关于非泡沫超低密度水泥浆体系应用的建议

2020-03-03李万东

钻井液与完井液 2020年5期

李万东

（中国石油川庆钻探工程有限公司长庆固井公司，西安 710018）

0 引言

随着对复杂油气层的勘探开发，石油行业对固井水泥浆提出了更高的要求，特别是对易漏区块油气井、封固段长的深井和地层破裂压力低的深水井进行固井施工，既要对低压易漏地层固井，又要防止水泥浆低返，常规密度水泥浆已经无法满足相关技术需求[1-3]，因此固井现场对超低密度水泥浆体系的应用日渐增多。

目前，由于固井技术的进步，即便不采用气体发泡技术，也可以配制密度小于1.00 g/cm3的超低密度水泥浆体系[4-5]。通常这些超低密度水泥浆在水泥和减轻材料基础上，利用颗粒级配和紧密堆积原理，加入微硅、超细水泥等无机材料提高水泥浆体系稳定性以及水泥石强度[6-8]；使用堵漏纤维材料应对裂缝-孔隙型漏层[9]；或者加入低温外加剂，使水泥浆强度性能在中等或较低的温度下也有良好的发展[10-11]。但是，在实际固井应用中，由于减轻材料的密度远远小于水泥、微硅、超细水泥，加之其不同批次原料物性存在差异，随着水泥浆设计密度的降低，现场浆体性能极易波动，很难完全实现水泥浆的性能稳定。因此，如果忽略水泥浆应用方案的适用性，将用于常规水泥浆体系的设计标准、现场试验方法及混浆操作用于超低密度水泥浆体系，水泥浆实际密度、流变参数的稳定性将面临很大挑战，在固井过程中发生质量事故的风险也将大大增加。

笔者探究了在固井现场应用中，超低密度水泥浆体系性能保持稳定、固井作业成功所必需考虑的相关问题，主要包括减轻材料的选择，液固比的设计窗口，井下环境的影响，抗压强度实验方法，水泥浆质量控制，混灰和转运过程控制和LVF动态混浆控制。

我国低压、易漏油气井在长庆油田、塔里木油田、大牛地气田、南海油气田等广泛分布[12]，例如鄂尔多斯盆地北部大牛地气田的气层压力梯度小于1.00 g/cm3，其中一些薄弱地层要求固井水泥浆密度低至1.20 g/cm3，因此超低密度水泥浆体系的推广应用具有重要意义。

1 减轻材料的选择

非泡沫超低密度水泥浆体系一般是通过低密度材料与水泥混合制成的。向水泥中添加低密度材料，例如粉煤灰漂珠（密度为0.4～0.8 g/cm3）或空心玻璃微珠（密度为0.35～0.60 g/cm3）可以降低水泥浆的密度，同时保持水泥浆体系的低液固比。这种低液固比是超低密度水泥浆体系保持较高抗压强度和较强力学性能的关键因素。用粉煤灰漂珠混配的高性能水泥浆，其实际最小密度能达到1.08 g/cm3，而使用空心玻璃微珠则可以将水泥浆密度降至0.90 g/cm3。

1.1 粉煤灰漂珠

粉煤灰漂珠是燃煤发电厂产生的副产品。据估计，石油工业使用了约24%的此类产品，其余部分则作为垃圾填埋。煤炭燃烧发电时，会释放粉煤灰，释放的粉煤灰中约有20%的玻璃体颗粒，其主要由二氧化硅和氧化铝组成。这些玻璃体颗粒，也称为空心颗粒，是一种空心、充气、刚性的球体，因此被用作超低密度水泥浆体系的减轻材料。填充球体的气体主要由空气、氮气或二氧化碳组成，性能稳定，颗粒的密度为0.4～0.9 g/cm3，直径为20～200 μm。图1 是粉煤灰漂珠样品在扫描电子显微镜（SEM）下的显微照片。通过图1 可以看到，其粒径分布较广，而且存在破碎的颗粒，并不是所有微珠都具有优良的质量和完整性。一些颗粒具有一定的角度和多孔表面，不是标准球体。正因为玻璃体颗粒的质量存在这种差异，所以其密度范围在0.4～0.9 g/cm3之间变化很大，这种密度的较大差异可能会导致在超低密度水泥浆体系设计和现场固井作业中产生错误和问题。

图1 通常状况下粉煤灰漂珠样品在SEM 下的显微照片

这种密度差异的另一个结果是，从一批物料到另一批物料，粉煤灰漂珠的抗破碎性能会变化很大，这可能导致在井下环境中，由于微珠受到静水压力而开始破碎，水泥浆的密度和黏度突然增加。但是，如果提前在现场实验室中认识到并量化了这种密度差异，这些潜在的危害因素并非无法克服。为了解决这个问题，必需使用气体密度瓶测量每批漂珠的实际密度，然后对水泥浆配方进行适当地调整；另外，必需在预计的井下压力和温度下测量水泥浆性能，包括密度、流变参数、稠化时间和强度发展。

1.2 空心玻璃微珠

为了解决使用粉煤灰漂珠带来的上述问题，也为了继续提高超低密度水泥浆性能，空心玻璃微珠是比较容易得到的替代材料。空心玻璃微珠是一种工业产品，与粉煤灰漂珠相比具有更高的强度-质量比，在井下环境中具有更好的抗破碎性能。工业生产的空心玻璃微珠具有良好的颗粒球形度以及稳定的抗压强度，目前其常用产品系列按照压力等级分为2000、4000、5000、6000、10 000 和18 000 psi。图2 是空心玻璃微珠样品的SEM 显微照片。与粉煤灰漂珠相比，空心玻璃微珠的粒径分布更均匀，强度更高，性能也更稳定，但是另一方面，空心玻璃微珠作为人工材料，其成本也更高。由于生产过程能够设计产品的抗压强度且微珠的完整性更好，因此使用空心玻璃微珠作为超低密度水泥浆体系的减轻材料从理论上为深井固井提供了更简单的解决方案。

图2 空心玻璃微珠样品在SEM 下的显微照片

1.3 微珠的选择

图3 和图4 比较了粉煤灰漂珠和空心玻璃微珠样品在通常状况下的抗破碎性能。在超低密度水泥浆体系设计中，可以参考这些曲线根据井下条件对设计值作相应校正，水泥浆的实际密度根据微珠在井下压力下的密度进行设计。为了量化部分微珠破碎带来的影响，在实验室对水泥浆施加相应井下压力后再进行密度测量。在地面条件下，微珠的平均密度和水泥浆的密度都会比井下压力下更低。因此，在对水泥浆施加井下压力之前，还应该测量地面条件下水泥浆体系的密度和流变参数，以便确定现场固井作业中地面的混配条件。从这2 种减轻材料中进行选择，需要综合考虑成本、性能与风险等因素。在井下压力较低的常规井固井作业中，粉煤灰漂珠作为减轻材料，不仅能降低成本而且可以达到良好的使用效果。相比之下，对于那些对减轻材料抗压强度有严格要求的特殊井，例如在塔里木油田的深井、超深井固井作业中，使用空心玻璃微珠作为减轻材料将会是更好的选择。

图3 粉煤灰漂珠产品的密度随所受压力的变化曲线

图4 空心玻璃微珠产品的密度随所受压力的变化曲线

2 液固比的设计窗口

如前所述，超低密度水泥浆体系的强度发展取决于液固比的设计，该比率可以通过液体体积分数（LVF，Liquid Volume Fraction）来量化，即水泥浆中的总液体体积除以水泥浆总体积的比率。根据图5、图6 的超声波水泥分析仪（UCA）测试结果所示，对于密度为1.26 g/cm3的超低密度水泥浆体系，LVF对水泥浆的强度发展产生了很大影响，当LVF从0.50 降至0.38 时，72 h 后水泥石的抗压强度从2550 psi 增加到3900 psi。但是需要注意的是，LVF降至0.38 的水泥浆可能会因为黏度太大而无法用常规固井设备泵送。相反，具有非常高LVF（通常高于0.52）的超低密度水泥浆则会出现浆体不稳定，从而导致水泥颗粒沉降现象以及水泥浆抗压强度发展差等结果。根据实验室研究及现场应用经验，为了获得性能优良的超低密度水泥浆体系，其设计LVF应该在0.44～0.48 这个相对窄范围内确定。因此，为了解决由于微珠质量和密度的变化造成干灰混合物构成变化所产生的问题，在设计超低密度水泥浆体系时，必需保证其液体体积分数在0.44～0.48 的LVF窗口内。例如，假设将水泥浆LVF设计为0.5，该值已经接近通常状况下超低密度水泥浆体系稳定的上限值，如果现场固井作业过程中，由于微珠的实际密度变化导致实际LVF变为0.52，那么水泥浆体系会变得不稳定。确定了LVF窗口，就为超低密度水泥浆体系设计提供了更大的容差，可以更好地适应减轻材料性能的变化。

图5 LVF 为0.5 时密度1.26 g/cm3 的超低密度水泥浆强度发展曲线

图6 LVF 为0.38 时密度1.26 g/cm3 的超低密度水泥浆强度发展曲线

3 井下环境的影响

如前所述，在现场泵注超低密度水泥浆的过程中，其中的微珠（特别是粉煤灰漂珠）的破碎，可能会通过影响水泥浆体系的黏度、稳定性和造浆率而对固井作业产生不利影响。随着微珠的破碎，由于压实作用，水泥浆总体积减小；此外，随着减轻材料的破碎，其密度也增加到了2.65 g/cm3，这部分高密度材料加入到原本的低密度减轻材料中，微珠的平均密度会增加。如果在最初设计中未考虑到水泥浆体系中会产生较高密度的材料，就会导致超低密度水泥浆体系的不稳定和沉淀现象。

在长庆区域固井作业中使用的密度为1.26 g/cm3的水泥浆是用粉煤灰漂珠作为减轻材料，以地面密度1.26 g/cm3配制的。但是在对水泥浆施加井底压力后，破碎的微珠使水泥浆密度增加了将近0.11 g/cm3达到1.37 g/cm3，黏度增加了57%达到275 mPa·s，如表1 所示，井下环境中，超低密度水泥浆体系密度和黏度的增加会非常明显。这些变化将使超低密度水泥浆在井下环境中产生高于预期的流动黏度，从而导致等效循环密度（ECD，Equivalent Circulating Density）增加，甚至导致井下水泥浆泵送困难，这2 种情况都可能造成水泥浆漏失或固井作业终停。此外，水泥颗粒的沉降可能导致井眼上部水泥浆液相的滤失，随后造成水泥胶结和封固质量差的结果。

表1 粉煤灰漂珠破碎前后超低密度水泥浆性能对比

作为应对，如果能建立起微珠破碎程度与井下压力的关系，就能够更好地进行水泥浆设计。例如北美落基山地区某大型固井服务商使用的超低密度水泥浆体系，在深井固井施工时，尽管井下静水压力达到8300 psi，其仍然使用低成本的粉煤灰漂珠作为减轻材料。通过施加水力压力以量化微珠破碎程度，对于密度1.20 g/cm3的水泥浆，其密度最大增量为0.14 g/cm3，最终密度为1.34 g/cm3。在固井设计中充分考虑了水泥浆密度和流变性在井下环境发生的这些变化，现场作业中将水泥浆以略低的密度在地面条件下混配及泵注，最终使其在井下环境中达到1.20 g/cm3的最终密度。

4 抗压强度实验方法

研究高性能超低密度水泥浆体系的主要目的是达到比常规分散水泥浆体系更高的水泥石抗压强度。目前现场实验室中普遍使用超声波水泥分析仪（UCA）来测量水泥浆的强度发展，但是如果需要确定水泥石的最小抗压强度，那么在使用无损声波技术测试时就需要特别注意。因为对于超低密度水泥浆体系，不同的强度实验方法所得到的结果会有差异，尤其是使用空心玻璃微珠作为减轻材料的情况，超声波水泥分析仪的测试结果和破坏性实验（水泥立方块抗压实验）结果之间存在显著的差异。对使用空心玻璃微珠作为减轻材料配制的密度为1.26 g/cm3的水泥浆进行UCA 测试，通过“低密度算法”，结果如图7 所示，该图显示在测试的后期，抗压强度明显降低。而通过破坏性实验对UCA 测试结果进行验证时发现，相比UCA 测试结果，真实的抗压强度在48 h 后高约700 psi，在72 h 后高约1000 psi。即便考虑到破坏性实验方法存在标准偏差，这些相对较高的抗压强度也清楚说明了UCA 测试的错误结果。

图7 密度1.26 g/cm3 的超低密度水泥浆在UCA 测试中最终强度下降现象

因此，对于超低密度水泥浆体系的强度评价，推荐使用UCA 测试记录水泥浆早期强度以及表征其初始强度发展过程；如果需要确定水泥石24 h或48 h 的最终抗压强度，则推荐进行破坏性实验，以获得较准确的评价结果。

5 水泥浆质量控制

超低密度水泥浆体系中含有减轻材料，因此其对配液和微珠含量的细小变化或水泥浆密度的细小变化都很敏感。配液量保持恒定时，干灰混合物中微珠含量的细小变化（±1%）都会导致水泥浆密度的较大变化。在微珠含量保持恒定的情况下，水泥浆密度的细小变化（±0.02 g/cm3）同样会导致所需配液量的较大变化。如果忽略这个问题，那么设计密度为1.20 g/cm3的超低密度水泥浆，通过现场混配，实际密度可能会达到1.22 g/cm3，此时水泥浆由于黏度太大将难以混配及泵注；或者实际密度降至1.18 g/cm3而造成超低密度水泥浆体系的不稳定，发生沉降现象。

当超低密度水泥浆体系的设计密度接近配液的密度时，这种敏感性将变得更加突出。使用空心玻璃微珠作为减轻材料时，因为其密度远低于粉煤灰漂珠，所以超低密度水泥浆体系性能对配液量及水泥浆密度变化的敏感度更高。密度或微珠含量变化引起水泥浆性能的变化幅度可以使用相关软件计算确定。从混浆和现场操作的角度，必需采取严格的措施以确保混浆过程中各成分含量与实验室实验的配方组成充分吻合。

在水泥浆设计中，确定要使用的那批次减轻材料的密度（以绝对体积测量）至关重要，微珠的密度必须精确到小数点后2 位，应在物料不同位置提取多个样品进行测量，取其平均密度。如果在现场实验室对超低密度水泥浆进行实验，推荐使用气体密度瓶，该仪器通常用于精确密度的测量。特别对于设计密度在1.01～1.14 g/cm3范围内的超低密度水泥浆体系，微珠密度0.01 g/cm3的误差也会在组分比例计算中造成重大差异。

含减轻材料水泥浆的实验与常规水泥浆实验有些不同。除了API RP-10B-2[13]（ISO 10426-2：2003[14]）中定义的常规实验方法外，还存在一些特殊的实验注意事项。初始混配和任何加压操作之后，考虑到微珠的破碎，都应该对水泥浆密度进行测量。在稠化实验期间，应持续监控水泥浆的稠度，以确保流体的热稀化不会引起固相分离或沉降。在最终的温度和压力下，如果浆体的稠度小于10 Bc，应该从稠度仪上取下样品杯并目视检查样品顶部是否有微珠聚集或杯子底部是否有固相沉积，以评估浆体的稳定性。

在进行抗压强度测试之前，应将水泥浆置于井下压力和温度环境中养护，模拟水泥浆在顶替阶段所处的环境。根据API RP10B-3[15]（ISO 10426-3：2003[16]）的要求，对于大尺寸套管-井眼组合还需要考虑水泥浆热容的影响，尤其在深水井结构套管固井作业中。对于低温深水井结构套管固井，一般建议UCA 测试先将水泥浆在井底循环温度下养护一段时间，该时间即替量所需的时间，然后在4 h内将温度升至井底静止温度。当水泥抗压强度达到50 psi 时，将温度升至35 ℃，之后实验中温度保持恒定。最后的升温过程即是模拟由于大量水泥浆水化放热而引起的温度升高，此过程仅适用于直径为φ339.73 mm 或更大尺寸套管的低温固井作业。

6 混灰和转运过程控制

由于减轻材料的密度（0.35～0.90 g/cm3）和水泥的密度（2.75～3.18 g/cm3）存在较大差异，因此混灰和转运过程是得到分散均匀、性能稳定的干灰的关键步骤。混合减轻材料与水泥有很多种方法，但是一般建议的方法是：先将1/3 的水泥添加到搅拌机中，然后再添加1/3 的减轻材料，依此类推完成搅拌混合。将混合好的干灰从搅拌机转移到干灰罐的过程应尽可能在最低气压下进行，以避免一部分微珠进入排气管或集尘器中造成损失或者部分微珠因为气压过大被吹到干灰罐的顶部。此外，需要特别注意的是，将干灰从干混站转运到钻井队现场下灰罐的过程，转运次数要尽可能少，最好干灰混合完成后，通过一次转运直接进入现场水泥下灰罐。对于深井固井作业，在实际条件允许范围内，建议混合好的干灰转运到钻井队下灰罐的时间与固井作业预期时间尽可能接近。运送干灰的车辆一旦出发，在作业当天之前不得再次搅拌混合物，因为这可能导致灰罐中减轻材料和水泥分层。在作业当天，建议在能达到的最小气压下将干灰从灰罐车转移到一个空的下灰罐中。最大程度地减少在转运过程中由于过大的吹气压力以及在钻井现场存储过程中受钻机振动而引起的干灰分层现象。

如前所述，这些用来混配超低密度水泥浆体系的干灰对减轻材料的含量和密度变化异常敏感，因此不建议将“旧”混合物与“新”混合物掺混。先前作业中剩余的“旧”干灰通常具有比最初设计值更高的微珠含量。这是因为在先前的固井作业中，下灰罐底部的干灰首先被使用，而剩余的干灰则来自下灰罐的上部，由于存在之前讨论过的分层现象，这部分干灰中微珠含量通常会升高。因此，如果在下灰罐中加满“新”干灰进行后续作业，则水泥浆刚开始的混配过程可能无法正常进行，并引发相关操作问题。

最后，至关重要的一步是从固井作业现场下灰罐中取出具有代表性的干灰样品，并在现场实验室中用气体密度瓶测量干灰样品的密度，从中推断出减轻材料的实际含量。这可以帮助优化混浆操作的设计，预估可能出现的问题并及时制定应对措施。

7 LVF 动态混浆控制

7.1 混浆操作误差

随着超低密度水泥浆体系的设计密度逐渐接近配液的密度，组分含量的微小差异将对水泥浆性能参数产生巨大影响。如图8 所示，虚线包围的阴影部分为LVF窗口，LVF高于0.38 以确保水泥浆易混配及泵注，低于0.52 以确保浆体稳定。当水泥浆设计密度为1.14 g/cm3、设计LVF为0.45 时，如果由于干灰混合不均匀、转运或存储过程不当，造成微珠含量产生约±2%的微小变化，而固井现场混浆操作继续按照设计密度执行，水泥浆必然会变得难以泵送或出现体系不稳定现象。因此，当设计密度接近配液密度时，现场操作误差对超低密度水泥浆体系性能的影响将更加显著。此外，当水泥浆设计密度低于配液密度时，相关影响则会相反。

图8 设计密度为1.14 g/cm3、LVF 为0.45 的超低密度水泥浆的混浆操作窗口

如图9 所示，当超低密度水泥浆设计密度为0.96 g/cm3、设计LVF为0.45 时，比起微珠含量的变化，实际水泥浆密度的变化造成的后果将更严重，如果实际密度比设计高0.02 g/cm3达到0.98 g/cm3，这将导致水泥浆体系完全不稳定；如果实际密度比设计低0.02 g/cm3降至0.94 g/cm3，这又会导致水泥浆完全无法混配。因此，当超低密度水泥浆体系设计密度低于1.20 g/cm3时，现场混浆操作误差影响巨大，建议使用LVF混浆控制系统，该系统使用LVF作为控制参数，而不是水泥浆密度。

图9 设计密度为0.96 g/cm3、LVF 为0.45 的超低密度水泥浆的混浆操作窗口

7.2 LVF控制系统

常规使用的密度控制系统，其工作窗口为±0.02 g/cm3，这对于混配和泵送常规水泥浆是足够的，因为常规水泥浆的设计密度和配液密度之间相差较大，具有足够大的密度比。但当水泥浆设计密度接近配液密度时，水泥浆密度的细微变化将意味着水泥浆体系液固比的显著变化，这种变化如表2 中所示。对于固相和配液之间具有大密度比的水泥浆，由于水泥浆密度与配液量之间存在比例关系，因此可以使用密度来控制水泥浆体系液固比。此时，当水泥浆密度从1.38 g/cm3增加0.01 g/cm3（增加0.7%），相应LVF变化0.7%。但是，随着固相与配液之间密度比的降低，这种关系变得越来越间接，对于固液相低密度比的水泥浆，密度从1.02 g/cm3增加0.01 g/cm3（增加1.0%），会使LVF变化224%。在这种情况下，水泥浆密度已不是控制水泥浆体系液固比的有效参数。

表2 超低密度水泥浆体系不同固液相密度比条件下LVF 随水泥浆密度的变化

因此，对于固液相低密度比的超低密度水泥浆体系，应使用LVF自动混浆系统，该系统通过检测水泥浆LVF值，并将其作为控制参数。系统依靠精确的电磁流量计或质量流量计来测量水泥浆的输出速率和配液（混合水和所有液体添加剂）的输入速率，同时通过混浆池内部液位传感器可以检测到一段时间内水泥浆液面高度的上升或下降幅度，即液面的移动速度。假设配液输入混浆池的排量为Q1，水泥浆输出混浆池的排量为Q2，混浆池的底面积为S，混浆池内液面的移动速度为v，水泥浆实际LVF为LVF实际，则根据LVF实际的定义，一段时间T内水泥浆混配过程存在如下关系式（1）。

对式（1）右边分式的分子、分母同时除以T，则有关系式（2）。

式（2）中，Q1、Q2可以根据测量水泥浆输出排量和配液输入排量的流量计读取，v可以通过混浆池液位传感器检测到，S为固定常量。因此实时的LVF实际就可以通过软件计算得到。将监测到的LVF实际与设计值进行比较，将其作为过程控制器的控制参数，在自动模式下根据需要调整配液输入的流速或排量，以保证混浆过程中LVF实际值与设计值持续相符。