鐘興強(qiáng) 舒曼 張?jiān)姾? 趙強(qiáng) 胡順 楊曉榕 潘宏霖

摘? ? ? 要：深水巨厚含鹽儲(chǔ)層的固井作業(yè)中所存在的鹽蠕動(dòng)問(wèn)題多年來(lái)一直是一項(xiàng)技術(shù)難題，此外，除了需要解決抗鹽性問(wèn)題的同時(shí)還需要針對(duì)性進(jìn)行加重以平衡深水下的地層壓力。本文通過(guò)以半飽和鹽水為基漿，采用多元加重劑組合形式對(duì)水泥漿進(jìn)行密度區(qū)間1.9～2.4 g·cm-3的漿體設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)水泥漿一系列基礎(chǔ)性能及力學(xué)性能進(jìn)行系統(tǒng)性評(píng)測(cè)及分析，構(gòu)建出一套能有效滿足變密度深水巨厚鹽層的固井水泥漿配方體系，該套配方體系在120 ℃下具有良好的流動(dòng)性，且稠化時(shí)間大于3 h，失水量低，24 h抗壓強(qiáng)度穩(wěn)定在20 MPa以上，具有較好的應(yīng)用效果和價(jià)值。

關(guān)? 鍵? 詞：深水鹽層;固井;加重;稠化時(shí)間

中圖分類號(hào)：TE256? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ?文章編號(hào)： 1671-0460（2020）11-2398-04

Study on Construction and Comprehensive Performance of High

Density Semi Saturated Salt Gypsum Layer Cementing Slurry System

ZHONG Xing-qiang1， SHU Man2， ZHANG Shi-hang3， ZHAO Qiang2，

HU Shun2， YANG Xiao-rong2， PAN Hong-Lin4

（1. Zhanjiang Operation Company， Petrochemicals Division， CNOOC Oilfield， Zhanjiang 524051， China;

2. Jingzhou Jiahua Technology Co.， Ltd.， Jingzhou 434000， China;

3. Downhole Testing Company of Sinopec Jianghan Petroleum Engineering Co.， Ltd.， Wuhan 430100， China;

4. Zhanjiang Branch of CNOOC （China） Co.， Ltd.， Zhanjiang 524051， China）

Abstract：? The salt creep problem in cementing operation of deep-water extremely thick salt bearing reservoir has been a technical problem for many years. In addition， in addition to solving the problem of salt resistance， it is also necessary to carry out targeted weighting to balance the formation pressure in deep water. In this paper， based on the semi saturated salt water as the base slurry， the slurry with density range of 1.9～2.4 g·cm-3 was designed by the combination of multiple weighting agents. At the same time， a series of basic properties and mechanical properties of the cement slurry were systematically evaluated and analyzed， and a set of cementing slurry formula system which can effectively meet the variable density deep water extremely thick salt layer was constructed. It has good fluidity， thickening time of more than 3 h， low water loss and compressive strength of more than 20 MPa in 24 h at 120 ℃.

Key words：? Deep water salt layer; Cement; Aggravating; Thickening time

海洋中蘊(yùn)藏著豐富的石油、天然氣等能源資源，其中深水區(qū)域的油氣儲(chǔ)量更為豐富，但其開采難度也比陸上油田大得多，在鉆探過(guò)程中會(huì)遇到完全不同于以往的技術(shù)障礙，因而對(duì)常規(guī)的鉆井和完井技術(shù)是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)[1-5]。在深海固井領(lǐng)域中，鹽層固井技術(shù)一直是公認(rèn)的固井作業(yè)中的難題，經(jīng)過(guò)多年科研攻關(guān)，仍沒(méi)有從根本上解決[6-7]。

因?yàn)殂@井過(guò)程中鹽層的不穩(wěn)定性，造成井眼縮徑、坍塌，或由于鉆井中鹽巖溶解形成“大肚子”井眼，甚至使井眼斜塌[7-8];在套管注水泥后，水泥與井壁之間膠結(jié)很差，不能支撐套管，而且由于鹽巖層的蠕變，套管受非均勻載荷，致使管體變形或擠毀。國(guó)內(nèi)外許多深井未鉆達(dá)目的層提前完鉆或鉆穿鹽層后事故完鉆和套管報(bào)廢[9-12]，都是上述問(wèn)題綜合作用的結(jié)果，如果加上鉆井作業(yè)中由于裂縫、灰?guī)r或者高滲透性砂巖的漏失，則鉆井及固井作業(yè)難度將變得更大，也由此浪費(fèi)大量人力財(cái)力物? ? 力[13]。

基于此，通過(guò)優(yōu)選最適含鹽鹽水基漿，用以抑制地層鹽巖溶解，并采用多元加重劑組合形式對(duì)水泥漿進(jìn)行密度區(qū)間1.9～2.4 g·cm-3的漿體設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)水泥漿一系列基礎(chǔ)性能及力學(xué)性能進(jìn)行系統(tǒng)性評(píng)測(cè)及分析，構(gòu)建出一套能有效滿足變密度深水巨厚鹽層的固井水泥漿配方體系，對(duì)解決固井復(fù)雜問(wèn)題、保證后續(xù)生產(chǎn)作業(yè)的順利進(jìn)行具有極其重要的意義。

1? 實(shí)驗(yàn)部分

1.1? 實(shí)驗(yàn)原料

G級(jí)油井水泥，四川嘉華有限公司;氯化鈉;硅粉（325目，即粒徑小于0.045 mm）、磨赤鐵礦（240～1 200目，即粒徑0.011～0.061 mm）、錳礦粉、支撐劑、分散劑、緩凝劑、增強(qiáng)劑等，山東金超化工有限公司;降濾失劑、消泡劑，荊州嘉華科技有限公司。水泥漿的基本配方組成見(jiàn)表1。

1.2? 實(shí)驗(yàn)方法

水泥漿的配制及評(píng)測(cè)工作均按照《油井水泥》（GB 10238—2005）及《油井水泥試驗(yàn)方法》（SY/T5546—92）的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行。

2? 結(jié)論與討論

2.1? 抗鹽降失水劑的影響

水泥漿降濾失劑的配比選擇是水泥漿體系的基礎(chǔ)。降濾失水劑通過(guò)顆粒的反絮凝和分散控制失水，使水泥漿產(chǎn)生致密的泥餅。加入降失水劑可以提高泥餅的黏度和離子化程度，起到保水作用，從而減少泥餅孔隙間的自由流動(dòng)和滲透率。就像每個(gè)水泥顆粒周圍都有一層不透水的薄膜一樣，水溶性聚合物通常具有這種效果。本文通過(guò)AMPS聚合得到的中相對(duì)分子質(zhì)量聚合物C98L成本較低，該聚合物具有較好的降濾失效果及沉降穩(wěn)定性，且水泥漿配制均勻，不同溫度段可泵送性好，同時(shí)還具備較強(qiáng)的抗鹽效果，在不同的鹽濃度下，可以很好地控制失水。為了確定降濾失劑C98L的耐鹽性，在實(shí)驗(yàn)室（無(wú)加重劑）進(jìn)行了進(jìn)一步的評(píng)價(jià)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，C98L具有良好的降濾失效果，其流變性能和穩(wěn)定性也能滿足固井作業(yè)的要求。用降失水劑C98L配制的水泥漿，漿體均勻，沉降穩(wěn)定性好，能滿足固井作業(yè)的需要。

2.2? 增強(qiáng)劑對(duì)半飽和鹽水水泥漿體系的影響

在水泥漿中加入XC液體防竄劑，其主要成分為超細(xì)SiO2，可有效提高水泥漿的早期強(qiáng)度和抗竄能力。XC又稱孔隙填料，主要用于阻止流體在孔隙中流動(dòng)，防止骨架在外力作用下的結(jié)構(gòu)破壞。作為一種填充封堵材料，具有良好的防腐能力。XC孔支撐劑是一種經(jīng)過(guò)特殊處理工藝制備的活性納米級(jí)精細(xì)材料，主要用于防氣竄固井，提高水泥漿體系的穩(wěn)定性，提高水泥漿體的防腐能力，提高水泥漿體的密實(shí)度，提高水泥漿體的抗沖擊損傷性能。超細(xì)顆粒的填充作用能迅速提高水泥漿的固井速度，增加氣竄阻力，同時(shí)，超細(xì)顆粒能大大增加固井表面集體密實(shí)度，提高界面固井質(zhì)量。XC中的活性物質(zhì)在水泥水化過(guò)程中與Ca（OH）2反應(yīng)生成C-S-H凝膠，使水泥在固化過(guò)程中迅速形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和水泥漿體的滲透性，使水泥具有較高的抗氣滲性和耐酸性。此處研究了不同XC早強(qiáng)劑用量對(duì)水泥凈漿性能的影響，結(jié)果如圖1和圖2所示。

通過(guò)對(duì)孔支撐劑XC外加劑摻量的篩選，發(fā)現(xiàn)當(dāng)XC的摻量在5%～7%之間時(shí)，水泥漿的綜合性能處于平衡狀態(tài)。

2.3? 半飽和鹽水水泥漿體系基礎(chǔ)性能評(píng)價(jià)

在評(píng)價(jià)水泥漿體基本性能時(shí)，對(duì)溫度高于? ?100 ℃的水泥漿體基本性能的評(píng)價(jià)通常是以93 ℃時(shí)的評(píng)價(jià)結(jié)果為依據(jù)，評(píng)價(jià)了水泥漿的流變參數(shù)和水泥漿的穩(wěn)定性，結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3可知，通過(guò)預(yù)篩選和優(yōu)化得到的厚巖水泥漿體系在1.9～2.4 g·cm-3的密度范圍內(nèi)具有較好的流變特性和優(yōu)良的漿液穩(wěn)定性，大大降低了泥漿工程應(yīng)用過(guò)程中泵送施工的難度，有效避免了上下水泥漿密度差過(guò)大造成水泥環(huán)失重的現(xiàn)象。

2.4? 半飽和鹽水水泥漿體系稠化性能評(píng)價(jià)

由于試驗(yàn)地層為深水鹽膏層，為了有效、快速地抑制巖鹽溶解引起的井眼收縮，避免地層可溶性鹽進(jìn)入水泥漿，因此對(duì)水泥漿直角凝固特性有一定的要求。通常水泥漿的稠化時(shí)間大于3 h，轉(zhuǎn)化時(shí)間小于30 min，這是在水泥漿基本性能符合標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上確定的。本文對(duì)120 ℃溫度范圍內(nèi)深水厚層水泥漿稠化進(jìn)行了具體評(píng)價(jià)，結(jié)果見(jiàn)圖3。

由圖3可知，在溫度為120 ℃，密度為? ?1.9～2.4 g·cm-3時(shí)，水泥漿稠化時(shí)間大于200 min（即3 h以上），轉(zhuǎn)化時(shí)間小于30 min，完全滿足深水厚巖層固井的需要。

深水地層固井的另一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)是水泥石固結(jié)強(qiáng)度的要求。在溫度120 ℃和模擬地層壓力? ?（>30 MPa）條件下對(duì)水泥石進(jìn)行了1、7、14 d的抗壓強(qiáng)度測(cè)試，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，當(dāng)溫度處于120 ℃時(shí)，盡管水泥石抗壓強(qiáng)度隨密度的增加略有下降，但從以上數(shù)據(jù)可以看出，由于XC和硅灰的摻入，水泥石強(qiáng)度得到了一定提高，抗壓強(qiáng)度可穩(wěn)定在40 MPa以上。

2.5? 微觀結(jié)構(gòu)分析

在顆粒堆積水泥漿體微觀結(jié)構(gòu)分析中，分析了在2.4 g·cm-3高密度配方體系下水泥漿體截面的微觀結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

從圖5可以看出，復(fù)合加重劑材料均勻分散在水泥漿體中，并形成致密的堆積層。不同粒徑加重劑材料的團(tuán)聚堆積使水泥基體更加致密。這就解釋了水泥凈漿體抗壓強(qiáng)度隨水泥漿體摻量的增加而提高的原因。

3? 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)深水厚巖層中所存在的儲(chǔ)層鹽巖段溶解而造成的井徑變小、對(duì)水泥漿漿體性能影響大的問(wèn)題，構(gòu)建出一套120 ℃下能有效實(shí)現(xiàn)密度1.9～2.4 g·cm-3可調(diào)，漿體沉降穩(wěn)定性佳，流變性能良好，API失水量低，稠化時(shí)間穩(wěn)定在3 h之上的半飽和鹽水水泥漿配方體系。該套配方體系通過(guò)采用半飽和鹽水基漿協(xié)同復(fù)配加重劑的形式，有效解決了深水厚鹽層中所存在的固井技術(shù)難題，具備較強(qiáng)的市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。

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