田發(fā)斌，張偉，張軍

（1.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司，四川 成都 610052；2.中國石油集團西南油氣田分公司勘探事業(yè)部，四川 成都 610052）

云探1 井是西南油氣田分公司在四川盆地川東地區(qū)南雅向斜的一口致密油預探井。本井已成功用Φ339.7 mm 套管封固0.00～699.54 m 井段。本開用Ф311.2 mm 鉆頭鉆至井深2 460.00 m 中完，下入Φ244.5 mm 套管進行固井。在鉆進過程中，發(fā)生多次井漏，特別是2 274 m 的漏層漏失最嚴重，漏速最大108.0 m3·h-1，最小54.0 m3·h-1，平均81.0 m3·h-1，注水泥漿堵漏后鉆塞2 251.00～2 272.40 m 復漏，定向鉆進至井深2 297.00 m，密度1.30↓1.28 g·cm-3，井漏自停。固井時井漿密度1.33 g·cm-3，動態(tài)承壓試驗當量密度1.60 g·cm-3。采用常規(guī)水泥漿密度固井，地層承壓能力低，水泥漿一次性上返難度大，固井質(zhì)量差。為了防止固井發(fā)生漏失，設計采用兩凝水泥漿，領漿密度設計為1.25 g·cm-3早強超低密度水泥漿［1-5］，尾漿密度設計為1.90 g·cm-3防氣竄水泥漿［6］。

1 技術(shù)難點及采取的技術(shù)措施

1.1 技術(shù)難點

1）鉆進過程中發(fā)生多次井漏且漏失嚴重，采用常規(guī)水泥漿密度固井，注替水泥漿過程中會發(fā)生井漏，影響水泥漿返高及封固段長，固井質(zhì)量難以保證。

2）超低密度水泥漿沉降穩(wěn)定性是一大難題，領漿1.25 g·cm-3早強超低密度水泥漿沉降穩(wěn)定性不好，影響水泥漿性能及水泥石強度。

3）油基泥漿條件下固井，水泥漿是水基，兩相不相容，影響頂替效率［7］，要求隔離液對井壁的沖洗效率高。

4）大尺寸套管、大井眼固井泵注作業(yè)，對施工排量要求高，對地面施工設備要求高，施工排量達不到要求，頂替中竄槽幾率大，水泥漿與井漿混漿多，固井質(zhì)量難以保證。

1.2 采取的技術(shù)措施

1）采用兩凝水泥漿，領漿設計為1.25 g·cm-3早強超低密度水泥漿，尾漿設計為1.90 g·cm-3防氣竄水泥漿，降低液柱壓力，防止井漏。

2）1.25 g·cm-3早強超低密度水泥漿中加入微硅粉、柔性劑、增韌劑、低密度水泥增強劑等外加劑，增加水泥漿的懸浮能力，提高水泥漿的穩(wěn)定性及水泥石強度。

3）配制高效的沖洗型隔離液，潤濕反轉(zhuǎn)，使井壁和套管從親油相變?yōu)橛H水相，沖刷清洗井壁和套管，提高一、二界面水泥漿凝固后膠結(jié)質(zhì)量。

4）使用雙膠塞固井，避免水泥漿在套管內(nèi)摻混，增加多返水泥漿量，彌補可能發(fā)生井漏造成的水泥漿損失，用兩臺雙機泵水泥車自配自抽的地面施工工藝，確保施工連續(xù)，排量滿足工藝要求。

2 早強超低密度水泥漿配方設計

2.1 配方設計原理

根據(jù)Furnas 顆粒堆積最密實級配原理，配置早強超低密度水泥漿。緊密堆積理論［8-10］是指在水泥漿中加入一些微細材料或納米材料，通過優(yōu)化不同顆粒間的搭配，使這些微細顆?；蚣{米級顆粒能夠有效填入到水泥等顆粒間的空隙，減少水泥石中的空隙結(jié)構(gòu)，形成一種具有高濃度固相顆粒含量體系，最大化地增大顆粒間的范德華力作用，保證水泥石具有優(yōu)異的力學性能。本文采用嘉華G 級、玻璃微珠、超細水泥、微硅粉組合，形成四元固相水泥漿，再加入膨脹劑、柔性劑、增韌劑、降失水劑、低密度水泥增強劑、減阻劑、油井水泥增強劑等外加劑調(diào)整水泥漿性能。

2.2 玻璃微珠

從成本方面的考慮，選擇國產(chǎn)Y 系列空心玻璃微珠作為減輕材料。為了滿足 0～30 MPa 壓力范圍內(nèi)的固井要求，對比優(yōu)選Y6000 系列空心玻璃微珠，其物理性能見表1。高性能空心玻璃微珠重量輕、體積大、導熱系數(shù)低、抗壓強度高、分散性、流動性、穩(wěn)定性好等特點。

表1 Y 系列空心玻璃微珠物理性能

2.3 超細水泥

超細水泥粒徑小,水化活性高，水泥顆粒與水的接觸面大，提高了水化程度，使水泥結(jié)石內(nèi)部的極小空隙變?yōu)椴贿B通,水泥石結(jié)構(gòu)均勻致密,具有較高的強度和較好的抗?jié)B透能力，從而大大提高了水泥石的抗?jié)B性能。

2.4 微硅粉

微硅粉作為充填材料，粒徑小，比表面積較大，可以很好地充填于水泥和空心玻璃微珠顆粒之間，其含有豐富的無定形SiO2與水泥的水化產(chǎn)物 Ca（OH）2反應，生成低堿度的含水硅酸鈣碳水化物，并產(chǎn)生不含或少含 Ca（OH）2的不易滲透的水泥石結(jié)構(gòu)。微硅超細顆粒周圍還能吸附大量水分子，水分子之間通過氫鍵相互連接，在微細顆粒之間形成均勻致密的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，使水泥漿形成穩(wěn)定的懸浮體系，且不同粒徑的顆粒合理級配和極化，使水泥石更加致密，并提高了水泥石的抗壓強度和抗?jié)B能力。微硅屬于納米級材料，細小的粒子在水泥漿中不停地做布朗運動，引起擴散，不僅能很好地充填在空隙中，達到緊密堆積的目的，還能保持水泥漿的穩(wěn)定性。

2.5 外加劑

外加劑采用膨脹劑SDP-1+柔性劑SD77+增韌劑 SD66+降失水劑 SD18+低密度水泥增強劑SD100+減阻劑SD35+油井水泥增強劑SDY-1+緩凝劑SD21+消泡劑SD52 的架構(gòu)。膨脹劑抵消水泥石收縮；柔性劑和增韌劑提高水泥石的韌性，降低彈性模量；降失水劑降低水泥漿失水；低密度水泥增強劑提高水泥石抗壓強度；減阻劑調(diào)整水泥漿流動性能；油井水泥增強劑提高水泥石早期抗壓強度；緩凝劑延長水泥漿稠化時間；消泡劑消除抑制水泥漿中的氣泡。

3 早強超低密度水泥漿性能評價

3.1 早強超低密度水泥漿配方

經(jīng)過大量室內(nèi)試驗研究，確定了1.25 g·cm-3早強超低密度水泥漿配方，水泥干灰主料各組份的比例為：嘉華G 級水泥∶玻璃微珠∶超細水泥∶微硅粉=300∶160∶30∶10，水灰比0.52，各種外加劑加量，見表2所示。

表2 1.25 g·cm-3早強超低密度水泥漿外加劑加量(%)

3.2 早強超低密度水泥漿性能評價

按照云探1 井Φ244.5 mm 套管固井設計要求，試驗條件49 ℃×30 min×30 MPa，測定1.25 g·cm-3早強超低密度水泥漿的流變參數(shù)、稠化時間、API失水量、游離液、沉降穩(wěn)定性、抗壓強度，結(jié)果見表3、表4、圖1所示。表3結(jié)果表明，早強超低密度水泥漿的流性指數(shù)n為0.63，稠度系數(shù)K為0.96，具有較好的流變性能，有利于減少水泥漿摩阻，降低注水泥泵注壓力，滿足現(xiàn)場固井作業(yè)對水泥漿流性指數(shù)的要求。表4結(jié)果表明，早強超低密度水泥漿的游離液為零，API 失水量34 mL，沉降穩(wěn)定性±0.02 g·cm-3，稠化時間225 min/30 Bc，符合固井水泥漿領漿稠化時間設計210～240 min 范圍，48 h 抗壓強度達到20.9 MPa，比普通的低密度水泥漿強度高。圖1為早強超低密度水泥漿的稠化時間曲線，滿足現(xiàn)場注水泥安全施工時間要求。早強超低密度水泥漿優(yōu)異的綜合性能，完全滿足現(xiàn)場固井作業(yè)要求。

表3 1.25 g·cm-3早強超低密度水泥漿流變參數(shù)（49℃）

表4 1.25 g·cm-3早強超低密度水泥漿性能

氣竄是一個很復雜的問題，影響的因素很多。國內(nèi)外現(xiàn)場實踐表明，即使注水泥工藝措施非常優(yōu)良，水泥漿在候凝過程中氣竄還是常有發(fā)生，只是發(fā)生氣竄的程度不同而已。目前，國內(nèi)外有許多評價和預測水泥漿防竄性能的模式與方法，普遍采用的有[11]：①氣竄潛力系數(shù)GFP 法，該方法是由Sutton等1984年提出的，稱之為“氣體流動可能性”；②水泥漿性能系數(shù)SPN 法，該方法將水泥漿稠化過渡時間和水泥漿濾失速率綜合考慮；③水泥漿性能系數(shù)SRN 法；④膠凝失水系數(shù)GELFL 法等幾種方法。在此，運用水泥漿性能系數(shù)SPN 法對早強超低密度水泥漿進行防氣竄評價。

1）水泥漿性能系數(shù)SPN 法

式中：QAPI—水泥漿30 minAPI 失水量；

t100Bc—水泥漿達到100Bc 時的稠化時間；

t30Bc—水泥漿達到30Bc 時的稠化時間。

評價標準：當0＜SPN≤3.0 時，防氣竄效果好。

當3＜SPN≤6.0 時，防氣竄效果中等。

當SPN＞6.0 時，防氣竄效果差。

2）計算水泥漿性能系數(shù)SPN

計算水泥漿性能系數(shù)SPN 時，把表4中 數(shù)據(jù)代入水泥漿性能系數(shù)SPN 法公式，可得：

早強超低密度水泥漿SPN

=34×（2381/2-2251/2）/301/2

=2.65

參考SPN 法評價標準，可知該早強超低密度水泥漿防氣竄效果好。

4 尾漿防氣竄水泥漿

4.1 尾漿防氣竄水泥漿配方

經(jīng)過大量室內(nèi)試驗研究，確定了1.90 g·cm-3尾漿防氣竄水泥漿配方：嘉華G 級+微硅粉+膨脹劑SDP-1+柔性防竄劑SD77+降失水劑SD18+減阻劑SD35+緩凝劑SD21+消泡劑SD52，水灰比0.44。外加劑加量，如表5所示。

表5 1.90 g·cm-3防氣竄水泥漿外加劑加量(%)

4.2 尾漿防氣竄水泥漿性能評價

按照云探1 井Φ244.5 mm 套管固井設計要求，試驗條件49 ℃×30 min×30 MPa，測定1.90 g·cm-3尾漿防氣竄水泥漿的流變參數(shù)、稠化時間、API 失水量、游離液、沉降穩(wěn)定性、抗壓強度，結(jié)果見表6、表7、圖2所示。

表6 1.90 g·cm-3尾漿防氣竄水泥漿流變參數(shù)（49℃）

表7 1.90 g·cm-3尾漿防氣竄水泥漿性能

表6結(jié)果表明，尾漿防氣竄水泥漿的流性指數(shù)n為0.66，稠度系數(shù)K為0.88，具有較好的流變性能，有利于減少水泥漿摩阻，降低注水泥泵注壓力，滿足現(xiàn)場固井對水泥漿流性指數(shù)的要求。表7結(jié)果表明，尾漿防氣竄水泥漿的游離液為零，API 失水量36 mL，沉降穩(wěn)定性±0 g·cm-3，稠化時間139 min/30 Bc，符合固井水泥漿尾漿稠化時間設計120～150 min 范圍，48 h 抗壓強度25 MPa，SPN 值2.47,具有優(yōu)異的防氣竄性能。圖2為尾漿防氣竄水泥漿的稠化時間曲線，滿足現(xiàn)場注水泥安全施工時間要求。尾漿防氣竄水泥漿優(yōu)異的綜合性能，完全滿足現(xiàn)場固井作業(yè)要求。

5 高效沖洗型隔離液

5.1 隔離液配方設計

云探1 井是油基泥漿，水泥漿是水基，為了提高頂替效率，采用高效沖洗型隔離液，潤濕反轉(zhuǎn)，使井壁和套管從親油相變?yōu)橛H水相，沖刷清洗井壁和套管，提高一、二界面水泥漿凝固后膠結(jié)質(zhì)量。隔離液配方：懸浮劑SD85+沖洗劑SD80+重晶石粉+消泡劑SD52+清水，密度1.25 g·cm-3。隔離液具有良好的流變性能，合適的塑粘和動切力，隔離液流變參數(shù)見表8所示。

表8 1.25 g·cm-3高效沖洗型隔離液流變參數(shù)（30℃）

5.2 隔離液沖洗效率評價

隔離液樣品在水浴鍋30 ℃常壓養(yǎng)護20 min，用旋轉(zhuǎn)粘度儀300 r·min-1沖洗5 min，結(jié)束后用加有5%沖洗劑SD80 的清水進行漂洗1 min。采用失重法計算沖洗效率，計算公式如下：

式中：η—沖洗效率，%；

W—旋轉(zhuǎn)外筒質(zhì)量，g；

W1—沾滿鉆井液樣品的旋轉(zhuǎn)外筒質(zhì)量，g；

W2—沾滿鉆井液樣品的旋轉(zhuǎn)外筒清洗后質(zhì)量，g。

采用失重法計算公式?jīng)_洗效率97%，見表9。沖洗效果前后對比，見圖3所示。

表9 1.25 g·cm-3高效沖洗型隔離液沖洗效率（30℃）

6 現(xiàn)場應用

6.1 現(xiàn)場施工

08:00～10:00 循環(huán)鉆井液；10:00～10:20 沖管線，試壓30 MPa；10:20～10:30裝上、下膠塞；10:30～10:34 水泥車正注沖洗液4 m3，密度1.0 g·cm-3；10:34～10:44 鉆井泵正注隔離液19 m3，密度1.25 g·cm-3；10:44～10:56 水泥車正注沖洗液2 m3，密度1.0 g·cm-3；10:56～11:06 開檔銷、釋放下膠塞；11:06～11:56 水泥車正注緩凝水泥漿93 m3，密度1.25 g·cm-3；11:56～12:04 水泥車正注快干水泥漿15.5 m3，密度1.92 g·cm-3；12:04～12:14 開檔銷、釋放上膠塞；12:14～12:19 水泥車正注后置液4 m3，密度1.0 g·cm-3；12:19～12:55 鉆井泵正注鉆井液86 m3，共返出密度1.25 g·cm-3的水泥漿約12.0 m3；12:55～13:06 水泥車正注清水5.5 m3，未碰壓；13:06～13:10 泄壓，檢查無回流；13:10～13:20 環(huán)空憋入清水2.0 m3，壓力0↑2.0 MPa；13:20～20:00候凝。

6.2 固井質(zhì)量

云探1 井Φ244.5 mm 套管固井測井評價井段15～2 398 m。全井段固井質(zhì)量情況是：水泥膠結(jié)優(yōu)良井段為86.0%,水泥膠結(jié)中等井段為13.5%,水泥膠結(jié)差井段為0.5%。全井段固井水泥膠結(jié)合格率為99.5%，全井段固井質(zhì)量統(tǒng)計見表10。

表10 云探1 井Φ244.5mm 套管全井段固井質(zhì)量統(tǒng)計表

7 結(jié) 論

1）早強超低密度水泥漿沉降穩(wěn)定性好，失水小，稠化過渡時間短，早期抗壓強度高，防氣竄能力強，具有優(yōu)異的固井水泥漿性能指標。

2）早強超低密度水泥漿可解決低壓、易漏失地層和壓力敏感地層固井作業(yè)，達到防漏、防竄、實現(xiàn)長封固段固井、簡化施工工藝等目的，為該類型固井作業(yè)提供技術(shù)支撐。

3）高效沖洗型隔離液對油基泥漿有很好的沖洗效果，沖洗效率達到97%，對提高固井頂替效率及固井質(zhì)量有很大幫助。