早强超低密度水泥浆在致密油井云探1井的应用

田发斌，张伟，张军

（1.中国石油集团川庆钻探工程有限公司井下作业公司，四川 成都 610052；2.中国石油集团西南油气田分公司勘探事业部，四川 成都 610052）

云探1 井是西南油气田分公司在四川盆地川东地区南雅向斜的一口致密油预探井。本井已成功用Φ339.7 mm 套管封固0.00～699.54 m 井段。本开用Ф311.2 mm 钻头钻至井深2 460.00 m 中完，下入Φ244.5 mm 套管进行固井。在钻进过程中，发生多次井漏，特别是2 274 m 的漏层漏失最严重，漏速最大108.0 m3·h-1，最小54.0 m3·h-1，平均81.0 m3·h-1，注水泥浆堵漏后钻塞2 251.00～2 272.40 m 复漏，定向钻进至井深2 297.00 m，密度1.30↓1.28 g·cm-3，井漏自停。固井时井浆密度1.33 g·cm-3，动态承压试验当量密度1.60 g·cm-3。采用常规水泥浆密度固井，地层承压能力低，水泥浆一次性上返难度大，固井质量差。为了防止固井发生漏失，设计采用两凝水泥浆，领浆密度设计为1.25 g·cm-3早强超低密度水泥浆［1-5］，尾浆密度设计为1.90 g·cm-3防气窜水泥浆［6］。

1 技术难点及采取的技术措施

1.1 技术难点

1）钻进过程中发生多次井漏且漏失严重，采用常规水泥浆密度固井，注替水泥浆过程中会发生井漏，影响水泥浆返高及封固段长，固井质量难以保证。

2）超低密度水泥浆沉降稳定性是一大难题，领浆1.25 g·cm-3早强超低密度水泥浆沉降稳定性不好，影响水泥浆性能及水泥石强度。

3）油基泥浆条件下固井，水泥浆是水基，两相不相容，影响顶替效率［7］，要求隔离液对井壁的冲洗效率高。

4）大尺寸套管、大井眼固井泵注作业，对施工排量要求高，对地面施工设备要求高，施工排量达不到要求，顶替中窜槽几率大，水泥浆与井浆混浆多，固井质量难以保证。

1.2 采取的技术措施

1）采用两凝水泥浆，领浆设计为1.25 g·cm-3早强超低密度水泥浆，尾浆设计为1.90 g·cm-3防气窜水泥浆，降低液柱压力，防止井漏。

2）1.25 g·cm-3早强超低密度水泥浆中加入微硅粉、柔性剂、增韧剂、低密度水泥增强剂等外加剂，增加水泥浆的悬浮能力，提高水泥浆的稳定性及水泥石强度。

3）配制高效的冲洗型隔离液，润湿反转，使井壁和套管从亲油相变为亲水相，冲刷清洗井壁和套管，提高一、二界面水泥浆凝固后胶结质量。

4）使用双胶塞固井，避免水泥浆在套管内掺混，增加多返水泥浆量，弥补可能发生井漏造成的水泥浆损失，用两台双机泵水泥车自配自抽的地面施工工艺，确保施工连续，排量满足工艺要求。

2 早强超低密度水泥浆配方设计

2.1 配方设计原理

根据Furnas 颗粒堆积最密实级配原理，配置早强超低密度水泥浆。紧密堆积理论［8-10］是指在水泥浆中加入一些微细材料或纳米材料，通过优化不同颗粒间的搭配，使这些微细颗粒或纳米级颗粒能够有效填入到水泥等颗粒间的空隙，减少水泥石中的空隙结构，形成一种具有高浓度固相颗粒含量体系，最大化地增大颗粒间的范德华力作用，保证水泥石具有优异的力学性能。本文采用嘉华G 级、玻璃微珠、超细水泥、微硅粉组合，形成四元固相水泥浆，再加入膨胀剂、柔性剂、增韧剂、降失水剂、低密度水泥增强剂、减阻剂、油井水泥增强剂等外加剂调整水泥浆性能。

2.2 玻璃微珠

从成本方面的考虑，选择国产Y 系列空心玻璃微珠作为减轻材料。为了满足 0～30 MPa 压力范围内的固井要求，对比优选Y6000 系列空心玻璃微珠，其物理性能见表1。高性能空心玻璃微珠重量轻、体积大、导热系数低、抗压强度高、分散性、流动性、稳定性好等特点。

表1 Y 系列空心玻璃微珠物理性能

2.3 超细水泥

超细水泥粒径小,水化活性高，水泥颗粒与水的接触面大，提高了水化程度，使水泥结石内部的极小空隙变为不连通,水泥石结构均匀致密,具有较高的强度和较好的抗渗透能力，从而大大提高了水泥石的抗渗性能。

2.4 微硅粉

微硅粉作为充填材料，粒径小，比表面积较大，可以很好地充填于水泥和空心玻璃微珠颗粒之间，其含有丰富的无定形SiO2与水泥的水化产物 Ca（OH）2反应，生成低碱度的含水硅酸钙碳水化物，并产生不含或少含 Ca（OH）2的不易渗透的水泥石结构。微硅超细颗粒周围还能吸附大量水分子，水分子之间通过氢键相互连接，在微细颗粒之间形成均匀致密的网架结构，使水泥浆形成稳定的悬浮体系，且不同粒径的颗粒合理级配和极化，使水泥石更加致密，并提高了水泥石的抗压强度和抗渗能力。微硅属于纳米级材料，细小的粒子在水泥浆中不停地做布朗运动，引起扩散，不仅能很好地充填在空隙中，达到紧密堆积的目的，还能保持水泥浆的稳定性。

2.5 外加剂

外加剂采用膨胀剂SDP-1+柔性剂SD77+增韧剂 SD66+降失水剂 SD18+低密度水泥增强剂SD100+减阻剂SD35+油井水泥增强剂SDY-1+缓凝剂SD21+消泡剂SD52 的架构。膨胀剂抵消水泥石收缩；柔性剂和增韧剂提高水泥石的韧性，降低弹性模量；降失水剂降低水泥浆失水；低密度水泥增强剂提高水泥石抗压强度；减阻剂调整水泥浆流动性能；油井水泥增强剂提高水泥石早期抗压强度；缓凝剂延长水泥浆稠化时间；消泡剂消除抑制水泥浆中的气泡。

3 早强超低密度水泥浆性能评价

3.1 早强超低密度水泥浆配方

经过大量室内试验研究，确定了1.25 g·cm-3早强超低密度水泥浆配方，水泥干灰主料各组份的比例为：嘉华G 级水泥∶玻璃微珠∶超细水泥∶微硅粉=300∶160∶30∶10，水灰比0.52，各种外加剂加量，见表2所示。

表2 1.25 g·cm-3早强超低密度水泥浆外加剂加量(%)

3.2 早强超低密度水泥浆性能评价

按照云探1 井Φ244.5 mm 套管固井设计要求，试验条件49 ℃×30 min×30 MPa，测定1.25 g·cm-3早强超低密度水泥浆的流变参数、稠化时间、API失水量、游离液、沉降稳定性、抗压强度，结果见表3、表4、图1所示。表3结果表明，早强超低密度水泥浆的流性指数n为0.63，稠度系数K为0.96，具有较好的流变性能，有利于减少水泥浆摩阻，降低注水泥泵注压力，满足现场固井作业对水泥浆流性指数的要求。表4结果表明，早强超低密度水泥浆的游离液为零，API 失水量34 mL，沉降稳定性±0.02 g·cm-3，稠化时间225 min/30 Bc，符合固井水泥浆领浆稠化时间设计210～240 min 范围，48 h 抗压强度达到20.9 MPa，比普通的低密度水泥浆强度高。图1为早强超低密度水泥浆的稠化时间曲线，满足现场注水泥安全施工时间要求。早强超低密度水泥浆优异的综合性能，完全满足现场固井作业要求。

表3 1.25 g·cm-3早强超低密度水泥浆流变参数（49℃）

表4 1.25 g·cm-3早强超低密度水泥浆性能

气窜是一个很复杂的问题，影响的因素很多。国内外现场实践表明，即使注水泥工艺措施非常优良，水泥浆在候凝过程中气窜还是常有发生，只是发生气窜的程度不同而已。目前，国内外有许多评价和预测水泥浆防窜性能的模式与方法，普遍采用的有[11]：①气窜潜力系数GFP 法，该方法是由Sutton等1984年提出的，称之为“气体流动可能性”；②水泥浆性能系数SPN 法，该方法将水泥浆稠化过渡时间和水泥浆滤失速率综合考虑；③水泥浆性能系数SRN 法；④胶凝失水系数GELFL 法等几种方法。在此，运用水泥浆性能系数SPN 法对早强超低密度水泥浆进行防气窜评价。

1）水泥浆性能系数SPN 法

式中：QAPI—水泥浆30 minAPI 失水量；

t100Bc—水泥浆达到100Bc 时的稠化时间；

t30Bc—水泥浆达到30Bc 时的稠化时间。

评价标准：当0＜SPN≤3.0 时，防气窜效果好。

当3＜SPN≤6.0 时，防气窜效果中等。

当SPN＞6.0 时，防气窜效果差。

2）计算水泥浆性能系数SPN

计算水泥浆性能系数SPN 时，把表4中 数据代入水泥浆性能系数SPN 法公式，可得：

早强超低密度水泥浆SPN

=34×（2381/2-2251/2）/301/2

=2.65

参考SPN 法评价标准，可知该早强超低密度水泥浆防气窜效果好。

4 尾浆防气窜水泥浆

4.1 尾浆防气窜水泥浆配方

经过大量室内试验研究，确定了1.90 g·cm-3尾浆防气窜水泥浆配方：嘉华G 级+微硅粉+膨胀剂SDP-1+柔性防窜剂SD77+降失水剂SD18+减阻剂SD35+缓凝剂SD21+消泡剂SD52，水灰比0.44。外加剂加量，如表5所示。

表5 1.90 g·cm-3防气窜水泥浆外加剂加量(%)

4.2 尾浆防气窜水泥浆性能评价

按照云探1 井Φ244.5 mm 套管固井设计要求，试验条件49 ℃×30 min×30 MPa，测定1.90 g·cm-3尾浆防气窜水泥浆的流变参数、稠化时间、API 失水量、游离液、沉降稳定性、抗压强度，结果见表6、表7、图2所示。

表6 1.90 g·cm-3尾浆防气窜水泥浆流变参数（49℃）

表7 1.90 g·cm-3尾浆防气窜水泥浆性能

表6结果表明，尾浆防气窜水泥浆的流性指数n为0.66，稠度系数K为0.88，具有较好的流变性能，有利于减少水泥浆摩阻，降低注水泥泵注压力，满足现场固井对水泥浆流性指数的要求。表7结果表明，尾浆防气窜水泥浆的游离液为零，API 失水量36 mL，沉降稳定性±0 g·cm-3，稠化时间139 min/30 Bc，符合固井水泥浆尾浆稠化时间设计120～150 min 范围，48 h 抗压强度25 MPa，SPN 值2.47,具有优异的防气窜性能。图2为尾浆防气窜水泥浆的稠化时间曲线，满足现场注水泥安全施工时间要求。尾浆防气窜水泥浆优异的综合性能，完全满足现场固井作业要求。

5 高效冲洗型隔离液

5.1 隔离液配方设计

云探1 井是油基泥浆，水泥浆是水基，为了提高顶替效率，采用高效冲洗型隔离液，润湿反转，使井壁和套管从亲油相变为亲水相，冲刷清洗井壁和套管，提高一、二界面水泥浆凝固后胶结质量。隔离液配方：悬浮剂SD85+冲洗剂SD80+重晶石粉+消泡剂SD52+清水，密度1.25 g·cm-3。隔离液具有良好的流变性能，合适的塑粘和动切力，隔离液流变参数见表8所示。

表8 1.25 g·cm-3高效冲洗型隔离液流变参数（30℃）

5.2 隔离液冲洗效率评价

隔离液样品在水浴锅30 ℃常压养护20 min，用旋转粘度仪300 r·min-1冲洗5 min，结束后用加有5%冲洗剂SD80 的清水进行漂洗1 min。采用失重法计算冲洗效率，计算公式如下：

式中：η—冲洗效率，%；

W—旋转外筒质量，g；

W1—沾满钻井液样品的旋转外筒质量，g；

W2—沾满钻井液样品的旋转外筒清洗后质量，g。

采用失重法计算公式冲洗效率97%，见表9。冲洗效果前后对比，见图3所示。

表9 1.25 g·cm-3高效冲洗型隔离液冲洗效率（30℃）

6 现场应用

6.1 现场施工

08:00～10:00 循环钻井液；10:00～10:20 冲管线，试压30 MPa；10:20～10:30装上、下胶塞；10:30～10:34 水泥车正注冲洗液4 m3，密度1.0 g·cm-3；10:34～10:44 钻井泵正注隔离液19 m3，密度1.25 g·cm-3；10:44～10:56 水泥车正注冲洗液2 m3，密度1.0 g·cm-3；10:56～11:06 开档销、释放下胶塞；11:06～11:56 水泥车正注缓凝水泥浆93 m3，密度1.25 g·cm-3；11:56～12:04 水泥车正注快干水泥浆15.5 m3，密度1.92 g·cm-3；12:04～12:14 开档销、释放上胶塞；12:14～12:19 水泥车正注后置液4 m3，密度1.0 g·cm-3；12:19～12:55 钻井泵正注钻井液86 m3，共返出密度1.25 g·cm-3的水泥浆约12.0 m3；12:55～13:06 水泥车正注清水5.5 m3，未碰压；13:06～13:10 泄压，检查无回流；13:10～13:20 环空憋入清水2.0 m3，压力0↑2.0 MPa；13:20～20:00候凝。

6.2 固井质量

云探1 井Φ244.5 mm 套管固井测井评价井段15～2 398 m。全井段固井质量情况是：水泥胶结优良井段为86.0%,水泥胶结中等井段为13.5%,水泥胶结差井段为0.5%。全井段固井水泥胶结合格率为99.5%，全井段固井质量统计见表10。

表10 云探1 井Φ244.5mm 套管全井段固井质量统计表

7 结 论

1）早强超低密度水泥浆沉降稳定性好，失水小，稠化过渡时间短，早期抗压强度高，防气窜能力强，具有优异的固井水泥浆性能指标。

2）早强超低密度水泥浆可解决低压、易漏失地层和压力敏感地层固井作业，达到防漏、防窜、实现长封固段固井、简化施工工艺等目的，为该类型固井作业提供技术支撑。

3）高效冲洗型隔离液对油基泥浆有很好的冲洗效果，冲洗效率达到97%，对提高固井顶替效率及固井质量有很大帮助。