莺琼盆地抗高温高密度防窜水泥浆研究及应用

韩 成, 罗 鸣, 杨玉豪, 李文拓, 邓文彪

(中海石油(中国)有限公司湛江分公司)

南海莺琼盆地是世界三大高温高压地区之一，地质条件复杂，目的层地层压力系数可达2.30，井底温度可达200 ℃，高密度水泥浆难于控制候凝过程中环空气窜[1-3],安全密度窗口极窄，部分井甚至无窗口，固井时面临着气窜和井漏的双重风险。在过去已钻探的数十口探井高温高压井段固井质量均不理想，严重影响该地区高温高压勘探进程。经过几年的技术创新与实践，研制了一套密度达到2.40 g/cm3抗高温高密度防窜水泥浆体系，并成功在莺琼盆地3口高温高压探井进行成功应用，高温高压井段固井质量良好。

一、莺琼盆地高温高压固井难题

1.高密度水泥浆易气窜

莺琼盆地超高温高压目的层黄流组气层埋深4 200 m左右，现场一般使用Ø244.5 mm套管封固黄流组顶部高压砂体，下深在4 000 m左右，该井深钻井液密度一般高达2.20～2.30 g/cm3，井底静止温度(BHST)为165℃～200 ℃，井底循环温度(BHCT)为125℃～165 ℃，Ø244.5 mm套管固井时水泥浆密度达到2.25～2.40 g/cm3。在高温条件下，由于高密度水泥浆固相含量高，高温使布朗运动加剧，破坏了浆体内部的粘滞力，易造成加重材料颗粒沉降加快，水泥浆凝固后在上部容易产生自由水槽或水带，水泥石密度不均匀，莺琼盆地地层高压气体活跃，极易引起气窜[4-5]。

2.漏失和压稳矛盾突出

莺琼盆地超高温高压井安全密度窗口极窄，通过前期十余口高温高压探井钻探情况分析可知，进入黄流组地层后频繁发生井漏、溢流，部分井目的层安全密度窗口只有0.01～0.03。高温高压固井过程中，水泥浆和钻井液的密度均较高，浆体性能控制困难，给固井设计和施工带来很大困难，水泥浆的流变性较差或顶替速度稍有不当就可能压漏地层[6-8]。

二、高密度水泥浆优化设计

1.加重材料优选

为进一步提高高密度水泥浆胶体稳定性，莺琼盆地高温高压井固井水泥浆尝试使用锰矿粉替代铁矿粉加重，锰矿粉颗粒及铁矿粉颗粒扫描电镜及粒度分布结果如图1、图2所示。锰矿粉颗粒密度为4.8 g/cm3，可加重水泥浆密度至2.8 g/cm3，且锰矿颗粒粒径较小，大部分部分颗粒粒径集中在0.5～1.0 μm范围内，因而在水泥浆中悬浮性好，水泥浆浆体稳定，另外由扫描电镜结果可知，铁矿粉颗粒棱角分明，锰矿粉颗粒为球形颗粒，根据加重材料的颗粒级配和“滚珠效应”理论，锰矿粉颗粒圆形度越好，在流动过程中颗粒摩擦的过程中表现为滚动摩擦，可显著提高水泥浆的流动性，因而在同等条件下锰矿粉加重的高密度水泥浆的流变性就更好[9-10]。

图1 铁矿粉颗粒扫描电镜及粒度分布结果

图2 锰矿粉颗粒扫描电镜及粒度分布结果

2.防气窜剂优选

常规防窜剂在井温高于110℃的情况下水泥浆失水量增大，为提高高温高压防气窜能力，选用抗高温胶乳型防气窜剂BA-58L。该处理剂在水泥浆中颗粒之间聚结成对液体和气体的渗透率非常小的膜，显著提高气窜阻力；同时胶乳型防气窜剂具有一定弹性，在一定压差作用下，可充填在水泥颗粒及其他固相颗粒之间，可显著降低水泥石的渗透率[11-12]。

三、高密度水泥浆性能评价

1.综合性能评价

高密度防窜水泥浆配方如下：嘉华G级油井水泥+水+40%硅粉S-8+0.9%防气窜黏合剂BA-58L+0.35%降失水剂Ultra-7L+0.15%分散剂CD-33L+1.10%缓凝剂R-450L+0.1%消泡剂FP-12L。分别使用锰矿粉加重至2.30 g/cm3、2.40 g/cm3，水泥浆的综合性能如表1所示。

表1 高密度防窜水泥浆综合性能

由表1可知，高密度防窜水泥浆综合性能较好，失水量较低，零游离液，过渡时间段只有5 min左右，有利于封固高压气层，同时由于体系加入40%硅粉，高密度水泥浆的早期强度高温强度超过18 MPa。

2.防窜性能评价

研究表明，水泥浆顶替到环空后，环空气窜多发生在静胶凝强度48～240 Pa，在该区间内，静胶凝强度发展所用时间越短，气窜发生的可能性就越少。通过超声波水泥强度分析仪可测定密度2.30 g/cm3、2.40 g/cm3水泥浆静胶凝强度发展情况，实验结果如图3所示。由图3可知，高密度水泥浆在高温(165℃、180℃)条件下，静凝胶强度由48 Pa发展到240 Pa所用时间仅为1 min左右，静胶凝强度快速发展，可以有效地防气窜，有利于提高高温高压井固井质量。

图3 高密度水泥浆静胶凝强度发展情况

3.温敏性评价

由于温度是影响水泥浆稠化时间的关键因素，在高温高压固井过程中，井下温度的估算总会存在一定的误差，高温高压固井为保证固井作业安全，必须考虑温度波动对高密度水泥浆稠化时间的影响。室内考察了抗高温高密度防窜水泥浆在5℃温差范围内的性能变化，实验结果如表2所示。由表2可知，5℃温差范围内水泥浆的API失水、稠化时间、稠化过渡时间、水泥石强度变化均不大，均能满足现场需求。

表2 高密度水泥浆温敏性能评价

4.水泥浆稳定性评价

高密度水泥浆浆体固相含量高，加重材料易沉降，导致水泥浆凝固密度分布不均匀。室内对密度2.30 g/cm3、2.4 g/cm3水泥浆进行沉淀稳定性测试，待水泥浆完全凝固后均匀切成6节，水泥石密度测量结果如表3所示，由表3可知，高密度水泥浆沉降密度差只有0.01 g/cm3，可见锰矿粉加重的高密度水泥浆具有优良的沉降稳定性。

表3 高密度水泥浆沉降稳定性测试结果

四、现场应用

该高密度防窜水泥浆体系在莺琼盆地3口超高温高压井中得到成功应用。以LD101-E井为例，该井Ø311.2 mm井眼钻进至黄流组I气组4 089 m，Ø244.5 mm套管设计下至4 084 m，电测显示井底静止温度189 ℃，根据固井软件模拟得到循环温度为155℃，气窜风险高。同时，该井上层Ø339.7 mm套管鞋深度为3 330 m，管鞋处地层破裂压力系数为2.24；在Ø244.5 mm套管固井作业前循环期间发生井漏，发生井漏时钻井液密度为2.15 g/cm3，井底ECD为2.20。安全密度窗口仅有0.04，Ø244.5 mm套管固井作业面临井漏及压稳双重风险。

Ø244.5 mm套管固井设计采用采用水下双胶塞，首、尾浆单级固井。首浆返至Ø339.7 mm管鞋以上200 m，段长624 m，尾浆返至Ø244.5 mm管鞋以上300 m，段长300 m。顶替排量变化的设计依据是CemFACTS压力和ECD模拟，设计顶替压力不超过5.5 MPa，Ø339.7 mm管鞋处ECD不超过2.23，不会压漏地层，尾浆失重后Ø244.5 mm套管鞋当量密度2.19 g/cm3，可以有效压稳地层。首、尾浆密度为2.30 g/cm3，均使用锰矿粉加重，现场首、尾浆稠化曲线如图4所示。

图4 现场首、尾浆稠化曲线

首、尾浆均呈直角稠化，稠化过渡时间均在5 min左右。首浆可泵时间305 min，安全时间121 min；尾浆可泵时间268 min，安全时间120 min；从管线试压开始至顶替结束，整个固井作业预计历时244 min。该井固井施工过程顺利，无漏失，顺利碰压，在候凝24 h后，采用CBL(水泥胶结测井)-VDL(变密度测井)方式对固井质量进行了评价，评价结果如表4所示，由表4可知，固井水泥浆有效封隔气层，固井质量较好，满足下一步作业要求。

表4 LD101-E井Ø244.5 mm套管固井质量检测表

五、结论

(1)锰矿粉颗粒为球形颗粒，且粒径较小，锰矿粉高密度水泥浆在流动过程中颗粒摩擦的过程中表现为滚动摩擦，可显著提高水泥浆的流动性。

(2)抗高温胶乳型防气窜剂在水泥浆中颗粒之间聚结成膜，同时由于具有一定弹性，可充填在水泥颗粒及其他固相颗粒之间，可显著降低水泥石的渗透率，提高气窜阻力。

(3)通过使用抗高温胶乳型防气窜剂，以球形颗粒的锰矿粉作为加重材料，构建了一套抗高温(180 ℃)高密度(2.40 g/cm3)防窜水泥浆体系。该体系流变性较好、沉降稳定性好、稠化过渡时间短、静胶凝强度发展快，有效解决了莺琼盆地高温高压固井气窜及井漏难题。