低破碎水泥浆在苏里格气田的应用

付雄涛 马永飞 刘佳凡

中国石油集团川庆钻探工程有限公司长庆固井公司 陕西 西安 710018

引言

苏里格气田是目前我国开发难度较大的低渗透、低压、低丰度的典型“三低”特大型气藏，地质构造错综复杂，岩性发育层理交错，洛河组、延安组、刘家沟组等地层承压能力低，钻固井过程中容易发生漏失[1]。随着气藏的大力开采，地层压力逐渐降低，为满足一次上返固井，低密度水泥浆体系发挥着关键作用。低密度水泥浆体系主要是通过增大需水量、掺入减轻材料、充入气体等方式实现[2]。受水泥浆综合性能和施工工艺制约，苏里格气田使用的低密度水泥浆主要是通过加入减轻材料来实现。常用的漂珠、珍珠岩等减轻材料，能将水泥浆密度降至1.30g/cm3左右，但存在破碎率高等缺点，在经过井底高压后实际密度增加0.08～0.12g/cm3左右，减轻效果变差。苏里格气田桃2、苏54等区域部分漏失区块，漏失当量密度在1.25～1.30g/cm3左右，施工中极易发生漏失。需要调配出密度1.20～1.30g/cm3的破碎率低、材料来源广泛、成本低的水泥浆体系，满足固井需求。

1 水泥浆体系的研制

1.1 减轻材料的类型及性能

目前常用的低密度水泥浆减轻材料种类较多，但主要包括玻璃微珠、漂珠、珍珠岩、粉煤灰、微硅等[3]。不同的减轻材料来源不同，性能差异较大，所配制的水泥浆体系都有一定的密度限制。

漂珠是煤燃烧的副产物，其直径范围大约在25～300μm，随着火电厂燃煤方式的改变，漂珠的产量越来越少。珍珠岩属于火山玻璃质熔岩，属富含SiO2的酸性岩类，密度一般为2.40g/cm3，堆积密度为0.10～0.20g/cm3，孔隙间可吸存比自质量重5～6倍的水分。这两类减轻材料耐压能力有限，通常压力超过20MPa就会出现大量破碎，致使实际水泥浆密度明显增加，无法满足一些高压易漏井的要求。粉煤灰作为一种来源广、成本低，且具有潜在活性的减轻材料，具有较好的应用价值。其形状各不相同，粒度大小不等，一般在0.5～300μm，堆积密度为1.00～1.80g/cm3，真密度为2.0～2.6g/cm3，其配置的水泥浆密度一般在1.50～1.55g/cm3。玻璃微珠是一种人造的空心微珠，其真密度在0.20～0.60g/cm3，粒径在2～130μm之间，具有重量轻、抗压强度高、流动性好等特点。其优点是可人为控制密度，从而为制备性能优良的超低密度水泥浆，耐压程度可通过工艺控制，制备出耐压程度很强的空心微珠，从而满足高压复杂地层的固井需求。其缺点是成本很高，在低成本开采模式下不利于其推广应用[4]。微硅可以从多种途径获得，如球磨石英砂、火力发电厂烟道粉尘、硅铁合金生产过程中得到的副产物硅灰等，SiO2的量达90%，密度为2.50～2.60g/cm3。常用的减轻材料来源、主要成分及配浆密度如表1所示。

表1 常用减轻材料类型及相关性能

由表1可知，在常用的减轻材料中玻璃微珠可以很好地配制1.30g/cm3以下的低密度水泥浆，珍珠岩复配一些的其他的需水材料也可以使水泥浆降至1.30g/cm3。

1.2 减轻材料的选择

单一的减轻材料配制的水泥浆往往存在一定的缺陷，实践中通常采用多种减轻材料复配在一起使用，以达到更加的效果。良好的减轻剂要具备较高的承压能力、稳定性好、能抗高温、水泥石强度高，且成本低、来源广泛，易大面积推广等特点，以提高固井质量和效益。复合减轻材料的选择主要参照紧密堆积理论来指导，紧密堆积体系里的大、中、小不同粒径级别的成分，以最佳的比例实现最为紧密的堆积，孔隙度最小，实现较好的稳定性和较低的破碎率。

通过评价筛选，以实芯的超细粉体为主要材料的次纳米硅CXW复合材料具有较高抗压强度。该材料主要以粒径尺寸不同的超细矿渣、超细微硅、粉煤灰、珍珠岩等复配，加以合适的激活剂，有效控制水化速度，对粉煤灰和矿渣进一步激活，更好地提高体系的结构强度。该复合材料的组分粒径分布如表2所示。

表2 复合减轻材料粒径分布

1.3 水泥浆体系的确定

良好的水泥浆体系要满足流动性好，具有良好的沉降稳定性，经过井底高压后破碎率低，稠化时间满足施工要求且稠化时间可调。通过室内大量的实验筛选，以次纳米硅CXW复合材料、粉煤灰为主要减轻材料，再加以珍珠岩、微硅及降失水剂和缓凝剂，调配出密度为1.25g/cm3的低破碎水泥浆体系，稠化时间可调。基浆配方为：30%G级水泥+40%次纳米硅CXW+20%粉煤灰+10%珍珠岩+微硅+降失水剂+缓凝剂，水固比1.1，密度1.25g/cm3。

2 水泥浆性能对比评价

2.1 破碎率对比实验

实验主要通过增压稠化仪来测试水泥浆的耐压能力。具体做法是：配制低密度水泥浆体系测定起初始密度，在增压稠化仪内加压至一定压力并保持恒定压力30min，再取出浆杯测试加压后水泥浆的密度，减轻剂含有一定的空心材料，存在随压力增加水泥浆密度增大的情况，水泥浆前后密度差反映出水泥浆的破碎率高低。实验中分别对常用的复合低密度、低密高强、轻珠水泥和低破碎体系进行加压40MPa实验，测试结果如表3所示。

表3 不同水泥浆体系加压40MPa后密度变化

由表3可知，在加压后轻珠体系密度增加最大，体系破碎率最高，低破碎体系密度增加最小，体系破碎率最低。

实验针对低破碎体系，在不同的压力下进行测试，30MPa压力下密度增加0.02g/cm3，50MPa压力下密度增加0.05g/cm3，60MPa压力下密度增加0.05g/cm3。通过实验可以看出该体系超过50MPa后破碎率基本不再增加，密度增加值保持0.05g/cm3，在深井中使用仍具有较低的破碎率。

2.2 流变性能对比实验

通过六速旋转黏度计测量常温常压下不同水浆体系的流变性能，其结果如表4所示。由表中数据可以看出，低破碎水泥浆体系稠度系数k值小，流行指数n值大（接近于1），浆体具有较好的流动性。

表4 不同水泥浆流变参数

对低破碎水泥浆体系分别加30MPa、40MPa和50MPa压力后，测试其流变参数，如表5所示。由表中数据可知，加压后水泥浆仍具有较大的流性指数和较小的稠度系数，说明水泥浆经过高压后破碎率低，耐压能力好。

表5 低破碎水泥浆加压后流变参数

2.3 综合性能评价

室内对低破碎水泥浆沉降稳定性、游离液、API失水、抗压强度等进行测试，结果如表6所示。由表可以看出，该水泥浆稳定性好、游离液低，抗压强度能满足支撑套管要求（24h强度大于3.5MPa），稠化时间可调，能够满足现场固井施工要求。

表6 低破碎水泥浆性能参数

3 现场应用

采用该低破碎水泥浆体系在苏里格区块现场应用2口井。苏54-24-101H4井，Φ177.8mm技术套管下深3805m，使用低破碎水泥浆40m3，常规密度水泥浆15m3，施工压力0～20～25MPa，该低密度水泥浆封固2625～3300m，封固段一界面合格率100%，二界面合格率94.7%。苏东48-84井，Φ114.3mm生产套管下深3623m，使用复合低密度21m3，低破碎水泥浆37m3，常规密度水泥浆8m3，施工压力0～22.5～27MPa，该低密度水泥浆封固1200～3100m，封固段一界面合格率93.6%，二界面合格率91.2%。

4 结束语

根据颗粒级配和紧密堆积理论，筛选出以超细矿渣、超细微硅为主要材料的次纳米硅CXW复合减轻材料，搭配一定比例珍珠岩、粉煤灰及相应外加剂，调配出密度1.25g/cm3的低密度水泥浆体系。该体系经高压后破碎率低，在经过井底后密度增加值小，浆体流动性好，在深井和漏失井固井中具有较好的效果，在苏里格气田应用2口井，固井质量良好。