韧性低密度水泥浆体系在相国寺储气库的应用

2022-07-23田发斌

石油化工应用 2022年6期

张伟，田发斌，余建

（四川川庆井下科技有限公司，四川广汉 618301）

相国寺是西南地区首座储气库，储气库在调峰用气和应急供气方面的重要性决定了保障储气库井安全的重要性和必要性，储气库是将已生产出的天然气重新注入地下空间，通过地质封闭特点，重新把天然气储存在目的层中，在调峰用气时，将天然气重新采出来，用以补充管线供气的不足，满足用户需求。

相国寺储气库属于枯竭型构造，构造处于川东多裂缝，高陡峭地质带，相国寺储气库注采井井深2 000 m左右，但其具有大斜度井、超低压易漏失井、多压力层系长段封固等特点，这就使得在储气库钻井建设时，各层次套管固井施工中采用常规密度水泥浆难以返至地面，固井质量难以保证，尤其是遭遇恶性漏失时，常常需要重复返灌作业，施工时效大大降低，固井质量不能保证。储气库井相对于普通注采井来说，在工作时井筒要反复承受注采气过程中所产生的交变应力作用和相应温度的变化，工程条件苛刻复杂，要求具有更长的使用年限。这就对支撑井筒的水泥环提出了较高要求，固井水泥环不但要有良好的封隔能力来防止气窜，还要在能够承受较高压力的同时具备良好的韧性。采用韧性防气窜低密度水泥浆体系，可以降低水泥浆液柱压力，防止固井时发生井漏或者降低固井浆体漏失量，以提高固井质量和水泥环的完整性。采用韧性防气窜低密度水泥浆体系，优点主要有：（1）降低环空液注压力，有效防止固井漏失；（2）提高水泥浆的返高，不涉及到固井质量的五条红线，固井质量提高有保证，同时固井施工时效大幅提高；（3）提高水泥环在长期交变应力作用下的连续性、密封性。

1 材料优选

1.1 减轻材料的优选

国内前期使用的减轻材料主要有漂珠、膨润土、水玻璃、粉煤灰等[1-5]，漂珠由于密度轻，在火力发电时期，产量大，性能稳定，是低密度水泥浆应用最为广泛的一种减轻剂，其密度一般在0.70 g/cm3左右，配合其他需水材料，可将水泥浆密度降至1.30 g/cm3以下，且具有较好的综合性能。但是，漂珠耐压能力有限，通常压力超过20 MPa 就会出现大量破碎，从而导致水泥浆密度明显上升，无法满足一些高压复杂井的要求。

高性能空心玻璃微珠是一种人造的空心微珠[6-8]，其真密度在0.20～0.60 g/cm3，粒径在2～130 μm，具有质量轻、导热系数低、抗压强度高、流动性好等特点。高性能空心玻璃微珠相比空心漂珠具有以下优点：密度可人为控制，可达到明显低于空心漂珠的密度，从而为制备性能优良的超低密度水泥浆提供良好的减轻材料。

两种材料漂珠和空心玻璃微珠基础配方：

配方1：嘉华G360 g+玻璃微珠80 g+超细水泥30 g+微硅30 g。

配方2：嘉华G330 g+玻璃微珠110 g+超细水泥30 g+微硅30 g。

根据表1 可以看出，基础配方1 号与2 号相比，1号水泥浆沉降稳定性好，上下密度差小，同密度条件下1 号水灰比更低，有利于水泥石后期的强度发展。根据实验数据及水泥浆性能要求，优选空心玻璃微珠作为韧性低密度水泥浆体系的减轻材料。

表1 同密度条件下性能对比（1.50 g/cm3）

1.2 韧性材料的优选

加入纤维或者是纤维与橡胶类的材料复配是提高水泥韧性主要的方法。纤维在水泥浆体中的主要作用有增加水泥石强度、韧性，对水泥石收缩、防腐蚀和抗渗透也有一定效果。其作用机制为：在挠曲载荷作用下，提高材料形成可见裂缝时的载荷能力；在疲劳载荷作用下阻止裂缝扩展；在冲击载荷作用下对裂纹尖端应力场形成屏蔽；显著提高水泥石的断裂韧性[9，10]。

橡胶材料在合适的加量下，对弹性模量的降低效果是最好的，橡胶材料在水泥石中的作用主要是提高水泥石的抗冲击能力，在水泥石遭受到外力时，吸收部分外力产生的功转变为自身形变，对水泥石中微裂隙的产生有抑制作用，同时对水泥环寿命的提高也显著。优选SD66 纤维增韧剂，纤维长度均小于4 mm 纤维和改性橡胶材料SD77 复配，白色固体惰性橡胶颗粒，目数在40～120，工作环境在150 ℃以下性能稳定，能满足储气库固井要求，主要作用是增加水泥石的弹性，降低弹性模量，而且该材料不吸水，便于运输和储存，加量在7%左右，可降低弹性模量25%左右（见表2）。

表2 SD77 和SD66 不同加量对水泥石强度及弹性模量影响（1.50）

随着SD77 和SD66 加量的增大，水泥石的抗压强度呈上升趋势、弹性模量呈下降趋势，当加量到达一定程度后，变化趋势不大，综合考虑水泥浆性能和水泥石的强度性能，SD77 加量为7%，SD66 加量为2%是最优值。改性橡胶粉与水泥浆相容性良好，能有效的分散到水泥浆体系中，不改变水泥浆体系的流变性。

2 低密度水泥浆配方构建

以空心玻璃微珠作为减轻剂，根据颗粒级配堆积原理，选用不同粒径的超细水泥、微硅、增强剂，不同粒径的材料与水泥颗粒匹配，形成紧密的空间堆积，能提高水泥石强度，分子间的相互作用对水泥浆浆体稳定性有很大作用。超细水泥的比表面积和反应活性，能提高并加速水泥矿物熟料的水化程度，水泥浆体的反应速度，对低温下低密度水泥浆的水泥石早期强度有极大的提高。根据基础配方确定膨胀剂和韧性剂的加量范围，使低密度水泥浆在一定的条件下，浆体稳定性好，形成的水泥石纵向密度分布要基本一致，游离液少、体积收缩小，水泥石性能达到储气库技术要求（见表3）。

表3 不同密度的水泥浆配方（干灰比例）

3 低密度水泥浆体系性能评价

3.1 流变性评价

采用空心玻璃微珠的低密度水泥浆体系的流变性能良好，其流变性能符合幂律流体，结果（见表4）。

由表4 可以看出，在30 ℃和50 ℃下流性指数较高，低密度水泥浆流性指数大于0.7，稠度系数比较高，表明水泥浆中固相材料能形成稳定的静电吸附，防止水泥浆中水泥颗粒的沉降和空心微珠的上浮，使水泥浆具有良好的稳定性。水泥浆良好的流动性，易于施工期间泵压稳定，同时对提高顶替效率和后期固井质量有极大的帮助。

表4 不同温度的水泥浆流变性能实验结果

3.2 稳定性评价

浆体的稳定性是低密度水泥浆性能最重要的指标之一。浆体的稳定性能影响后期水泥浆的失水、稠化时间及后期的水泥石强度。空心玻璃微珠的密度与水泥的密度相差较大，易出现玻璃微珠上浮，水泥下沉等分层现象。为解决浆体的沉降稳定性，加入一定量的微硅和超细高活性材料组成的增强剂。不同粒径的颗粒充填在水泥浆中，对水泥浆起到填充嵌实和悬浮稳定作用。超细水泥比表面积大，吸附大量的水分子，水分子之间通过氢键相互连接，使微细颗粒之间形成均匀、致密的网架结构，并与水泥中的其他颗粒吸附的水分子通过氢键连接，使水泥浆形成具有致密网架结构的悬浮体系[11，12]。两种密度水泥浆体系在加压前后的浆体平均密度变化（加压30 MPa，60 min）、游离液和沉降稳定性数据（见表5）。

从表5 可知，使用空心玻璃微珠作为减轻剂，加压后在温度高、密度低的条件下密度差也只有0.02 g/cm3，而1.50 g/cm3的加压后密度差几乎无变化，而且游离液都为0 mL，说明玻璃微珠承压高，低密度水泥浆稳定性好，浆体能够满足固井施工要求。

表5 低密度水泥浆承压后沉降稳定性实验结果

3.3 水泥浆滤失量和稠化性能评价

不同密度的水泥浆失水和稠化时间性能及SPN值（见表6）。

表6 不同密度水泥浆性能

由表6 可知，空心玻璃微珠低密度水泥浆体系配伍性好，流动度、稠化时间可调，SPN 值小于4，具有很好防气窜能力，水泥浆性能完全能够满足储气库对低密度水泥浆的技术要求，也能满足现场施工需要。

3.4 水泥浆力学性能评价

测试方法均按照GB/T19139-2012《油井水泥试验方法》和中石油股份公司颁布的《韧性水泥技术规范》相关规范执行，测试结果显示低密度水泥浆在低温下早期强度高，弹性模量低，而线性膨胀率高有很好的防气窜效果，水泥浆整体性能满足储气的技术要求。

4 现场应用

X13 井244.5 mm 套管固井，完钻井深1 740 m，泥浆密度1.19 g/cm3，采用两凝柔性防窜水泥浆体系固井，水泥浆采用两凝双密度水泥，快干水泥浆采用柔性自应力水泥浆体系，密度设计为1.90 g/cm3，封固井段900.00～1 740.00 m；缓凝水泥浆采用柔性自应力水泥浆体系，密度设计为1.50 g/cm3，封固井段0～900.00 m。固井施工具体流程如下：（1）采用两台双机泵水泥车以1.0～1.2 m3/min 排量泵注冲洗液10 m3；（2）排量泵以1.3～1.5 m3/min 注韧性低密度水泥浆40 m3，排量泵以1.0～1.2 m3/min 注常规韧性水泥浆34 m3，密度1.90 g/cm3；（3）释放胶塞，排量泵再以1.0～1.2 m3/min 注压塞液3.6 m3；（4）泥浆泵以2.3～2.6 m3/min 大排量替密度1.20 g/cm3的泥浆59 m3；（5）以0.6～0.9 m3/min 小排量替清水3.1 m3碰压，压力值为18.9 MPa。环空憋压2～3 MPa，最大憋入量0.5 m3，候凝48 h 测井，固井质量合格率98.8%，优质率91.6%，韧性防气窜水泥浆体系在相国寺储气库244.5 mm 套管应用3 井次，缓凝段固井质量合格率达到99%，优质率达到90%以上，下部该水泥浆体系将在黄草峡和铜锣峡储气库推广使用。