＊李波 魏周勝 魏考綺 周兵 董志明

（中國石油集團川慶鉆探工程有限公司長慶固井公司 陜西 710018）

1.基本情況

（1）長慶油田為典型的“三低”油藏，井身結(jié)構(gòu)采用二開結(jié)構(gòu)和一次上返全封固固井工藝。固井裸眼段長，且含有多套低壓易漏地層，固井過程中發(fā)生漏失井占比超50%以上[1]。

（2）長慶區(qū)域≤1.45g/cm3的低密度水泥漿體系減輕材料大部分含耐壓低的釉化珍珠巖。

耐壓≤0.5MPa[2]。所配制的低密度水泥漿受壓狀態(tài)下密度明顯增大（增幅0.08～0.12g/cm3），同時體系流動性變差，流動摩阻明顯增加，固井發(fā)生漏失概率進一步加大[3]。

（3）粉煤灰低密度水泥漿體系現(xiàn)場施工摩阻低且穩(wěn)定，固井聲幅質(zhì)量優(yōu)。所配制體系密度≥1.45g/cm3，但使用范圍受限較大。

2.低摩阻耐壓低密度水泥漿體系研制

水泥漿的穩(wěn)定性主要取決于材料的細度及顆粒級配，細度越小，所形成懸浮液越穩(wěn)定[4]；水泥漿的耐壓穩(wěn)定性主要取決于空心材料用量的大小[3]；水泥漿的漿流動摩阻大小與水泥漿的流動性直接關(guān)聯(lián)[5]，而水泥漿的流動性又與水灰比相關(guān)聯(lián)。因此開發(fā)低摩阻水泥漿體系時材料形狀上主要選用實芯超細粉體，且增大需水量為關(guān)鍵性能指標。

(1)主要基礎(chǔ)材料組成及作用

G級油井水泥：膠凝材料，發(fā)生水化反應(yīng)，提供基礎(chǔ)強度。

超細粉煤灰：填充與減輕材料，降低密度，提高水泥漿流動性[6-7]。

超細復(fù)合礦渣：骨料與增強材料，參與水泥石結(jié)構(gòu)生成，提高強度[7]。

微硅粉：填充與穩(wěn)定材料，顆粒級配，參與水化反應(yīng)，提高水泥漿的穩(wěn)定性[8]。

釉化珍珠巖：穩(wěn)定減輕材料，提高水泥漿高溫下穩(wěn)定性。

主要基礎(chǔ)材料的粒徑分布測定見表1。

表1 材料粒徑分布測定表

(2)材料粒徑分布與比例組合研究

通過材料粒徑分布分析，對超細礦渣及釉化珍珠巖開展對比試驗，得出了細度和粒徑分布的用量指標要求。

按照上述思路，構(gòu)建1.35～1.40g/cm3低摩阻耐壓低密度水泥漿體系，基礎(chǔ)配方：G級水泥+粉煤灰+超細礦渣+微硅粉+釉化珍珠巖。

通過材料粒徑分布與膠凝材料的功用開展顆粒級配組合，室內(nèi)進行大量數(shù)據(jù)與分析，得到了不同密度下復(fù)合材料的堆積密度及水灰比（表2）。

表2 不同密度復(fù)合材料堆積密實度

(3)基礎(chǔ)水泥漿體系主要性能指標

由表3可看出，該水泥漿體系穩(wěn)定性和耐壓穩(wěn)定性均達到要求，但抗壓強度未達到鉆井手冊要求的[9]24h抗壓強度≥3.5MPa。查閱資料可知，礦渣水泥早期強度的發(fā)展速率主要取決于礦渣活性大小[7]，所以礦渣活性的激活是提高礦渣水泥的關(guān)鍵技術(shù)。

表3 水泥漿基礎(chǔ)性能指標

(4)激活劑的研制

文獻資料表明[10]，水泥漿中的堿質(zhì)的提高，能夠形成具有強大離子力的OH-離子，它們對粉煤灰和礦渣玻璃體有較強的裂解作用，使其迅速解體與水化，短時間內(nèi)形成大量的C-S-H凝膠，從而形成漿體的迅速凝結(jié)與硬化。

從表4可以得出，合理激活材料加量，能夠有效控制水化速度，同時形成對粉煤灰和礦渣的深度激活，更好地提高體系的結(jié)構(gòu)強度，激活劑的合理加量控制在2%左右。

表4 激活劑加量對水泥漿性能影響

(5)耐壓低摩阻低密度水泥漿體系的綜合性能評價

基本配方：G級水泥35%+復(fù)合材料65%+激活劑+降失水劑+緩凝劑。

從表5可以看出，該體系在50～85℃的條件下，稠化時間滿足施工要求，強度達到指標要求（45℃/常壓/24h/48h；抗壓強度：≥3.5MPa/≥7.0MPa）。

表5 1.35～1.40g/cm3密度體系實驗性能表

(6)耐壓低摩阻低密度水泥漿體系的耐壓穩(wěn)定性評價

室內(nèi)對耐壓低摩阻低密度水泥漿和釉化珍珠巖低密度水泥漿進行了耐壓穩(wěn)定性對比評價。

從圖1、圖2可以看出，兩種低密度體系經(jīng)過承壓后，釉化珍珠巖體系體積縮小5%～10%，且體系穩(wěn)定性明顯降低，自由水增大。而耐壓體系無此現(xiàn)象。

圖1 低摩阻耐壓低密度體系承壓40MPa/30min

圖2 常規(guī)低密度體系承壓40MPa/30min

(7)耐壓低摩阻低密度體系流變性能對比實驗

表6、表7數(shù)據(jù)表明在低臨界流態(tài)下，當(dāng)量流動阻力明顯低于現(xiàn)有的同密度低密度體系，當(dāng)量阻力下降7%～10%。

表6 水泥漿體系流變阻力實驗性能測定及計算對比表

表7 水泥漿體系摩阻計算與分析對比表

3.現(xiàn)場應(yīng)用

靳28井現(xiàn)場試驗，井型：直探井；井深：3385m；分級箍位置1850m。二級水泥漿總量55m3，其中1.32g/cm3普通輕珠體系用量12m3；1.37～1.43g/cm3耐壓低密度珠體系用量35m3；1.88g/cm3常規(guī)尾體系用量8m3。施工正常，水泥漿返出地面，泄壓斷流正常。

流動阻力計算：

環(huán)空靜液柱壓力：

式中，g—重力加速度，m/s2；P1—環(huán)空靜液柱壓力，MPa；Hi—第i段液體長度,m；ρi—第i段液體密度，g/cm3。

整理得：

P1=9.18×10-3×（250m×1.88+1250m×1.40+300m×1.38）=25.89MPa。

套管內(nèi)靜液柱壓力：

式中，P2—套管內(nèi)靜液柱壓力，MPa；Hi—第i段液體長度，m；ρi—第i段液體密度，g/cm3。

整理得：

套管內(nèi)外靜壓差：

式中，P3—套管內(nèi)外靜壓差，MPa。

整理得：

P3=25.89-19.91=5.98MPa。

流動摩阻：

式中，Pfa—流動摩阻，MPa；P起—起壓值，MPa。

整理得：

Pfa=10-（5.98+1）=3.02MPa。

對照阻力計算：

鄰井靳15井，完井3455m，分級箍位置2000m，二級水泥漿段為：1.32g/cm3普通輕珠體系用量52m3、1.88g/cm3常規(guī)尾體系用量8m3；頂替漿共計37m3，其中1.16g/cm3泥漿用量17m3；1.01g/cm3清水用量20m3。施工正常，水泥漿返出地面，壓力0～16～20MPa，泄壓斷流正常。

經(jīng)流動阻力計算得，靳15井環(huán)空靜液柱壓力28.64MPa；套管內(nèi)靜液柱壓力21.21MPa；套管內(nèi)外靜壓差7.43MPa；流動摩阻7.57MPa。

數(shù)值對比：

在井型相同的兩口鄰井中，采用密度相近（1.32g/cm3普通輕珠體系，加壓后密度為：1.40～1.45g/cm3）的不同水泥漿體系，在靜壓差只有7.43-5.98=1.45MPa的情況下，頂替流動摩阻相差：7.57-3.02=4.55MPa，現(xiàn)場試驗證明，低摩阻耐壓低密度水泥漿體系具有良好地降低流動摩阻的效果。

4.結(jié)論

（1）通過膠凝材料重新組合、改變膠凝材料粒徑及顆粒級配、化學(xué)激活，成功開發(fā)的全粉體材料組成的低密度體系，成為研發(fā)低密度水泥漿體系的一種新思路。

（2）通過室內(nèi)評價分析與現(xiàn)場試驗，所研制的低摩阻耐壓低密度體系具有較好的耐壓穩(wěn)定性（密度變化值≤0.03g/cm3）、流動性好、降低施工壓力效果明顯(同比下降3.0～5.0MPa)?，F(xiàn)場試驗九口井，成功率100%，封固優(yōu)質(zhì)率≥90%，在油氣井固井中有極好的推廣應(yīng)用前景。