田寶振 覃毅 高飛 張偉 張曄 李利軍

中國石油渤海鉆探工程有限公司第一固井分公司

ZG112井位于塔中1號氣田，屬于碳酸鹽巖油藏油氣井，為提速降本增效，優(yōu)化了井身結構，因此需要一次封固長裸眼段［1］。該井鉆遇古近系、白堊系、三疊系、二疊系、石炭系、泥盆系、志留系、奧陶系桑塔木組、奧陶系良里塔格組，一開使用?406.4 mm鉆頭鉆至1 503 m，下入?273.05 mm套管至1 503 m，二開使用?241.3 mm鉆頭鉆至6 132 m，下入?200.03 mm套管采用單級全井封固。因地層存在低壓易漏井段，需要采用低密度水泥漿進行固井，目前常用的漂珠低密度水泥漿，漂珠的密度較高(0.7 g/cm3)，在井下高壓條件下易破碎，水泥漿密度增大，制作超低密度水泥漿時有一定的壓力局限性［2］；純3M微珠低密度水泥漿成本較高，珍珠巖、海泡石配制的低密度水泥漿形成的水泥石抗壓強度低［3］，因此需要一種較低成本高性能的低密度水泥漿用以解決長封固段井漏難題。

1 技術難點

(1)該井裸眼段穿越不同壓力層系的地層，二疊系地層承壓能力低，漏失風險大，下套管及固井過程中易發(fā)生漏失，造成水泥返高達不到設計要求。

(2)超長封固段(6 132 m)固井，靜液柱壓力高，流動摩阻大，易發(fā)生井漏。

(3)井底溫度 130 ℃，上下溫差大 (110 ℃)，頂部水泥石強度發(fā)展緩慢，或者長期不凝固，出現(xiàn)超緩凝現(xiàn)象。

(4)井徑不規(guī)則，存在糖葫蘆大肚子井段，頂替效率低。

(5)長封固段水泥漿失重，難以壓穩(wěn)地層，地層不同壓力系統(tǒng)油氣水竄，固井質量難以保證。

2 水泥漿配方優(yōu)化設計

2.1 粒度優(yōu)化

利用顆粒級配原理［4-5］，優(yōu)選了G級水泥、3M微珠、微硅和粉煤灰四元體低密高強度水泥漿。微珠直徑 15～135 μm，抗壓強度 82 MPa，密度0.60 g/cm3；粉煤灰顆粒的粒徑 0.5～300 μm，比表面積較大，具有較高的吸附活性；微硅密度2.1～2.4 g/cm3，平均粒徑約為0.15 μm，比表面積大，可提高體系穩(wěn)定性和反應活性，減少充填水，增強體系致密性［6］。

2.2 水泥漿配方設計

根據(jù)需求，優(yōu)選降濾失劑、分散劑、緩凝劑和消泡劑，保證水泥漿的整體性能滿足要求。降濾失劑為共聚物，其分子結構中引入了多種官能團，在高溫、高含鹽的情況下性能穩(wěn)定，同時具有一定的分散性能，在很寬的溫度范圍內具有優(yōu)良的降失水性能。緩凝劑在大溫差下強度發(fā)展良好，可消除長封固段固井頂部水泥漿超緩凝的問題，適用溫度范圍廣，且適用于高、低密度水泥漿體系。

實驗材料：G級水泥，新疆阿克蘇水泥廠；硅粉、粉煤灰和微硅，新疆庫爾勒互力有限公司；微珠，美國3M公司；防氣竄劑FLOK-2，成都歐美克石油科技股份有限公司；纖維，西南石油大學提供；降濾失劑、分散劑、緩凝劑和消泡劑，蘭德(廊坊)石化環(huán)保設備有限公司。

水泥漿基本配方：G級水泥+微珠+粉煤灰+微硅+降濾失劑LANDY-806L+緩凝劑LANDY-602L+分散劑LANDY-906L+消泡劑LANDY-19L+水。

2.3 不同微珠對水泥漿性能的影響

密度1.30 g/cm3水泥漿配方：G級水泥+25%微珠+62%粉煤灰+11%微硅+4.5%降濾失劑LANDY-806L+0.6%緩凝劑LANDY-602L+1%分散劑LANDY-906L+0.2%消泡劑LANDY-19L+59%水。

用普通漂珠替換3M微珠加入水泥中，與3M微珠水泥漿進行對比，水泥漿性能實驗數(shù)據(jù)見表1，可以看出普通漂珠配制出的低密度水泥漿流變性差，沉降穩(wěn)定性差，強度低。

2.4 微硅對水泥漿性能的影響

密度1.35 g/cm3水泥漿配方：G級水泥+21%微珠+75%粉煤灰+9%微硅+4.5%降濾失劑LANDY-806L+0.6%緩凝劑LANDY-602L+1%分散劑LANDY-906L+0.2%消泡劑LANDY-19L+58%水。對不加微硅和加入9%微硅的低密度水泥漿進行性能評價，由表2可以看出，加入微硅的低密度水泥漿流動度有所降低，失水低，沉降穩(wěn)定性好，滲透率低，水泥石抗壓強度高。

表2 微硅對低密度水泥漿性能的影響Table 2 Effect of micro-silicon on the performance of low-density cement slurry

3 低密度高強度水泥漿性能評價

3.1 水泥漿常規(guī)性能

通過四元體不同比例和不同的水固比可以配置密度1.15～1.35 g/cm3的低密度水泥漿，從表3可看出，5種不同密度水泥漿流動度好，失水＜50 mL，游離液為0，稠化時間可調，抗壓強度(80 ℃、21 MPa/48 h)可達到14 MPa以上，沉降穩(wěn)定性好。

表3 低密高強水泥漿性能Table 3 Performance of low-density,high-strength cement slurry

3.2 韌性堵漏材料

采用纖維進行堵漏，可同時增加水泥石的韌性。優(yōu)選了XL-100纖維，該纖維是一種以有機聚合物為原料，對表面進行特殊工藝處理的高強度有機聚合物單絲短纖維，對水泥漿的綜合性能影響小。XL-100纖維密度0.91 g/cm3、抗拉強度≥270 MPa、彈性模量3.8 GPa，耐化學腐蝕，在水中可立即分散成為單絲，不結團，與水泥漿黏結性好。每根單絲纖維長度約5 mm，圓形截面直徑為48 μm。

采用上述5#配方的水泥漿，對不加纖維和加入1%纖維的低密度水泥漿進行抗沖擊韌性、抗折強度和彈性模量測試，結果見表4。

表4 水泥漿韌性測試結果Table 4 Tested toughness of cement slurry

由表4可知，加入纖維的低密度水泥石較不加纖維的低密度水泥石抗沖擊韌性提高18%左右，抗折強度提高10%左右，彈性模量下降約17%。纖維的加入能傳遞應力，使水泥石應力集中程度減小，改善水泥石韌性，有利于固井界面膠結，提高水泥石抗壓強度和抗外力沖擊能力［7］。

采用堵漏水泥漿對不同規(guī)格的裂縫分別進行靜態(tài)和動態(tài)堵漏實驗。按照1 m3漿中加1 kg纖維的加量，對縫長30 mm、縫高6 mm的裂縫靜態(tài)堵漏后，承壓能力可達到7 MPa。動態(tài)堵漏模擬實驗結果見表5，可以看出，該堵漏水泥漿對于長裂縫性及高滲透性漏失地層具有很顯著的堵漏效果。堵漏原理主要為纖維自身所具有的搭橋成網和不同級配固相顆粒的填充特性，當堵漏纖維與水泥漿體作用進入漏層時則可形成“濾網結構”，增加水泥漿體的流動阻力，借助于水泥漿的水化膠凝作用和未水化固相顆粒的填充作用，達到堵漏和提高地層承壓能力的目的［8］。

向低密度水泥漿中加入0%、0.5%和1%的纖維，水泥石養(yǎng)護48 h后壓力機壓裂，從圖1可看出，纖維的加入可以提高水泥石的完整性。

表5 動態(tài)堵漏模擬實驗結果Table 5 Results of dynamic plugging simulation experiment

圖1 不同纖維加量水泥石壓后形態(tài)Fig.1 Morphology of set cement with different dosages of fiber after compression

4 沖洗型隔離液

沖洗型隔離液配方為57%微錳Micromax?超細加重劑+14%沖洗劑LANDY-21L+3%分散劑LANDY-906L+1%消泡劑LANDY-19L+1%懸浮劑LANDY-28S+100%水。微錳加重劑保證了隔離液性能穩(wěn)定，密度均勻，沖洗劑可以起到“潤濕反轉”效果。設計隔離液用量10 m3，占環(huán)空高度600 m，接觸時間為7 min，由表6可以看出，隔離液的密度介于水泥漿與鉆井液之間，六速旋轉黏度值呈現(xiàn)梯度變化，有利于提高頂替效率，能夠有效清洗井壁與套管壁，保證水泥環(huán)的膠結質量。由表7可以看出，水泥漿、鉆井液和隔離液相容性好，初始稠度控制在20 Bc以內，降低了固井施工風險。

表6 固井液流變性能Table 6 Rheological property of cementing fluid

表7 隔離液與水泥漿、鉆井液相容性Table 7 Compatibility of spacer fluid with cement slurry and drilling fluid

5 現(xiàn)場施工

5.1 固井技術措施

(1)控制套管下放速度，防止激動壓力過大壓漏地層；調整好下套管時的鉆井液性能，降低鉆井液黏度、摩阻，防止鉆井液靜止時間過長后，開泵循環(huán)時壓漏地層。(2)為保證水泥漿返高和頂部水泥石強度，采用雙凝雙密度水泥漿體系，領漿為G級水泥+3M微珠+微硅+粉煤灰四元體低密高強水泥漿體系，密度為1.35 g/cm3，封固井段為二疊底到井口；尾漿為G級水泥+硅粉+微硅+FLOK-2防氣竄水泥漿體系，密度1.88 g/cm3，封固井段為井底到二疊底。(3)在水泥漿中添加纖維，在滲漏地層中可以起到架橋、堵漏效果，增加水泥石的韌性。(4)根據(jù)電測井徑利用軟件模擬加放扶正器，有效提高套管居中度，同時采用沖洗加重隔離液，提高頂替效率。(5)為保證壓穩(wěn)地層，采用平衡壓力固井方法［9］，水泥漿失重后如果不能壓穩(wěn)地層，井漏則直接關井候凝，井不漏則關井憋壓候凝；同時尾漿中加入了防氣竄劑，可以有效防止油氣水竄。

5.2 水泥漿配方及性能

領漿配方：阿克蘇G級水泥+21%微珠+75%粉煤灰+9%微硅+4.5%降濾失劑LANDY-806L+ 0.6%緩凝劑LANDY-602L+1%分散劑LANDY-906L+0.2%消泡劑LANDY-19L+1%纖維XL-100+水，密度為1.35 g/cm3。領漿中加入纖維，提高漿體的堵漏性能。

尾漿配方：阿克蘇G級水泥+32%硅粉+2%微硅+2%防氣竄劑FLOK-2+4.5%降濾失劑LANDY-806L+0.5%緩凝劑LANDY-602L+0.5%分散劑LANDY-906L+0.2%消泡劑LANDY-19L+水，密度為1.88 g/cm3。

水泥漿綜合性能見表8，稠化曲線見圖2、3?？梢钥闯?，低密高強韌性水泥漿體系流變性能好，失水小于50 mL，不沉降、無游離液，上下密度差小于0.02 g/cm3，48 h抗壓強度大于14 MPa，稠化時間可調，呈直角稠化，SPN值小于3，防氣竄效果好，綜合性能好，水泥漿混配時，產生的氣泡較少，能夠滿足大溫差長封固段固井要求。

表8 水泥漿綜合性能Table 8 Overall performance of cement slurry

圖2 領漿稠化曲線Fig.2 Thickening curve of lead slurry

圖3 尾漿稠化曲線Fig.3 Thickening curve of tail slurry

5.3 現(xiàn)場應用及效果分析

ZG112井二開?200.03 mm套管下深6 130 m，下套管前采用剛度大于套管的鉆具組合進行通井，對掛卡、遇阻、井斜大的井段加強劃眼以及短起下鉆，充分循環(huán)鉆井液，高黏度鉆井液攜砂［10］，起鉆前注入黏度為90 s的封閉漿；下套管后調整鉆井液，使塑性黏度小于25 mPa · s，動切力不大于5 Pa。循環(huán)排量1.8 m3/min，壓力18～19 MPa。固井前鉆井液密度為1.30 g/cm3，黏度為59 s。固井前試壓25 MPa，注入沖洗加重隔離液10 m3，密度為1.32 g/cm3，領漿 105 m3，平均密度為 1.35 g/cm3，尾漿 40 m3，平均密度為1.88 g/cm3，水泥漿密度均勻，壓膠塞5 m3，用泥漿泵注入密度1.65 g/cm3的重漿80 m3(降低施工壓力)和密度1.30 g/cm3的鉆井液68 m3，注替排量1.5 m3/min，最高施工壓力18 MPa，最后碰壓至23 MPa，純水泥漿返出地面約12 m3，泄壓檢查無回流，施工過程連續(xù)，未發(fā)生漏失。候凝48 h，通過CBL/VDL的綜合解釋，固井質量合格率91.2%，優(yōu)質率70%。

6 結論

(1)利用顆粒級配和緊密堆積理論，優(yōu)選出G級水泥、微珠、微硅和粉煤灰四元體低密高強水泥漿，同時加入纖維，改善了水泥石塑韌性，有利于固井界面膠結，提高水泥石抗壓強度和抗外力沖擊能力，增加了水泥漿的堵漏與防漏效果，保證了水泥石的完整性。

(2)低密高強韌性防漏水泥漿體系流變性能好，失水低，無游離液，沉降穩(wěn)定性好，抗壓強度高，稠化時間可調，防氣竄效果好；配合使用沖洗型加重隔離液，同時完善固井配套技術措施，可以有效解決ZG區(qū)塊低壓易漏大溫差長封固段固井難題。