粉煤灰復(fù)合低密高強(qiáng)水泥漿技術(shù)及其在南海西部東方1-1氣田的應(yīng)用

許偉漢 朱江林 孟青山 馬小康 段 超

（中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)事業(yè)部湛江作業(yè)公司，廣東 湛江 524000）

0 前言

東方1-1氣田位于南海北部灣鶯歌海海域，水深約63m（相對(duì)海圖水深基準(zhǔn)面）。距海南省鶯歌海鎮(zhèn)約100km，距東方縣113km，距梅山約139km.東方1-1氣田其主要為生產(chǎn)井和調(diào)整井，其地層壓力系數(shù)高，儲(chǔ)層溫度高，且富含有二氧化碳等酸性氣體。為保證東方1-1氣田的井筒完整性，針對(duì)20”套管及13-3/8”套管要求全封固井，同時(shí)要求固井過程中不能壓漏地層。20”套管及13-3/8”套管環(huán)空大，封固段長，對(duì)體系的成本也提出了較大的挑戰(zhàn)。以往都是使用人造漂珠或者天然漂珠等低密度體系進(jìn)行封固，既可以保證低密度的同時(shí)，也能達(dá)到快速高早強(qiáng)的要求，大大節(jié)約了平臺(tái)等待時(shí)間的費(fèi)用。但是漂珠體系成本高，引入粉煤灰復(fù)合材的低密度水泥漿體系，很好的解決了低溫、低密、高早強(qiáng)的技術(shù)難題。

1 粉煤灰復(fù)合材低密高強(qiáng)水泥漿體系構(gòu)建

1.1 粉煤灰復(fù)合材低密高強(qiáng)水泥漿體系設(shè)計(jì)原理

使用活性較好的粉煤灰作為漿體的減輕劑，降低漿體的靜止當(dāng)量密度（ESD），同時(shí)降低體系成本；加入提高水泥早強(qiáng)技術(shù)的材料BT3，通過粉煤灰、BT3、水泥三種外滲料與水泥之間的顆粒級(jí)配的密實(shí)技術(shù)，配套使用高效的激活劑AJH，構(gòu)建粉煤灰復(fù)合材低密高強(qiáng)水泥漿體系（簡稱PC-LITESTONE體系）。

1.2 粉煤灰復(fù)合材低密高強(qiáng)水泥漿體系主要構(gòu)成

減輕劑粉煤灰：1）能降低漿體密度；自身密度在2.00SG-2.30SG之間；2）能降低自由水作用；比表面積大；3）成本低廉；4）后期能顯著提高水泥石的抗折強(qiáng)度；5）在增加抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度同時(shí)，不增加任何的脆性；6）具有較好的水泥石耐久性。

增強(qiáng)劑BT3：一種質(zhì)地均勻的固態(tài)粉末，當(dāng)降低漿體密度時(shí)，即使水固比很高，依然可以很好的提高水泥漿的早期強(qiáng)度。

激活劑AJH：粉煤灰短期一般表現(xiàn)出較強(qiáng)的惰性，AJH能夠在短期內(nèi)迅速激發(fā)粉煤灰活性，同時(shí)也可以激發(fā)水泥的二次水化作用，形成更多的具有膠結(jié)作用的C-S-H硅鈣膠凝體，促進(jìn)水泥固化過程的膠凝強(qiáng)度快速發(fā)展，增加氣竄阻力，降低水泥石滲透率，提高凝固水泥的最終抗壓強(qiáng)度[1-2]。最大程度、最快速的提高水泥石的早起強(qiáng)度。

2 粉煤灰復(fù)合材低密高強(qiáng)水泥漿體系性能評(píng)價(jià)

2.1 體系常規(guī)性能評(píng)價(jià)

經(jīng)過多次材料和配方優(yōu)選實(shí)驗(yàn)，調(diào)整各組成材料的摻量和水灰比，根據(jù)具體的實(shí)驗(yàn)條件選用不同的外加劑，可配制出性能優(yōu)良、成本低廉的水泥漿配方，性能如表1、表2所示。

表1、表2實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：PC-LITESTONE體系的流動(dòng)性能非常好，漿體流變性能好，且漿體其他性能穩(wěn)定，無沉降、無自由液，失水量小，且抗壓強(qiáng)度高。

表1 流變性能對(duì)比(30℃)

表2 體系綜合性能對(duì)比

2.2 體系防竄性能評(píng)價(jià)

長期以來國內(nèi)外固井作業(yè)者和相關(guān)的研究院所對(duì)固井過程中的油氣水竄流原理以及抑制、防止方法進(jìn)行了大量室內(nèi)研究和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用研究，雖然沒有API標(biāo)準(zhǔn)，但也開發(fā)出了一些評(píng)價(jià)防竄添加劑和防竄能力的水泥漿體系是否具有良好的防竄能力的方法[3-4]：

哈利伯頓公司SPN值計(jì)算法，SPN值反應(yīng)了水泥漿失水量及水泥漿凝固過程阻力變化系數(shù)A值對(duì)氣竄的影響：

水泥漿API失水量越低.稠化時(shí)間T100Bc與T30Bc的差值越小，即在此稠化時(shí)間內(nèi)阻力變化越大，A值越小，SPN值也越小，防氣竄能力越強(qiáng)。表3為中石化企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，表4為體系的防竄能力級(jí)別評(píng)價(jià)。

表3 SPN值與防竄能力級(jí)別

表4 PC-LITESTONE體系SPN值與防竄能力級(jí)別

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，體系的SPN值僅僅1.1，體系具有極好的防竄能力。

2.3 PC-LITESTONE體系水泥石長期強(qiáng)度發(fā)展實(shí)驗(yàn)

為研究水泥石能否滿足井底長久生產(chǎn)作業(yè)需求，筆者進(jìn)行了水泥石超聲波靜膠凝強(qiáng)度（UCA）發(fā)展實(shí)驗(yàn)研究,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5：

表5 水泥石強(qiáng)度長期發(fā)展UCA實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，1個(gè)月的強(qiáng)度養(yǎng)護(hù)后發(fā)現(xiàn)，PC-LITESTONE體系具有較好的長期強(qiáng)度發(fā)展。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)東方-1氣田實(shí)際情況，在F1F2F3F4F5F6F7h井的表層20”套管使用PC-LITESTONE體系的1.55g/cm3水泥漿進(jìn)行全封固井，封固裸眼長為500米；13-3/8”技術(shù)套管使用PC-LITESTONE體系的1.60g/cm3水泥漿進(jìn)行全封固井，封固裸眼長為2070米；9-5/8”技術(shù)套管使用1.70g/cm3水泥漿進(jìn)行首漿固井，封固至上層套管鞋100米?，F(xiàn)場(chǎng)作業(yè)表明：使用基于粉煤灰復(fù)合的PC-LITESTONE體系固井20次，水泥漿流變性能良好，密度穩(wěn)定，抗壓強(qiáng)度高，低溫強(qiáng)度發(fā)展快，長久強(qiáng)度高，且成本較漂珠體系大幅降低，完全滿足東方1-1氣田的表技套作業(yè)要求，作業(yè)質(zhì)量優(yōu)良。

4 結(jié)論

通過以上實(shí)驗(yàn)研究，可以得出以下結(jié)論：

1）PC-LITESTONE體系性能穩(wěn)定，沉降穩(wěn)定性好，無自由液，水泥石強(qiáng)度長期發(fā)展良好；

2）體系SPN值僅為1.1，具有較好的防竄效果；

3）該體系滿足表層套管到技術(shù)套管、從低溫泥線到9-5/8”技套高溫封固要求。

[1]姚曉,許仲梓.低溫下油井水泥石孔結(jié)構(gòu)與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系[J].南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),26(1).

[2]D.G.Calvert，Determination of Temperatures for Cementing in Wells Drilled in Deep Water IADCISPE 3935[Z].

[3]GB-T19139-2003 油井水泥試驗(yàn)方法[M].頁碼：83.

[4]Fred L.sabins.The relationship of thicking time,gel strength,and compressive strength of oilwell cements[Z].SPE 11205，1986.

[5]Q/SH0014-2007中國石油化工集團(tuán)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn) “川東北天然氣井固井技術(shù)規(guī)范”[S].