磷酸鹽水泥固井技術(shù)在LKQ地區(qū)X井火燒油層的應(yīng)用

辛海鵬，王建瑤，周芝琴，何樹(shù)理，曾建國(guó)，付正華，孫富全

（1.中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程有限公司··中國(guó)石油集團(tuán)鉆井工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室固井技術(shù)研究室，天津 300451；2.中國(guó)石油吐哈油田公司工程技術(shù)研究院，新疆吐魯番，838202；3. 中國(guó)石油集團(tuán)長(zhǎng)城鉆探 固井公司，遼寧盤(pán)錦 124010）

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磷酸鹽水泥固井技術(shù)在LKQ地區(qū)X井火燒油層的應(yīng)用

辛海鵬1，王建瑤1，周芝琴2，何樹(shù)理3，曾建國(guó)1，付正華2，孫富全1

（1.中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程有限公司··中國(guó)石油集團(tuán)鉆井工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室固井技術(shù)研究室，天津 300451；2.中國(guó)石油吐哈油田公司工程技術(shù)研究院，新疆吐魯番，838202；3. 中國(guó)石油集團(tuán)長(zhǎng)城鉆探 固井公司，遼寧盤(pán)錦 124010）

辛海鵬等.磷酸鹽水泥固井技術(shù)在LKQ地區(qū)X井火燒油層的應(yīng)用[J].鉆井液與完井液，2016，33（3）：73-77，83.

摘要為有效開(kāi)發(fā)稠油資源，TH油田在LKQ地區(qū)X井進(jìn)行注空氣火燒吞吐/火驅(qū)開(kāi)發(fā)先導(dǎo)試驗(yàn)。該地區(qū)主要目的層滲透率高，易產(chǎn)生漏失，引起固井質(zhì)量問(wèn)題。通過(guò)分析磷酸鹽水泥耐高溫抗酸蝕機(jī)理，決定使用超聲強(qiáng)度發(fā)展較快的耐高溫、耐CO2腐蝕的磷酸鹽水泥漿進(jìn)行固井作業(yè)。該磷酸鹽水泥漿由磷酸鹽水泥BCM-600S、降失水劑BCF-600L、緩凝劑BCR-600S和消泡劑G603組成。性能評(píng)價(jià)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的耐高溫耐腐蝕磷酸鹽水泥漿固化體耐溫達(dá)到550 ℃，高溫強(qiáng)度長(zhǎng)期不衰退，綜合性能滿足施工要求。X井采用磷酸鹽水泥全井封固，封固段優(yōu)質(zhì)率達(dá)93.8%，固井質(zhì)量合格。該磷酸鹽水泥可以推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞固井；火燒油層；磷酸鹽水泥漿；耐高溫；耐腐蝕

0　引言

中國(guó)有豐富的稠油資源[1-3]，但如何進(jìn)行經(jīng)濟(jì)有效地開(kāi)發(fā)稠油油藏一直是世界性難題，目前主要的稠油開(kāi)采方法有蒸汽吞吐、蒸汽驅(qū)、火燒油層、SAGD技術(shù)和出砂冷采等[4-5]。其中，火燒油層技術(shù)是一種有效的提高采收率技術(shù)，用這種方法開(kāi)采高黏度稠油或?yàn)r青砂，可以把重質(zhì)原油開(kāi)采出來(lái)，這種方法的采收率很高，可達(dá)50%以上。

TH油田L(fēng)KQ地區(qū)原油具有高密度、高黏度、高凝固點(diǎn)、高非烴含量和中等含蠟量的“四高一中”的特點(diǎn)，屬典型的芳香型稠油。該地區(qū)主要目的層梧桐溝組為層狀構(gòu)造-地層型稠油油藏，原油為超稠油，50 ℃時(shí)原油黏度為27 930～110 600 mPa·s。梧桐溝組巖性整體較粗，根據(jù)巖心分析，孔隙度在17%～35%之間、平均為25%左右，滲透率在30×10-3～965×10-3μm2之間，屬中高孔-中高滲儲(chǔ)層。

為有效開(kāi)發(fā)稠油資源，TH油田將LKQ地區(qū)X井作為試驗(yàn)井進(jìn)行注空氣火燒吞吐/火驅(qū)開(kāi)發(fā)先導(dǎo)試驗(yàn)。由于其地層松軟及采用火燒油層技術(shù)，給固井工作提出了挑戰(zhàn)[6-8]，固井主要難點(diǎn)包括：①稠油燃燒溫度比較高，可達(dá)550 ℃，高溫下水泥石晶體結(jié)構(gòu)容易發(fā)生變化，產(chǎn)生強(qiáng)度衰退；②550 ℃下熱應(yīng)力大，會(huì)導(dǎo)致水泥環(huán)層間封隔失效，進(jìn)一步引起套損，影響油井壽命；③稠油燃燒產(chǎn)生CO2和水蒸汽，對(duì)油井水泥產(chǎn)生腐蝕作用，從而破壞水泥環(huán)密封完整性，影響油井壽命[5]；④地層滲透率高，易產(chǎn)生漏失，引起固井質(zhì)量問(wèn)題，加劇水泥環(huán)的破壞和套損。

針對(duì)LKQ地區(qū)X井實(shí)際情況，需要合理確定漿柱結(jié)構(gòu)以防止漏失，水泥漿方面應(yīng)選用超聲強(qiáng)度發(fā)展較快的耐高溫、 耐CO2腐蝕水泥漿體系，以保證水泥環(huán)在超高溫和CO2環(huán)境下的長(zhǎng)期封固性能。

1　磷酸鹽水泥耐高溫抗酸蝕機(jī)理

磷酸鹽水泥以膠凝材料為質(zhì)子受體，以磷酸鹽為質(zhì)子給體，通過(guò)酸堿反應(yīng)來(lái)合成化學(xué)鍵合水泥?？紤]到膠凝材料反應(yīng)活性高，需選用調(diào)節(jié)材料來(lái)調(diào)整膠凝材料的反應(yīng)活性。

磷酸鹽水泥的耐高溫能力是受其晶體結(jié)構(gòu)決定的。磷酸鹽水泥的水化產(chǎn)物為NaCaPO4·xH2O和α-Al2O3，在高溫高壓下轉(zhuǎn)變?yōu)榱u基磷灰石、勃姆石和α-Al2O3（見(jiàn)圖1）。根據(jù)文獻(xiàn)[9]可知，只有在溫度超過(guò)1000 ℃時(shí)，羥基磷灰石才會(huì)被分解成磷酸三鈣和磷酸四鈣。而勃姆石在熱作用下即開(kāi)始發(fā)生轉(zhuǎn)變[10-11]，在1200 ℃時(shí)樣品基本轉(zhuǎn)變?yōu)樾狈搅骟w晶系α-Al2O3，α-Al2O3處于熱穩(wěn)定態(tài)，能在1200 ℃穩(wěn)定存在。綜上所述，不論羥基磷灰石、勃姆石還是α-Al2O3，在火燒油層溫度下都能穩(wěn)定存在，具有極高的耐溫性，隨著溫度的升高強(qiáng)度不會(huì)衰退。

圖1　磷酸鹽水泥石經(jīng)300 ℃下養(yǎng)護(hù)28 d后的XRD譜圖

為確定羥基磷灰石的存在，用掃描電鏡并結(jié)合X-射線能譜分析法研究了水泥石的微觀結(jié)構(gòu)。圖2為磷酸鹽水泥在100 ℃下養(yǎng)護(hù)30 d的SEM照片，圖3為圖2中紅色區(qū)域的EDS譜圖。從圖3譜圖上可以看到磷元素存在，可以判定指定區(qū)域的晶相即為羥基磷灰石。

圖2　磷酸鹽水泥石SEM照片（100 ℃，30 d）

圖3　圖2中紅色區(qū)域的EDS譜圖

在耐酸蝕方面，氧化鋁表面致密，很難被CO2腐蝕，且碳酸酸性弱于磷酸，因此磷酸鹽水泥不會(huì)被CO2腐蝕，具有極高的耐CO2腐蝕能力。

將100 ℃養(yǎng)護(hù)3 d的磷酸鹽水泥石和波特蘭水泥石在100 ℃、5 MPa的CO2分壓下腐蝕7 d，用無(wú)色酚酞為指示劑進(jìn)行染色，見(jiàn)圖4?？紤]到無(wú)色酚酞的顯色范圍為pH值為8.2～10，圖中紅色部分表明與無(wú)色酚酞發(fā)生顯色反應(yīng)，為堿性組分。從圖4可以看出，磷酸鹽水泥石從外觀上觀察不到紅色，表明磷酸鹽水泥的堿性材料含量極低，不易被CO2腐蝕；此外，可以明顯觀察到波特蘭水泥石被CO2腐蝕后的邊界，而對(duì)應(yīng)的磷酸鹽水泥外觀上則觀察不到腐蝕。由于其良好的耐高溫、耐CO2腐蝕性能，TH油田決定選用磷酸鹽水泥體系作為火燒油層試驗(yàn)井的固井材料。

注：無(wú)色酚酞為指示劑。

2　磷酸鹽水泥漿的組成及性能

2.1磷酸鹽水泥漿的組成

磷酸鹽水泥漿由磷酸鹽水泥BCM-600S、降失水劑BCF-600L、緩凝劑BCR-600S和消泡劑G603組成，在低密度水泥漿體系設(shè)計(jì)中，采用漂珠作為減輕材料。BCF-600L和BCR-600S均為專門(mén)針對(duì)磷酸鹽水泥研發(fā)的產(chǎn)品，與硅酸鹽水泥漿體系不通用。這是由于磷酸鹽水泥的制備方法和成分與波特蘭水泥差異很大，其水化過(guò)程和表面性質(zhì)差異也很大，適用于波特蘭水泥的緩凝劑和降失水劑，不適用于磷酸鹽水泥漿體系。因此針對(duì)磷酸鹽水泥的水化特點(diǎn)和表面性質(zhì)，開(kāi)發(fā)了與磷酸鹽水泥配套的緩凝劑和降失水劑。

磷酸鹽水泥為化學(xué)鍵合水泥，通過(guò)酸堿反應(yīng)形成膠凝材料，因此，高溫調(diào)凝難度大，有關(guān)磷酸鹽水泥的緩凝機(jī)理還不清楚，文獻(xiàn)一般認(rèn)為是緩凝劑吸附在已水化的磷酸鹽水泥表面，形成一層保護(hù)膜，從而阻止磷酸鹽水泥的進(jìn)一步水化。根據(jù)以上認(rèn)識(shí)，設(shè)計(jì)合成了緩凝劑BCR-600S。

在普通的硅酸鹽水泥漿體系中，緩凝劑相對(duì)含量較磷酸鹽水泥漿體系低，同時(shí)通過(guò)吸附、沉淀、成核或絡(luò)合等過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)緩凝。而磷酸鹽水泥則一般通過(guò)緩凝劑吸附在已水化的磷酸鹽水泥表面，形成一層保護(hù)膜，從而阻止磷酸鹽水泥進(jìn)一步水化。因此，磷酸鹽水泥顆粒表面電荷分布情況與普通硅酸鹽水泥顆粒存在顯著差異，從而導(dǎo)致AMPS類降失水劑在磷酸鹽水泥漿體系中失效，30 min失水量超過(guò)1000 mL或擊穿?；诶碚摲治觯Y(jié)合上述降失水劑失水控制機(jī)理，設(shè)計(jì)合成了BCF-600L。

2.2磷酸鹽水泥漿的性能

2.2.1常規(guī)性能

根據(jù)X井固井設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)了領(lǐng)漿和尾漿，低密度領(lǐng)漿按緊密堆積原理設(shè)計(jì)[12-13]，領(lǐng)漿和尾漿性能見(jiàn)表1，稠化曲線如圖5、 圖6所示。由表1可知，磷酸鹽水泥漿漿體穩(wěn)定，失水量小，流性指數(shù)高，稠度指數(shù)低，有利于實(shí)施提高頂替效率的工藝措施。

表1用于X井固井的磷酸鹽水泥漿工程性能

圖5 磷酸鹽水泥漿領(lǐng)漿的稠化曲線（56 ℃）

圖6 磷酸鹽水泥漿尾漿的稠化曲線（56 ℃）

2.2.2 水泥漿稠化時(shí)間的影響因素

分別考察了緩凝劑加量（占灰重）、密度波動(dòng)、隔離液及鉆井液污染對(duì)水泥漿稠化時(shí)間的影響，稠化條件均為56 ℃×30 MPa，見(jiàn)表2和表3。

表2　緩凝劑加量對(duì)水泥漿稠化時(shí)間的影響

表3　密度波動(dòng)對(duì)水泥漿稠化時(shí)間的影響

從表2可知，稠化時(shí)間與緩凝劑加量呈較好的線性關(guān)系，過(guò)渡時(shí)間約為1min，為直角稠化（見(jiàn)圖5、圖6）。從表3可知，在水泥漿密度波動(dòng)時(shí)，稠化時(shí)間隨之波動(dòng)，領(lǐng)漿稠化時(shí)間縮短46 min，尾漿稠化時(shí)間縮短38 min，均在可接受范圍內(nèi)，沒(méi)有出現(xiàn)急劇變化的情況，為現(xiàn)場(chǎng)固井施工提供了安全保證。

TH油田L(fēng)KQ地區(qū)的井，井深在2 200 m左右，固井施工時(shí)間為110 min，附加安全時(shí)間為30～60 min。領(lǐng)漿與隔離液混合后稠化時(shí)間足夠長(zhǎng)（大于480 min），可保證施工安全，領(lǐng)漿與隔離液和鉆井液相容性好，混合液稠化時(shí)間大于900 min，利于安全施工。

2.2.3強(qiáng)度性能

將領(lǐng)漿和尾漿在高溫高壓強(qiáng)度養(yǎng)護(hù)儀中養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)溫度分別為30 ℃和56 ℃，領(lǐng)漿48 h頂部強(qiáng)度達(dá)到12.0 MPa，具有快速的強(qiáng)度發(fā)展性能，尾漿24 h 強(qiáng)度也達(dá)到14.1MPa，可滿足工程需求。

2.2.4磷酸鹽水泥石耐高溫性能

磷酸鹽水泥石耐高溫抗壓強(qiáng)度如表4所示，尾漿和領(lǐng)漿所對(duì)應(yīng)的水泥石高溫條件下長(zhǎng)期抗壓強(qiáng)度分別超過(guò)18 MPa和12 MPa且保持穩(wěn)定，說(shuō)明磷酸鹽水泥石完全能滿足火燒油層的固井應(yīng)用。

2.2.5磷酸鹽水泥石耐CO2腐蝕性能

碳酸鈣熱分解溫度為600～770 ℃，因此可以通過(guò)研究在該溫度范圍內(nèi)的失重量來(lái)表征水泥石的腐蝕程度。同時(shí)，隨著養(yǎng)護(hù)溫度增大，水泥石中易腐蝕成分減少，水泥石的孔隙率減小，因此僅需考察100 ℃及以下磷酸鹽水泥石腐蝕情況，其腐蝕情況見(jiàn)表5～表7。

表4　磷酸鹽水泥石耐高溫抗壓強(qiáng)度

表5　經(jīng)CO2腐蝕磷酸鹽水泥石樣品在受熱600～770 ℃區(qū)間質(zhì)量損失情況

表6　磷酸鹽水泥石在CO2腐蝕前后孔隙率和孔徑分布情況

結(jié)果表明，隨著腐蝕時(shí)間增加，磷酸鹽水泥腐蝕量在30 d趨于穩(wěn)定，腐蝕量小于1%；腐蝕后孔隙率略有增大，少害孔級(jí)數(shù)量略有增大，但對(duì)強(qiáng)度影響較大的孔級(jí) （大于50 nm）無(wú)增大趨勢(shì)；腐蝕后水泥石的滲透率基本保持不變，強(qiáng)度有增大趨勢(shì)。綜合以上數(shù)據(jù)可知，磷酸鹽水泥石具有良好的耐CO2腐蝕性能。

表7　磷酸鹽水泥石CO2腐蝕前后樣品抗壓強(qiáng)度以及滲透率變化情況

3　現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

X井為直井，完鉆井深為2 220 m，該井為二開(kāi)結(jié)構(gòu)：φ375 mm鉆頭×500 m（φ273 mm套管×500 m）+φ241mm鉆頭×2 220 m（φ177.8 mm套管× 2 220 m）。固井施工要求一次上返且固井質(zhì)量合格。由于X井存在地層破裂壓力較低的情況，全井封固時(shí)如全部采用常規(guī)密度的水泥石極易發(fā)生漏失，因此需要利用低密度水泥漿體系。通過(guò)液柱壓力計(jì)算，并考慮施工摩阻情況，確定水泥漿體系采用密度為1.50 g/cm3的領(lǐng)漿和密度為1.85 g/cm3的尾漿相結(jié)合的體系，防止固井漏失并保證固井質(zhì)量。上側(cè)0～1700 m井段采用密度為1.45 g/cm3的高強(qiáng)低密度磷酸鹽水泥漿封固，油層1700～2 220 m井段采用密度為1.85 g/cm3的常規(guī)密度磷酸鹽水泥漿封固。要求領(lǐng)漿稠化時(shí)間為190～260 min，尾漿為80～130 min。

該井于2015年5月5日實(shí)施固井作業(yè)，注入10 m3密度為1.0 g/cm3的前置液、 5 m3密度為1.40 g/cm3的先導(dǎo)漿、 53 m3密度為1.46 g/cm3的領(lǐng)漿、15 m3密度為1.85 g/cm3的尾漿，替漿總量為41m3，碰壓正常，敞壓候凝。整個(gè)施工過(guò)程順利，沒(méi)有發(fā)生漏失，一次上返。測(cè)井結(jié)果：封固段水泥二界面膠結(jié)良好，質(zhì)量?jī)?yōu)良井段為93.8%，質(zhì)量中等井段為6.2%，全井合格率為100 %，達(dá)到甲方固井要求。

4　結(jié)論

1.針對(duì)X井固井難點(diǎn)，設(shè)計(jì)耐高溫耐腐蝕磷酸鹽水泥漿體系，水泥石耐溫達(dá)到550 ℃，高溫強(qiáng)度長(zhǎng)期不衰退，綜合性能滿足施工要求。固井施工順利安全，固井質(zhì)量合格。

2.磷酸鹽水泥在X井的應(yīng)用取得成功，效果良好，同時(shí)該井的成功經(jīng)驗(yàn)可為以后稠油熱采井固井提供良好的范例，為磷酸鹽水泥在中國(guó)的推廣奠定了基礎(chǔ)。

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The Application of Phosphate Cement Slurry Used in Cementing In-situ Combustion Reservoir Section of Well X in LKQ Area

XIN Haipeng1, WANG Jianyao1, ZHOU Zhiqin2, HE Shuli3, ZENG Jianguo1, FU Zhenghua2, SUN Fuquan1
(1. CNPC Offshore Engineering Co. Ltd., Laboratory of Cementing Technology of CNPC Key Laboratory of Drilling Engineering, Tianjin 300451;2. Research Institute of Engineering Technology, Tuha Oilfield Division, Turpan, Xinjiang 838202;3. The Well Cementing Branch of the GWDC, Panjin, Liaoning 124010)

AbstractIn-situ combustion and fre-fooding have been done by injecting air into the well X in TH oilfeld to try to develop the thick oil resources effectively. In this area the reservoir formations have high permeability and mud losses into the formations have occurred frequently before，resulting in poor cementing job quality. Phosphate cement has been chosen for use in well cementing because this cement is resistant to CO2corrosion and has good high temperature performance，and the strength of the set phosphate cement measured by ultrasonic sound develops faster. The phosphate cementing slurries are formulated with these additives: phosphate cement BCM-600S，flter loss reducer BCF-600L，cementing retarder BCR-600S and defoamer G603. Laboratory evaluation demonstrates that the phosphate cement slurries are resistant to high temperatures to 550 ℃ when set，and their high temperature strength can last for a long time. The whole length of the well X was cemented with the phosphate cement slurries，93.8% of the hole section has been cemented excellently. The phosphate cement can be used in other cementing operations.

Key wordsWell cementing； In-situ combustion reservoir； Phosphate cement slurry； High temperature resistant； Corrosion resistant

中圖分類號(hào)：TE256

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-5620（2016）03-0073-05

doi:10.3696/j.issn.1001-5620.2016.03.015

基金項(xiàng)目：中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司科學(xué)研究與技術(shù)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目“水泥石封固性能改造新技術(shù)研究”（2014A-4213）。

第一作者簡(jiǎn)介：辛海鵬，理學(xué)博士，工程師，1986年生，男，畢業(yè)于山東大學(xué)高分子化學(xué)與物理專業(yè)，主要從事油井水泥外加劑的研發(fā)及技術(shù)服務(wù)工作。電話 （022）66310216；E-mail：xinhp@cnpc.com.cn。

收稿日期（2015-12-9；HGF=1506M7；編輯馬倩蕓）