低密度水泥浆体系温度适用性研究

2021-09-10王志明王贺宁耿国伟

化工管理 2021年24期

王志明，王贺宁，耿国伟

（1.中海油田服务股份有限公司油化塘沽作业公司，天津 300459；2.天津中海油服化学有限公司，天津 300458）

0 引言

渤海海域固井作业，井底承压能力有限，井深层位各有不同。为解决井下压力窗口窄，全封固井静液柱压力高，井底承压能力不足的问题[1]，需要有针对性地开发低密度水泥浆体系。根据不同的井深，需要满足不同温度下固井作业要求。表层套管固井作业温度低，技术套管以及生产套管固井作业温度偏高，尤其深井、超深井固井作业时需要的温度会更高，这就要求固井水泥浆在应用时具有宽泛的温度跨度。结合现场固井施工作业材料种类繁杂，如果同时存在多套水泥浆体系进行现场作业的情况，极易出错，造成施工作业事故。因此，亟待开发出一种低密度水泥浆体系，满足固井作业材料种类少，施工可操作性强，具有广泛的温度适用性等特点。

1 水泥浆体系介绍

本论文研究的低密度水泥浆体系，着重对低密度混合材组成进行优化设计。根据水泥浆组成材料颗粒堆积理论模型，选择不同粒径的胶凝材料进行紧密堆积。一方面，在水泥浆水化过程中充分分布于水泥浆浆体空隙中，起到良好的充填作用，另一方面，可以提高水泥石的致密性，有效促进水泥石早期强度发展。

在低温段，通过引入早强促凝材料，缩短水泥浆稠化时间，促进水泥石强度快速发展；在中高温段引入缓凝材料，有效延长水泥浆稠化时间，以满足现场施工作业要求。低密度人造玻璃微珠可有效降低水泥浆密度，减少水灰比，降低自由水，提高单位体积内固相颗粒含量，促进水泥石强度发展[2-3]。在高温段，水泥石容易出现高温衰退问题，需要进一步提高水泥浆浆体硅钙比。在该体系设计过程中，引入结晶型二氧化硅并通过实验研究找到合适的加量以解决此类问题[4-5]。

经过大量的实验研究，对水泥浆温度适用性进行深入的研究，最终构建一套性能优异的低密度水泥浆体系，水泥浆密度为1.50 g/cm3。

2 低密度水泥浆体系室内研究

2.1 低密度水泥浆体系构建

该低密度水泥浆体系以山东 “G”级油井水泥为基质，以AMPS类降失水剂为主剂[6]，以低密度混合材进行颗粒级配，辅以固井水泥浆添加剂构建而成。低密度混合材是以人造玻璃微珠辅以多种胶凝材料以及功能材料混合而成，具有适用范围广、悬浮稳定性好、可调性强和强度发展快的优点。

水泥浆配方如表1所示，3种配方涵盖了从低温到高温的低密度体系水泥浆配方，并且保证水泥与低密度混合材等干混材料比例保持一致，现场施工更加方便、可操作性强。低温配方中通过加入促凝剂、中高温配方中使用缓凝剂来调整水泥浆稠化时间；高温配方3中加入一定比例的硅粉来调整水泥浆硅钙比，防止高温水泥浆强度衰退。从表1数据可以看出该水泥浆体系配方简单，材料种类少，有利于现场管理，施工更加方便快捷，避免出现作业事故。

表1 水泥浆体系配方

低密度水泥浆常规性能如表2所示，从表2结果可以看出，3套水泥浆配方，均能有效控制API失水，浆体流变性能良好，浆体具有良好的沉降稳定性，24 h抗压强度均超过14 MPa，能够满足现场的固井需求。并且三套配方水泥浆稠化曲线线型良好，无鼓包、台阶等异常现象出现，且均为直角稠化、过渡时间短，说明水泥浆稳定性良好且具有良好的防气窜性能。

表2 1#水泥浆常规浆体性能

2.2 低密度水泥浆性能研究

2.2.1 稠化时间可调性

在表1配方的基础上，选取实验温度为30 ℃与60 ℃，在其他添加剂不变的情况下，通过改变促凝剂与缓凝剂加量研究水泥浆体系稠化时间可调性。

低温配方，使用促凝剂来对稠化时间进行调节，随着促凝剂加量的增大，水泥浆稠化时间随之变短，具有良好的线性关系；中高温配方，使用缓凝剂来对稠化时间进行调节，随着缓凝剂加量的增大，水泥浆稠化时间随之延长，具有良好的线性关系。因此，此低密度水泥浆体系稠化时间具有良好的规律性和可调性。

2.2.2 适用温度范围

在表1配方的基础上，不改变其他添加剂加量，仅调整缓凝剂的加量，研究该水泥浆体系的温度适用性，实验结果如表3所示。

表3 水泥浆温度适用性研究

从表3实验结果可以看出，该水泥浆体系在30～110℃范围内，通过对调凝剂加量的调节，能够使各个温度条件下稠化时间满足现场需求，同时水泥石抗压强度均超过14 MPa，可满足后续钻进，保障层间封隔的有效性。上述实验结果表明，该水泥浆体系可以在30～110℃范围正常使用。

2.2.3 低密度水泥浆性能对比

文章研究的低密度水泥浆体系与原有低密度体系进行性能对比，低密度体系人造微珠含量降低，同时水泥浆固相含量降低，在稠化时间（50 ℃）相近的条件下，24 h抗压强度（50 ℃）从12.80 MPa提高至15.99 MPa，说明此低密度水泥浆体系具有良好的经济性和综合性能。

3 现场应用

该低密度水泥浆体系在渤海多个区块得到现场应用，固井质量优良，应用效果良好，能够满足不同温度条件下的固井需求，以现场某某井7.625套管固井为例进行说明。

3.1 基本数据

井深：1 986 m，套管下深：1 983.3 m，浮箍深度：1 957.47 m，尾浆顶深：1 286 m，上层管鞋深度：572 m，领浆顶深422 m，BHCT（井底循环温度）：58 ℃，BHST（井底静止温度）：72 ℃；水泥浆采用领尾浆设计，水泥浆密度均为1.50 g/cm3，稠化时间根据现场要求进行调节，24 h抗压强度超过14 MPa，水泥浆性能良好。