低密度水泥浆“高性能”和“低成本”之间的矛盾显得更为突出。

低密度水泥浆目前比较成熟的技术有2种：①扩大液固比。加入黏性固态无机物和有机物的高吸水材料和轻质充填物，如膨润土、硅藻土、膨胀珍珠岩等。②加入玻璃微珠类材料，依靠材料本身密度较低可替代部分水泥来降低密度。如粉煤灰、漂珠、空心微珠等。一般低密度体系的密度都有最低限制，如膨润土、硅藻土、粉煤灰和漂珠水泥浆的最低密度分别为1.60、1.50、1.55和1.38 g/cm3，低于上述值后水泥浆性能较差，尤其是抗压强度，根据中国石油天然气集团有限公司固井技术规范要求：生产套管非目的层水泥石24～48 h抗压强度不小于7 MPa，上述体系难以满足低压易漏失地层一次上返及全井封固要求。添加人造空心微珠的水泥浆性能较好、密度较低，但是成本较高，推广应用难度大。综上，结合2种方法，以降低成本兼顾性能为目标，采用了高吸水性、高活性、超细材料等开发出一种复合增强材料BCE-650S。其作用为扩大液固比，大幅降低水泥浆成本且提高水泥浆性能。以BCE-650S作减轻剂，同时辅以外掺料和外加剂等，形成成本低廉、性能优良的1.20～1.30 g/cm3超低密度水泥浆，以应对目前严峻的环保形势和低成本开发战略[1-2]。

1 复合增强材料的制备

低成本超低密度水泥浆减轻材料的选择遵循以下3点：①具有高吸水性和悬浮稳定性，利于提高液固比，在降低密度和成本的同时浆体稳定。②具有高活性，有利于增加水泥早期水化反应速率，强度发展快[3-4]。③材料的物理化学性质对水泥浆性能有贡献[5-8]。此外，减轻材料应尽量选择颗粒尺寸较小的球形材料，密度远低于浆体密度，便于调节密度。

最后开发的复合减轻增强材料BCE-650S由层状结构物质A及高活性、超细材料B和减轻材料C组成。物质A是一种由硅氧晶体组成的层状结构物质，具有较强吸水性，能吸收自身体积20倍的水，吸水后在水中成胶态，具有一定黏滞性和触变性，同时其层间存在大量金属、非金属阳离子，有较强的离子交换能力和吸附性能，有利于提高体系的悬浮稳定性，在提高液固比的同时能够有效控制游离液和稳定性。为了确定水泥与A、B、C三种材料的最优配比同时降低孔隙率、减少有害孔径分布、实现良好的颗粒级配效果，结合紧密堆积技术，根据多元连续颗粒体系紧密堆积理论模型，以最高堆积密实度为原则计算出水泥与几种材料的配比（质量比）。将A、B、C三种材料按最优配比为7∶6∶4复配，形成复合增强材料BCE-650S。结合强度实验（见表1），确定水泥与BCE-650S的最终配比为13∶17，确定基础配方。

B是一种纳微米尺寸具有高比表面积的活性材料，能加速水泥水化反应，同时与水化产物Ca（OH）2反应生成C—S—H凝胶，加速水化反应向正向进行；且由于自身尺寸小，能够填充水泥硬化体中的细小空隙，形成的结构均匀致密，改善水泥石的力学性能。材料C为一种经高温煅烧形成的无水硅酸盐，具有火山灰性质，能快速与自身重量1.6倍Ca（OH）2进行反应，还与材料B之间存在良好的协同作用，有助于提高抗压强度和水泥浆稳定性。外掺料选择附加少量减轻材料D。其为密度0.7～0.8 g/cm3的空心球形材料，平均粒径80～90 μm，具有火山灰性质且耐压性好，可小范围调节密度。水泥浆基本配方如下。

G级水泥+增强剂BCE650S+减轻材料D+水

表1 基础配方抗压强度实验

2 低密度水泥浆综合性能研究

2.1 抗压强度

针对低密度水泥浆强度发展缓慢，优选了配套早强剂CA909S，该材料由几种无机盐复合，在低温条件下，可改变C—S—H凝胶形状，使其成为更开放的絮凝结构，增大C—S—H凝胶层的渗透率，使水和离子核的扩散速度加快，同时，明显改变水相中离子核的分布，增加氢氧化钙在水相中的溶解度。从而，对水泥浆表现出较强的促凝和早强效果。

通过调节CA909S的加量，测定水泥浆在60 ℃，24 h、72 h水泥石的抗压强度，结果如表2所示。由表2可以看出，水泥石养护24 h的抗压强度为8 MPa左右，随着早强剂CA909S掺量增加而显著增加。水泥石72 h的抗压强度为10 MPa以上，随早强剂CA909S掺量变化不明显。这是由于CA909S对早期强度的影响比较显著，24 h水泥石强度线性相关性良好，长期强度趋于稳定。

表2 CA909S不同加量下水泥浆体系的抗压强度实验

2.2 静胶凝强度

针对水泥浆要求返出地面，长封固段上下温差较大，上部强度发展缓慢等问题，研究了水泥浆在常温下静胶凝强度发展情况，结果见图1。由图1可以看出，水泥在15 h就开始形成强度，40 h左右静胶凝强度大于3.5 MPa，3 d后达到5 MPa以上，满足后续生产及井控要求。水泥浆配方如下。

G级水泥+BCE-650S+减轻材料D+CA909S+消泡剂G603+水

图1 常温下1.30 g/cm3水泥浆静胶凝强度发展曲线

2.3 稠化性能

水泥浆的稠化时间可通过缓凝剂BCR-210S和早强剂CA909S来调节。在60 ℃、30 MPa压力下对不同的配方进行水泥浆稠化和初始稠度测试，结果如表3所示，水泥浆初始稠度小于15 Bc，稠化时间可调。由表3可以看出，随着BCR-210S掺量的增加，稠化时间明显延长。初始稠度为15 Bc以下，水泥浆可泵性好，满足施工要求。缓凝剂掺量不宜过高，高掺量缓凝剂严重抑制水化反应进行，影响水泥石强度发展。在稠化时间满足要求的前提下，适当减少或不用缓凝剂，也可以通过调节早强剂CA909S用量调节稠化时间，随着CA909S掺量增加，稠化时间缩短。

表3 水泥浆体系稠化实验

2.4 耐压性能

考虑减轻材料D的引入可能会影响水泥浆的耐压性能。将表3中1#和6#水泥浆配方在增压稠化仪60 ℃、30 MPa条件下养护20 min，1#配方密度由1.20 g/cm3上升至1.21 g/cm3，6#配方密度无变化，耐压性能良好。表明该减轻材料的引入不会对水泥浆耐压性能造成很大影响。

2.5 水泥浆综合性能

以油井G级水泥、复合增强材料BCE-650S作为主体干混材料，增大水灰比降低密度，同时选择其他配套粉体外加剂，兼顾成本与性能，最终形成1.20～1.30 g/cm3水泥浆体系[9-10]。该水泥浆稳定性良好，沉降稳定性测试上下密度差不大于0.01 g/cm3；失水量可控，考虑尽可能降低成本的前提下，失水量控制为200 mL以内；稠化时间在2～4 h之间可调；强度发展快，24 h能达到7 MPa以上，如表4所示。该体系满足封固要求且成本低廉，在性能相差不大的前提下，比常规1.30 g/cm3超低密度体系成本降低50%以上。

表4 不同水泥浆综合性能

3 现场应用

针对吉林油田乾安大情字易漏区的固井漏失、水泥无法返出地面和低密度水泥浆成本过高等问题。现场应用1.30 g/cm3水泥浆试验2口井。其中的情西XX井为定向井，完钻井深为2 518 m，该井井身结构：φ346.0 mm钻头×286.5 m（φ273.0 mm套管×284 m）+φ228.6 mm钻头×1 200.0 m/φ215.9 mm钻头×2 518.0 m（φ139.7 mm套管×2 516.0 m）。该井钻井过程中漏失严重，钻至井深2 110 m漏失25 m3钻井液，钻井液失返（此时钻井液密度1.21 g/cm3）；钻至井深2 240 m漏失12 m3钻井液；钻至井深2 510 m漏失10 m3钻井液。现场采用双密度水泥浆一次上返设计，常规密度1.90 g/cm3尾浆（20.5 m3）封固油层顶部（2 190.0 m）以上300 m位置至井底，上部采用1.30 g/cm3低密度领浆封固（注入量为56.5 m3，附加5%至60.3 m3），固井施工顺利，全程无漏失，固井质量优。