杜金鑫

（中國石化西南石油工程有限公司固井分公司）

塔中順南區(qū)塊固井水泥漿技術(shù)研究

杜金鑫

（中國石化西南石油工程有限公司固井分公司）

順南區(qū)塊固井作業(yè)存在井深、溫度高、環(huán)空間隙小、施工壓力高和油氣活躍等特征，前期勘探井固井質(zhì)量差。針對區(qū)塊固井難點(diǎn)，研究出一套適合于該地區(qū)的水泥漿體系——液硅配合膠乳水泥漿體系。并應(yīng)用到順南5-2井177.8 mm尾管施工中，取得了良好的效果。圖4表5參4

順南固井水泥漿

順南區(qū)塊是塔中油田北部以奧陶系為主要目的產(chǎn)層的新勘探區(qū)塊。在此區(qū)塊所布的勘探、評價井井深大都超過7000 m。本開固井時井底靜止溫度通常會在170℃以上，部分井超過200℃，在如此高的溫度下如何保證固井液性能穩(wěn)定，水泥石強(qiáng)度不衰退是最大難點(diǎn)。再者進(jìn)入奧陶系后氣層顯示開始活躍，水泥漿失重時面臨著很大的氣竄風(fēng)險，怎樣保證水泥漿在注替和候凝時壓穩(wěn)層間流體，保障固井質(zhì)量是本文關(guān)注的重點(diǎn)。通過研究，使用抗高溫膠乳防氣竄水泥漿體系成功應(yīng)對順南區(qū)塊固井難點(diǎn)，取得良好的效果。

1 固井難點(diǎn)

本區(qū)塊固井難點(diǎn)有以下幾點(diǎn)。

1.1 井深

順南區(qū)塊目的層是奧陶系，深度超過7000 m屬于超深井范圍。井底靜止溫度達(dá)到170℃以上，循環(huán)溫度135℃以上，井內(nèi)鉆井液流變性能會變差，攜砂能力減弱，水泥漿可能將泥沙攜帶至環(huán)空小處造成憋泵。再者高溫會使水泥漿性能急劇下降，失水增大，沉降穩(wěn)定性變差，稠化時間縮短，水泥石強(qiáng)度衰減。這些變化都會影響固井施工安全和固井質(zhì)量。

1.2 重疊段長，環(huán)空小，固井質(zhì)量不易保障

目前在順南區(qū)塊井身結(jié)構(gòu)是Ф244.5 mm掛Ф177.8 mm尾管，且重疊段在500 m左右，水泥環(huán)薄，會對固井質(zhì)量產(chǎn)生直接影響。且重疊段過長可能造成高泵壓。

1.3 氣層活躍防氣竄難度大

當(dāng)鉆井至奧陶系一間房組、鷹山組和蓬萊壩組時均有強(qiáng)的油氣顯示，在勘探初期幾口井均在掃塞后出現(xiàn)后效，有氣竄發(fā)生。

為了克服順南區(qū)塊高溫高壓、低壓易漏且防竄難度大的實(shí)際困難，需要研制一種符合順南區(qū)塊使用的抗高溫防氣竄水泥漿體系。

2 超高溫膠乳防竄水泥漿技術(shù)

本文重點(diǎn)解決在超高溫環(huán)境下水泥漿的穩(wěn)定性及防氣竄效果。而膠乳水泥漿具有良好的控失水和熱穩(wěn)定能力，且具有很好的防氣竄功能[1]。本文所研究使用加入液硅的超高溫膠乳水泥漿能夠強(qiáng)化普通膠乳水泥漿優(yōu)點(diǎn)，膠乳和液硅兩者協(xié)同作用使水泥漿能在超高溫的環(huán)境下保持良好的防氣竄功能[2[，更加適合順南區(qū)塊的超高溫復(fù)雜井況。

2.1 水泥漿高溫失水性能研究

通過大量實(shí)驗(yàn)總結(jié)出一個基本配方如下：

AG+16%硅粉(180目)+24%硅粉（80目）+X%降失水劑DZJ-Y+Y%膠乳DC200+0.8%膠乳穩(wěn)定劑SD-1+8%液硅SCLS+2.6%緩凝劑DZH-L+1.2%消泡劑DZX+0.5%分散劑DZS+42%水

相關(guān)性能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1~表3。

表1 DZJ-Y加量對水泥漿失水量的影響

從表1中可以看出，單獨(dú)使用降失水劑、加量達(dá)到5%時可以控制失水，且隨著降失水劑加量的增加失水量線性減少，但是降失水劑加量達(dá)到10%后也不能把失水控制在50mL以下。由于生產(chǎn)尾管API失水必須控制在50 mL以下，故需要繼續(xù)優(yōu)化水泥漿體系。

表2 DC200加量對水泥漿失水量的影響

從表2中可以看出，加入膠乳后可以減少水泥漿的失水量，當(dāng)加量達(dá)到10%時能夠控制水泥漿失水，隨著加入加量的增加水泥漿失水量減少，但單獨(dú)使用DC200并不能將失水控制在50 mL以下且膠乳加量增加會“犧牲”水泥漿的流動性能，從經(jīng)濟(jì)方面考慮也不允許無限增加膠乳量。

表3 DC200與DZJ-Y復(fù)配對水泥漿失水量的影響

從表3得到：使用降失水劑和膠乳進(jìn)行復(fù)配，確定膠乳加量后，隨著降失水劑加量增加失水量線性減小，且流動度不會小于22 cm，當(dāng)降失水劑加量達(dá)到8%時可以將失水量控制在50 mL以下。當(dāng)加入膠乳穩(wěn)定劑SD-1后，沒有出現(xiàn)水泥漿閃凝和失去流動性的情況。這是由于膠乳摻入水泥漿后，膠乳分子中的官能團(tuán)吸附于水泥顆粒的表面，在壓差及水泥水化的作用下，乳液中的水量減少，膠乳顆粒則相互靠近直至膠粒相互接觸,而膠?？紫堕g的毛細(xì)管壓力則隨著水分的進(jìn)一步減少而增大，在毛細(xì)管壓力作用下膠粒被推壓在一起，形成均勻的聚合物膜，在物理性質(zhì)上由流體變?yōu)楣腆w，宏觀表現(xiàn)為在交界面處形成了一層薄膜，這層膜在降低水泥漿失水量的過程中起主導(dǎo)作用。此外，膠乳中膠粒具有良好的彈性，在形成濾餅時一部分膠粒擠塞并充填于水泥顆粒間的空隙中，而使濾餅不但具有很好的可壓縮性，而且變得致密，可有效地降低失水量［3］。水泥漿中加入聚合物型降失水劑其高分子能夠堵塞失水通道，有效減少失水，與膠乳相互配合達(dá)到高溫下控制失水的目的。

2.2 水泥漿防氣竄性能研究

在順南區(qū)塊防竄是水泥漿的關(guān)鍵技術(shù)。實(shí)驗(yàn)溫度為140℃，根據(jù)SPN值進(jìn)行評價。當(dāng)水泥漿SPN值小于3時能夠有效防止氣竄發(fā)生。

實(shí)驗(yàn)配方為：AG+16%硅粉(180目)+24%硅粉（80目）+2%降失水劑DZJ-Y+X%膠乳DC200+0.8%膠乳穩(wěn)定劑SD-1+Y%液硅SCLS+2.6%緩凝劑DZHL+1.2%消泡劑DZX+0.5%分散劑DZS+42%水。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4。

表4 DC200與SCLS加量對水泥漿SPN值的影響

從表4中得到不加膠乳和液硅的情況下，水泥漿的SPN值為6.32遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于3，說明防竄效果很不好。隨著膠乳和液硅的加入能有效降低SPN值，達(dá)到防竄的效果，但是單獨(dú)使用效果不如復(fù)配使用，如圖1所示，復(fù)配情況下靜膠凝強(qiáng)度增長迅速，靜膠凝強(qiáng)度過渡時間小于30 min，防氣竄效果好。

圖1 DC200與SCLS復(fù)配對水泥漿防竄性能影響

膠乳水泥漿防氣竄機(jī)理為：在水泥凝結(jié)硬化期間，剛開始發(fā)生微滲漏就形成膜，即在水泥與地層接觸的界面形成膜,在水泥體的孔隙內(nèi)形成膜,最大程度地改善了水泥與地層、水泥與套管的膠結(jié)，從而防止沿界面產(chǎn)生的竄槽。即使有地層氣體進(jìn)入水泥基體，但由于膠乳粒子的聚集和交聯(lián)而自動堵孔，也能使氣體不能繼續(xù)竄動。

液硅的主要化學(xué)成份是活性微粒，因其具有很好的水化活性，因此在水泥水化過程中能與生產(chǎn)的Ca（OH）2反應(yīng)生成凝膠，使水泥漿凝固過程中產(chǎn)生體積微膨脹，促進(jìn)水泥固化過程的膠凝強(qiáng)度發(fā)展，大大降低水泥石的滲透率，從而使水泥石具有高氣侵阻力。且液硅的超微細(xì)粒徑使其具有很大的比表面積，如圖2所示。能夠迅速提高水泥漿的膠凝速度，增加氣竄阻力，由于顆粒微細(xì)，大大增加了膠結(jié)面的“著力點(diǎn)”，提高了膠結(jié)質(zhì)量和膠結(jié)力，大大改善固井界面膠結(jié)質(zhì)量。

圖2 液硅SCLS微觀形態(tài)（平均粒徑0.15 μm）

2.3 水泥漿熱穩(wěn)定性能研究

順南區(qū)塊井底靜止溫度通常超過170℃，循環(huán)溫度超過140℃，在如此高溫下如何保證水泥漿的穩(wěn)定性是很大的難題。本文中所使用的主要外加劑均有耐高溫特性。如圖3所示，水泥漿在150℃實(shí)驗(yàn)條件下稠化曲線平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)“鼓包”現(xiàn)象。如圖4所示，（右邊試管內(nèi)為膠乳水泥漿）水泥漿在150℃養(yǎng)護(hù)后與未加膠乳和液硅水泥漿沉降穩(wěn)定性比較具有良好的沉降穩(wěn)定性。原因是在膠乳水泥漿中，隨著溫度升高，膠乳粒子與水分子以氫鍵方式相互連接，形成網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。膠乳粒子間形成多系C—C鍵整體交聯(lián)，交聯(lián)結(jié)構(gòu)聚集形成交聯(lián)密度較高的C—C鍵，膠乳粒子本身存在不飽和雙鍵，在高溫高壓下不飽和雙鍵被打開，與水泥中的SiO2形成硅膠，與水泥中的氧原子、硫原子形成氧橋和硫橋，構(gòu)成網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。根據(jù)能量守恒定律，要破壞膠乳水泥漿結(jié)構(gòu)需要較高的能量，因此該水泥漿具有較高的耐溫性[4]。

圖3 稠化曲線

圖4 沉降穩(wěn)定性

3 現(xiàn)場應(yīng)用

順南5-2井是位于塔中油田塔中北坡順南斜坡區(qū)的一口評價井，設(shè)計(jì)井深7414 m，目的層位是奧陶系下統(tǒng)蓬萊壩組，四開采用Ф215.9 mm鉆頭鉆至井深6920 m中完，下入Ф177.8 mm生產(chǎn)尾管。井底靜止溫度為178℃，循環(huán)溫度達(dá)到145℃，實(shí)驗(yàn)溫度150℃。進(jìn)入奧陶系后油氣顯示活躍，全烴值超過80%。此井超高溫和活躍的油氣顯示都對水泥漿體系提出了很大的挑戰(zhàn)。

針對順南5-2井況調(diào)制出水泥漿：AG+16%硅粉(180目)+24%硅粉（80目）+2%降失水劑DZJ-Y+8%膠乳DC200+0.8%膠乳穩(wěn)定劑SD-1+8%液硅SCLS+ 2.6%緩凝劑DZH-L+1.2%消泡劑DZX+0.5%分散劑DZS+42%現(xiàn)場水。

其性能檢測數(shù)據(jù)見表5。

表5 水泥漿性能

從表5中可以看出水泥漿失水控制良好，且沉降穩(wěn)定性能優(yōu)秀，流動度達(dá)到21cm，水泥漿熱穩(wěn)定性好，過渡時間短，防竄能力強(qiáng)，且強(qiáng)度發(fā)展迅速。性能完全滿足井況的要求。固井后通過CBL解釋固井優(yōu)良率達(dá)到75%，取得了良好的效果。

4 結(jié)論

1.DC200膠乳具有成膜和擠塞作用，使水泥漿在高溫下能夠有很好的降失水性能。適用于井底溫度超過150℃的高溫高壓深井、超深井固井施工。

2.DC200膠乳交聯(lián)、聚集作用配合SCLS大比表面積液硅提高膠凝強(qiáng)度共同作用,能在超高溫的環(huán)境下發(fā)揮水泥漿出色的防氣竄能力，具有很好的防竄效果。

3.DC200膠乳+SCLS液硅超高溫防竄水泥漿體系具有良好流動性，0析水，可有效提高固井質(zhì)量，滿足順南地區(qū)固井施工實(shí)際需要。

1姜宏圖，肖志興.丁苯膠乳水泥漿體系研究和應(yīng)用[J].鉆井液與完井液，2004，24（9）.

2趙林，羅鳴.丁苯膠乳對油井水泥漿性能的影響研究[J].天然氣工業(yè),2004,24(12).

3馬永乾，徐依吉，王槐平，等.高溫防氣竄膠乳水泥漿的室內(nèi)研究.鉆井液與完井液，2007.24(6).

4楊建雄，楊寶國，胡小蘭，等.高溫高壓固井防氣竄技術(shù).江漢石油職工大學(xué)學(xué)報，2009.22(2).

（修改回稿日期2015-09-02編輯景岷雪）

杜金鑫,男，1982年出生，工程師；2005年畢業(yè)于西南石油大學(xué)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)，現(xiàn)中石化西南石油工程有限公司固井分公司從事固井工作。地址：(618000)四川省德陽市廬山南路一段81號西南固井。電話：15883693322。E-mail：583101327@qq.com