ZG112深井低密度高强度韧性水泥浆固井技术

2019-09-25田宝振覃毅高飞张伟张晔李利军

石油钻采工艺 2019年3期

田宝振覃毅高飞张伟张晔李利军

中国石油渤海钻探工程有限公司第一固井分公司

ZG112井位于塔中1号气田，属于碳酸盐岩油藏油气井，为提速降本增效，优化了井身结构，因此需要一次封固长裸眼段［1］。该井钻遇古近系、白垩系、三叠系、二叠系、石炭系、泥盆系、志留系、奥陶系桑塔木组、奥陶系良里塔格组，一开使用Ø406.4 mm钻头钻至1 503 m，下入Ø273.05 mm套管至1 503 m，二开使用Ø241.3 mm钻头钻至6 132 m，下入Ø200.03 mm套管采用单级全井封固。因地层存在低压易漏井段，需要采用低密度水泥浆进行固井，目前常用的漂珠低密度水泥浆，漂珠的密度较高(0.7 g/cm3)，在井下高压条件下易破碎，水泥浆密度增大，制作超低密度水泥浆时有一定的压力局限性［2］；纯3M微珠低密度水泥浆成本较高，珍珠岩、海泡石配制的低密度水泥浆形成的水泥石抗压强度低［3］，因此需要一种较低成本高性能的低密度水泥浆用以解决长封固段井漏难题。

1 技术难点

(1)该井裸眼段穿越不同压力层系的地层，二叠系地层承压能力低，漏失风险大，下套管及固井过程中易发生漏失，造成水泥返高达不到设计要求。

(2)超长封固段(6 132 m)固井，静液柱压力高，流动摩阻大，易发生井漏。

(3)井底温度 130 ℃，上下温差大 (110 ℃)，顶部水泥石强度发展缓慢，或者长期不凝固，出现超缓凝现象。

(4)井径不规则，存在糖葫芦大肚子井段，顶替效率低。

(5)长封固段水泥浆失重，难以压稳地层，地层不同压力系统油气水窜，固井质量难以保证。

2 水泥浆配方优化设计

2.1 粒度优化

利用颗粒级配原理［4-5］，优选了G级水泥、3M微珠、微硅和粉煤灰四元体低密高强度水泥浆。微珠直径 15～135 μm，抗压强度 82 MPa，密度0.60 g/cm3；粉煤灰颗粒的粒径 0.5～300 μm，比表面积较大，具有较高的吸附活性；微硅密度2.1～2.4 g/cm3，平均粒径约为0.15 μm，比表面积大，可提高体系稳定性和反应活性，减少充填水，增强体系致密性［6］。

2.2 水泥浆配方设计

根据需求，优选降滤失剂、分散剂、缓凝剂和消泡剂，保证水泥浆的整体性能满足要求。降滤失剂为共聚物，其分子结构中引入了多种官能团，在高温、高含盐的情况下性能稳定，同时具有一定的分散性能，在很宽的温度范围内具有优良的降失水性能。缓凝剂在大温差下强度发展良好，可消除长封固段固井顶部水泥浆超缓凝的问题，适用温度范围广，且适用于高、低密度水泥浆体系。

实验材料：G级水泥，新疆阿克苏水泥厂；硅粉、粉煤灰和微硅，新疆库尔勒互力有限公司；微珠，美国3M公司；防气窜剂FLOK-2，成都欧美克石油科技股份有限公司；纤维，西南石油大学提供；降滤失剂、分散剂、缓凝剂和消泡剂，兰德(廊坊)石化环保设备有限公司。

水泥浆基本配方：G级水泥+微珠+粉煤灰+微硅+降滤失剂LANDY-806L+缓凝剂LANDY-602L+分散剂LANDY-906L+消泡剂LANDY-19L+水。

2.3 不同微珠对水泥浆性能的影响

密度1.30 g/cm3水泥浆配方：G级水泥+25%微珠+62%粉煤灰+11%微硅+4.5%降滤失剂LANDY-806L+0.6%缓凝剂LANDY-602L+1%分散剂LANDY-906L+0.2%消泡剂LANDY-19L+59%水。

用普通漂珠替换3M微珠加入水泥中，与3M微珠水泥浆进行对比，水泥浆性能实验数据见表1，可以看出普通漂珠配制出的低密度水泥浆流变性差，沉降稳定性差，强度低。

2.4 微硅对水泥浆性能的影响

密度1.35 g/cm3水泥浆配方：G级水泥+21%微珠+75%粉煤灰+9%微硅+4.5%降滤失剂LANDY-806L+0.6%缓凝剂LANDY-602L+1%分散剂LANDY-906L+0.2%消泡剂LANDY-19L+58%水。对不加微硅和加入9%微硅的低密度水泥浆进行性能评价，由表2可以看出，加入微硅的低密度水泥浆流动度有所降低，失水低，沉降稳定性好，渗透率低，水泥石抗压强度高。

表2 微硅对低密度水泥浆性能的影响Table 2 Effect of micro-silicon on the performance of low-density cement slurry

3 低密度高强度水泥浆性能评价

3.1 水泥浆常规性能

通过四元体不同比例和不同的水固比可以配置密度1.15～1.35 g/cm3的低密度水泥浆，从表3可看出，5种不同密度水泥浆流动度好，失水＜50 mL，游离液为0，稠化时间可调，抗压强度(80 ℃、21 MPa/48 h)可达到14 MPa以上，沉降稳定性好。

表3 低密高强水泥浆性能Table 3 Performance of low-density,high-strength cement slurry

3.2 韧性堵漏材料

采用纤维进行堵漏，可同时增加水泥石的韧性。优选了XL-100纤维，该纤维是一种以有机聚合物为原料，对表面进行特殊工艺处理的高强度有机聚合物单丝短纤维，对水泥浆的综合性能影响小。XL-100纤维密度0.91 g/cm3、抗拉强度≥270 MPa、弹性模量3.8 GPa，耐化学腐蚀，在水中可立即分散成为单丝，不结团，与水泥浆黏结性好。每根单丝纤维长度约5 mm，圆形截面直径为48 μm。

采用上述5#配方的水泥浆，对不加纤维和加入1%纤维的低密度水泥浆进行抗冲击韧性、抗折强度和弹性模量测试，结果见表4。

表4 水泥浆韧性测试结果Table 4 Tested toughness of cement slurry

由表4可知，加入纤维的低密度水泥石较不加纤维的低密度水泥石抗冲击韧性提高18%左右，抗折强度提高10%左右，弹性模量下降约17%。纤维的加入能传递应力，使水泥石应力集中程度减小，改善水泥石韧性，有利于固井界面胶结，提高水泥石抗压强度和抗外力冲击能力［7］。

采用堵漏水泥浆对不同规格的裂缝分别进行静态和动态堵漏实验。按照1 m3浆中加1 kg纤维的加量，对缝长30 mm、缝高6 mm的裂缝静态堵漏后，承压能力可达到7 MPa。动态堵漏模拟实验结果见表5，可以看出，该堵漏水泥浆对于长裂缝性及高渗透性漏失地层具有很显著的堵漏效果。堵漏原理主要为纤维自身所具有的搭桥成网和不同级配固相颗粒的填充特性，当堵漏纤维与水泥浆体作用进入漏层时则可形成“滤网结构”，增加水泥浆体的流动阻力，借助于水泥浆的水化胶凝作用和未水化固相颗粒的填充作用，达到堵漏和提高地层承压能力的目的［8］。

向低密度水泥浆中加入0%、0.5%和1%的纤维，水泥石养护48 h后压力机压裂，从图1可看出，纤维的加入可以提高水泥石的完整性。

表5 动态堵漏模拟实验结果Table 5 Results of dynamic plugging simulation experiment

图1 不同纤维加量水泥石压后形态Fig.1 Morphology of set cement with different dosages of fiber after compression

4 冲洗型隔离液

冲洗型隔离液配方为57%微锰Micromax®超细加重剂+14%冲洗剂LANDY-21L+3%分散剂LANDY-906L+1%消泡剂LANDY-19L+1%悬浮剂LANDY-28S+100%水。微锰加重剂保证了隔离液性能稳定，密度均匀，冲洗剂可以起到“润湿反转”效果。设计隔离液用量10 m3，占环空高度600 m，接触时间为7 min，由表6可以看出，隔离液的密度介于水泥浆与钻井液之间，六速旋转黏度值呈现梯度变化，有利于提高顶替效率，能够有效清洗井壁与套管壁，保证水泥环的胶结质量。由表7可以看出，水泥浆、钻井液和隔离液相容性好，初始稠度控制在20 Bc以内，降低了固井施工风险。

表6 固井液流变性能Table 6 Rheological property of cementing fluid

表7 隔离液与水泥浆、钻井液相容性Table 7 Compatibility of spacer fluid with cement slurry and drilling fluid

5 现场施工

5.1 固井技术措施

(1)控制套管下放速度，防止激动压力过大压漏地层；调整好下套管时的钻井液性能，降低钻井液黏度、摩阻，防止钻井液静止时间过长后，开泵循环时压漏地层。(2)为保证水泥浆返高和顶部水泥石强度，采用双凝双密度水泥浆体系，领浆为G级水泥+3M微珠+微硅+粉煤灰四元体低密高强水泥浆体系，密度为1.35 g/cm3，封固井段为二叠底到井口；尾浆为G级水泥+硅粉+微硅+FLOK-2防气窜水泥浆体系，密度1.88 g/cm3，封固井段为井底到二叠底。(3)在水泥浆中添加纤维，在渗漏地层中可以起到架桥、堵漏效果，增加水泥石的韧性。(4)根据电测井径利用软件模拟加放扶正器，有效提高套管居中度，同时采用冲洗加重隔离液，提高顶替效率。(5)为保证压稳地层，采用平衡压力固井方法［9］，水泥浆失重后如果不能压稳地层，井漏则直接关井候凝，井不漏则关井憋压候凝；同时尾浆中加入了防气窜剂，可以有效防止油气水窜。

5.2 水泥浆配方及性能

领浆配方：阿克苏G级水泥+21%微珠+75%粉煤灰+9%微硅+4.5%降滤失剂LANDY-806L+ 0.6%缓凝剂LANDY-602L+1%分散剂LANDY-906L+0.2%消泡剂LANDY-19L+1%纤维XL-100+水，密度为1.35 g/cm3。领浆中加入纤维，提高浆体的堵漏性能。

尾浆配方：阿克苏G级水泥+32%硅粉+2%微硅+2%防气窜剂FLOK-2+4.5%降滤失剂LANDY-806L+0.5%缓凝剂LANDY-602L+0.5%分散剂LANDY-906L+0.2%消泡剂LANDY-19L+水，密度为1.88 g/cm3。

水泥浆综合性能见表8，稠化曲线见图2、3。可以看出，低密高强韧性水泥浆体系流变性能好，失水小于50 mL，不沉降、无游离液，上下密度差小于0.02 g/cm3，48 h抗压强度大于14 MPa，稠化时间可调，呈直角稠化，SPN值小于3，防气窜效果好，综合性能好，水泥浆混配时，产生的气泡较少，能够满足大温差长封固段固井要求。

表8 水泥浆综合性能Table 8 Overall performance of cement slurry

图2 领浆稠化曲线Fig.2 Thickening curve of lead slurry

图3 尾浆稠化曲线Fig.3 Thickening curve of tail slurry

5.3 现场应用及效果分析

ZG112井二开Ø200.03 mm套管下深6 130 m，下套管前采用刚度大于套管的钻具组合进行通井，对挂卡、遇阻、井斜大的井段加强划眼以及短起下钻，充分循环钻井液，高黏度钻井液携砂［10］，起钻前注入黏度为90 s的封闭浆；下套管后调整钻井液，使塑性黏度小于25 mPa · s，动切力不大于5 Pa。循环排量1.8 m3/min，压力18～19 MPa。固井前钻井液密度为1.30 g/cm3，黏度为59 s。固井前试压25 MPa，注入冲洗加重隔离液10 m3，密度为1.32 g/cm3，领浆 105 m3，平均密度为 1.35 g/cm3，尾浆 40 m3，平均密度为1.88 g/cm3，水泥浆密度均匀，压胶塞5 m3，用泥浆泵注入密度1.65 g/cm3的重浆80 m3(降低施工压力)和密度1.30 g/cm3的钻井液68 m3，注替排量1.5 m3/min，最高施工压力18 MPa，最后碰压至23 MPa，纯水泥浆返出地面约12 m3，泄压检查无回流，施工过程连续，未发生漏失。候凝48 h，通过CBL/VDL的综合解释，固井质量合格率91.2%，优质率70%。