新型低密高強(qiáng)水泥漿的研究和應(yīng)用

齊智(中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)事業(yè)部)

蓬萊19-3油田是康菲石油公司在中國最大的油田區(qū)塊，該區(qū)塊屬于淺層油氣層開發(fā)區(qū)塊，有如下幾個特點(diǎn)：一，地層破裂壓力底，容易漏失，二，鉆井鉆遇層數(shù)多，三，設(shè)計(jì)封固段長，四，油田井?dāng)?shù)較多，老油氣區(qū)塊壓裂層位較多，壓力竄層，造成別的油田區(qū)塊壓力異常。在2011年6月中旬，本油田區(qū)塊出現(xiàn)大面積溢油事故，受上述因素影響，蓬萊19-3油田的固井工藝決定采用水泥漿密度更低的人造漂珠水泥漿體系，水泥漿的密度為1.4g/cm3，取代了之前的水泥漿密度為1.5g/cm3的天然漂珠水泥漿體系。并且取得了良好的作業(yè)效果。

自2011年6月康菲石油公司在蓬萊19-3油田發(fā)生溢油事故以來，新的ODP(Overall Development Plan整體開發(fā)方案)要求控制固井時的ECD（Equivalent Circulation Density當(dāng)量循環(huán)密度），以防止地層漏失以及提高水泥石強(qiáng)度并且保證固井質(zhì)量。在漏油事故之前，蓬萊19-3油田使用1.50g/cm3的低密高強(qiáng)水泥漿體系，該體系將天然漂珠作為減輕劑，在蓬萊19-3油田二期使用效果良好，但該水泥漿體系在13-3/8”表層套管固井及9-5/8”技術(shù)與油層套管固井時13-3/8”套管鞋處的ECD高于的ODP要求，需要開發(fā)新型水泥漿體系，這也就是說在降低水泥漿密度的同時，水泥石強(qiáng)度還要有所提高。

通過對國內(nèi)水泥減輕劑和增強(qiáng)劑的調(diào)研和實(shí)驗(yàn)，研究和開發(fā)了新型低密高強(qiáng)水泥漿體系，也就是人造漂珠水泥漿體系。

一、新型低密高強(qiáng)水泥的組分

降低水泥漿的密度，開發(fā)新型低密高強(qiáng)水泥漿體系。減輕劑是重點(diǎn)，在減輕劑里加入增強(qiáng)劑和微硅，通過一定比率的混制，這就形成了新型低密高強(qiáng)水泥。在具體的現(xiàn)場應(yīng)用中，由于對稠化時間的要求，在水泥了加入了相應(yīng)的化學(xué)添加劑，這些添加劑通過與水泥的化學(xué)反應(yīng)，經(jīng)過一定的時間，形成了水泥石。

1.減輕劑

新型低密高強(qiáng)水泥漿采用的減輕劑就是人造玻璃微珠，也即PC-P62S，它具有低密度、高強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性好、分散性高等特點(diǎn)，該減輕劑在井下具有不可壓縮性，抗壓強(qiáng)度可達(dá)到41Mpa，完全滿足蓬萊19-3油田的作業(yè)要求，能保持全井筒液柱密度的一致性和良好的流動性。因此，它在平衡地層壓力固井中發(fā)揮著重要作用。替代了傳統(tǒng)的填充劑，用來減重水泥漿密度，降低作業(yè)成本、提高產(chǎn)品性能。

PC-P62S是一種高性能的空心玻璃微珠，是一種中空的圓球粉末狀超輕質(zhì)無機(jī)非金屬材料，化學(xué)組分為硅硼酸鈣鹽，不溶于水和油，具有不可壓縮性，呈低堿性，與大多數(shù)的樹脂類物質(zhì)有兼容性，有潤滑和改善流動性的功能。是近年發(fā)展起來的一種用途廣泛、性能優(yōu)異的新型輕質(zhì)材料。其密度在0.45～0.48 g/cm3，粒徑在2-120μm 之間，其中99%的漂珠的粒徑就聚集在2-54μm，而在8～12μm（1250目）分布最為廣泛，達(dá)到了所有漂珠總量的26%，（見圖1.1）抗壓強(qiáng)度可達(dá)到41M pa，熱穩(wěn)定性好，溫度達(dá)到625°C以上時，空心玻璃微珠形態(tài)才可能發(fā)生變化，與硼硅酸鹽玻璃一樣，化學(xué)穩(wěn)定性極強(qiáng)，導(dǎo)熱能力在0.0503～0.0934(W·m-1·K-1)@20°C之間，漂浮率達(dá)到95%以上，PH值呈堿性，在8～9.5之間，外觀為白色流動性粉末，（見圖1.2）通過大量的性能檢測試驗(yàn)，選擇將此減輕劑應(yīng)用于新型低密高強(qiáng)水泥漿體系中。

圖1.1 人造微珠的粒徑分布

圖1.2 人造微珠的物理特性

2.增強(qiáng)劑

增強(qiáng)劑的選擇需要與減輕劑的配伍性非常好，幾經(jīng)更新，最終選擇了GRET1，GRET1混配的水泥漿的穩(wěn)定性好，性能優(yōu)，能夠與水泥和人造漂珠形成很好的“顆粒級配”（見圖1.3），水泥的粒徑大約在75μm（200目），然而粒徑為32～65μm（325目）的GRET1的含量達(dá)到了70.31%，這就使GRET1的粒徑介于水泥顆粒和人造微珠顆粒之間，有效地填補(bǔ)了水泥顆粒與人造微珠顆粒之間的空隙（見圖1.4），從而提高了水泥石強(qiáng)度，保證了固井質(zhì)量。

圖1.3 人造漂珠、增強(qiáng)劑、水泥形成的顆粒級配

圖1.4 人造漂珠、增強(qiáng)劑、水泥形成的微觀狀態(tài)。

增強(qiáng)劑也就是CRET1，是一種具有水化活性的油井水泥外摻料，與油井水泥、人造漂珠一起使用以配制密度為1.20～1.60g/cm3的高強(qiáng)度低密度水泥漿。CRET1表觀性狀為灰色固體粉末，密度為2.70～2.80g/cm3，適用的溫度范圍為20～180℃(BHCT)，加量一般為20～100%(BWOC)(視水泥漿密度大小而定)，然而這種增強(qiáng)劑僅適宜于干混。

采用CRET1低密度油井水泥增強(qiáng)劑配制的水泥漿可使水泥漿達(dá)到如下技術(shù)指標(biāo)，失水量：300～700ml；游離液含量：0ml；抗壓強(qiáng)度（70℃,21MPa,24hr）：≥14.0MPa。使得水泥石的強(qiáng)度大大的提高。

3.微硅

微硅的加入，大大的改善水泥石的高溫強(qiáng)度衰退性能，能有效提高特定養(yǎng)護(hù)時間條件下水泥石的強(qiáng)度，降低水泥石的滲透率，并且減緩了強(qiáng)度發(fā)育的衰退。

微硅又稱硅灰，是電爐中生產(chǎn)硅和硅鐵合金的副產(chǎn)品。微硅是以氣態(tài)形成的，并通過氣體吹入特制的集塵過濾器收集的微小顆粒，其主要化學(xué)成分為無定型SiO2（含量約85%～98%），密度為 2.1～2.4g/cm3，平均粒徑約為 0.15μm，比水泥平均半徑小100多倍，顆粒分布在 0.02～0.5μm之間。

微硅顆粒細(xì)小，具有較大的比表面積，加入水泥漿中具有較強(qiáng)的吸水性，因此可在一定程度上增大水灰比降低水泥的密度；由于硅灰的主要成分為無定型，因此具有很高的反應(yīng)活性，能在適宜的條件下與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生作用而獲得硅酸鈣凝膠或雪硅鈣石（110℃～150℃）或硬硅鈣石（>150℃）等產(chǎn)物，這些產(chǎn)物對于保障水泥石形成良好的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及骨架強(qiáng)度具有重要的作用。

微硅在水泥中的反應(yīng)是通過與水泥漿溶液中水化作用產(chǎn)生的水化硅酸鈣凝膠產(chǎn)物及溶液中生成的氫氧化鈣的反應(yīng)實(shí)現(xiàn)的，其最初生成的是一種水化硅酸鈣中間產(chǎn)物，在不同的溫度條件下將發(fā)生形態(tài)的改變，最終產(chǎn)生了具有晶體特征、高強(qiáng)度、低滲透率的水化硅酸鈣產(chǎn)物。

微硅能夠降低水泥漿滲透率及提高強(qiáng)度的另一方面原因與其顆粒細(xì)小粒徑密切相關(guān)，即由于硅灰顆粒細(xì)小能夠有效填充在水泥水化產(chǎn)物形成的空隙中，形成了顆粒密集堆積，在微觀上減少了空隙體積，增強(qiáng)了水泥的抗壓縮性能。

二、水泥漿的性能比較

1.化學(xué)添加劑

康菲蓬萊19-3油田二期大規(guī)模使用了低密高強(qiáng)水泥漿體系，水泥漿密度是1.5g/cm3，這種體系里的減輕劑是天然漂珠，它的粒徑大，性能穩(wěn)定，在經(jīng)過多年的應(yīng)用后，這套體系已經(jīng)非常的成熟，不論是哪個套管層次的固井，合理的化學(xué)添加劑的添加就能達(dá)到要求的稠化時間。固定了分散劑的加量，通過調(diào)節(jié)緩凝劑的加量，可以得到不同溫度下的稠化時間。具體加量見表2.1。注：此處采用干混降失水劑。

表2.1 天然漂珠水泥漿配方中各添加劑的加量

新型低密高強(qiáng)水泥漿的減輕劑是人造漂珠，其所調(diào)配的水泥漿密度是1.4g/cm3，在此水泥漿體系大批量應(yīng)用與現(xiàn)場之前，經(jīng)過了大量的對比實(shí)驗(yàn)，我們已經(jīng)全面掌握了水泥漿的性能，定量的掌握了性能和添加劑加量之間的關(guān)系，并且準(zhǔn)確的得出了合理的添加劑的使用量（見表2.2），為后續(xù)的研究和現(xiàn)場應(yīng)用提供了非常有利的數(shù)據(jù)支持。注：此處采用濕混降失水劑

表2.2 人造漂珠水泥漿配方中各添加劑的加量

2.水泥漿性能

雖然新型低密高強(qiáng)體系的水泥漿密度比原來天然漂珠水泥漿的密度降低了0.1g/cm3，但是人造漂珠水泥漿的的抗壓強(qiáng)度依然可以達(dá)到高的標(biāo)準(zhǔn)，以下是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比。由于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較多，現(xiàn)選取具有代表性的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比較，見表2.3。

表2.3 天然漂珠與人造漂珠水泥漿的性能比較

三、應(yīng)用

1.新型水泥漿的現(xiàn)場應(yīng)用

蓬萊19-3-B20ST02井是一口定向井，最大井斜達(dá)到45°，鉆井完鉆井深：1704.78米，垂深1477.08米，鉆井過程中鉆井液的密度為1.14g/cm3。井身結(jié)構(gòu)：9-5/8”CSG@886.5m，L.H Depth@787.85m，7”liner@1698m。

該井固井的技術(shù)難點(diǎn)是，此區(qū)塊屬于典型低壓易漏油氣層，是以往固井漏失最為嚴(yán)重平臺之一，在B平臺之前的固井作業(yè)中，很多的尾管固井作業(yè)都發(fā)生漏失，進(jìn)而導(dǎo)致固井質(zhì)量極差，因此防漏是固井成敗的關(guān)鍵。經(jīng)過討論后決定，固井作業(yè)選用了新型低密高強(qiáng)水泥體系。

2.作業(yè)結(jié)果

固井作業(yè)后，電測顯示低密度固井聲幅均在10%以內(nèi)。其封固質(zhì)量甚至好于常規(guī)水泥封固質(zhì)量。其優(yōu)異的防竄、防漏性能得到驗(yàn)證，固井質(zhì)量圖見圖3.1

圖3.1 蓬萊19-3-B20ST02井固井質(zhì)量圖

小結(jié)

1.低密度高強(qiáng)度水泥漿可用于長封固段易漏井的固井施工，具有穩(wěn)定性好、強(qiáng)度高、候凝時間短等特點(diǎn)，能有限地減少井漏的發(fā)生。

2.低密度高強(qiáng)度水泥漿可形成良好的顆粒充填和級配，具有更緊密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可形成更為致密的水泥石，堵塞氣體的運(yùn)移通道，達(dá)到防氣竄的目的。

3.低密度高強(qiáng)度水泥漿體系綜合性能良好，可以完全滿足固井現(xiàn)場施工要求。

通過一系列的實(shí)驗(yàn)，得出了具體的實(shí)驗(yàn)配方，然后進(jìn)行了大量的復(fù)核實(shí)驗(yàn)，最后經(jīng)過多方協(xié)商，進(jìn)行了現(xiàn)場的大樣實(shí)驗(yàn)，大樣實(shí)驗(yàn)為后面的推廣提供了有力的技術(shù)支持，從現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的問題中，調(diào)配了最優(yōu)的體系配方，使得其更適合蓬萊19-3油田的具體地層。并且發(fā)現(xiàn)了在輸灰過程中的損耗量，明確了人才漂珠等混材的附加量，以及在現(xiàn)場混配水泥漿時，需要注意的一些細(xì)節(jié)，這些寶貴的經(jīng)驗(yàn)為后面的大面積應(yīng)用提供很多的技術(shù)支持。

[1]商勇李坤史鴻祥 低密度水泥漿固井技術(shù)研究與應(yīng)用鉆井液與完井液2004年(第21卷)第4期.

[2]文湘杰宋艷霞李寶東常煥強(qiáng)低密高強(qiáng)度水泥漿在下二門油田的應(yīng)用河南石油.2004年(第18卷)第5期.

[3]孫富全林恩平路寧賈芝低密高強(qiáng)水泥漿在陜242井的應(yīng)用鉆井液與完井液 2002年(第19卷)第3期.