提高石油评价井低压易漏多油层段固井质量的研究与应用

谢建华

中国石油长庆油田分公司工程技术管理部　（陕西　西安　710021）

长庆油田大部分区块存在着低压漏失地层，有些地层的破裂压力非常低，只能利用密度为1.20～1.35 g/cm3的低密度水泥浆封固，有时甚至需要更低。固井测井声幅图统计分析结果表明，低密度封固段固井质量存在某种程度的问题，有部分井固井水泥环胶结质量不好，水泥石抗压强度低，在进行压裂改造等后续作业时，水泥环产生裂纹甚至破碎。

普通低密度水泥胶结不好的原因主要有：①水泥浆中水泥颗粒与减轻外掺料颗粒的比重、粒径尺寸等相差比较大，外掺料颗粒在水泥浆体中运移，致使水泥浆体系稳定性变差，析水率变大；形成的水泥石体积收缩，影响水泥环的胶结质量；②低密度水泥浆减轻外掺料活性小，外加剂激发减轻材料活性的能力不足，形成的水泥石抗压强度较低；③浆体中的颗粒堆积密度较低。

新型低密度水泥浆的解决从以下几个方面入手：①研究开发超细材料，填充水泥颗粒之间的空隙；②研究高效早强剂激发减轻材料的活性，解决水泥石强度过低问题；③采用“颗粒级配原理”，优化水泥颗粒与外掺料颗粒直径分布，提高低密度水泥浆稳定性及水泥石的致密性[1]；④确定合理的水泥浆体系及性能，解决漏失或出水问题。为保证水泥浆的流动性，水泥拌和水量大大多于水化需水量，分散剂能使胶凝材料聚集[2]，改善空隙结构，并使水灰比减小，从而使胶凝材料性能有较大改善，但这种改善是有限的。在水泥浆中加入分散剂后，水泥颗粒之间产生斥力易于流动，表层水的厚度因此可以减薄，但充填水的量不会发生变化。充填水的量取决于系统的堆积密度，要减少充填水，必须提高系统的堆积密度[3]，要提高系统的堆积密度，需用超细化学胶凝材料充填空隙，并要求该材料具有充填性能好的特点。

1　低密度固井水泥浆体系综合研究

1.1　减轻外掺材料的选用

目前最普遍使用的高效减轻材料是空心微珠，空心微珠是从热电厂粉煤灰中漂选出来的灰白色空心球体，具有质轻、密闭、粒细和一定的活性等特点，其壳体主要由硅铝玻璃体组成，能与水泥水化产物Ca(OH)2和矿物中的CaSO4作用，生成具有胶凝特性的产物，从而有利于水泥石强度的提高和渗透率的降低，是一种良好的减轻剂。空心微珠的化学成分为：58.9%SiO2、34.1%Al2O3、3.4%Fe2O3、2.0%CaO、1.6%MgO，93%的颗粒粒径为 56～360μm、壁厚为直径的10%～26%、密闭率大于83%。视密度约为0.6～0.8 g/cm3，制成的水泥浆密度最低可至1.20 g/cm3。

1.2　高效激发早强剂（GLC）室内研究

从表1可以看出，随着GLC加量的增加，水泥浆稠化时间变短,抗压强度也随之增加，当GLC加量大于3.5%时，水泥浆初始稠度大于30 Bc，流动性变差。GLC的最佳加量为2.0%～3.0%，形成的水泥浆体系稳定，稠化时间可调、初始稠度和抗压强度均能满足技术要求。

1.3　超细外掺料室内研究

超细外掺料是以非晶质的SiO2为主，具有很高的活性，加入水泥浆中可促进水泥水化反应，尤其在水化早期和低温条件下促水化作用更为明显。表2为超细外掺料粒径分布表，表3是主要的化学成分。

由表4看出，在这个低密度水泥浆体系中，超细增强外掺料、漂珠与G级水泥只有达到以上理论计算最佳的配比时，形成的水泥浆体系稳定，水泥石强度较高。因此，最终确定的水泥浆配方为：当水泥浆密度为1.35 g/cm3时，G级水泥、外掺料与漂珠的比例为 65∶5∶30；当水泥浆密度为 1.43 g/cm3时，G 级水泥、外掺料与漂珠的比例为 75∶5∶20。

表2　超细外掺料粒径分布

表3　超细外掺料化学成分

表4　超细外掺料加量对水泥浆性能的影响

1.4　低密度水泥浆的稳定性分析

1.4.1水泥浆稳定性研究

影响水泥浆颗粒之间相互作用的因素是颗粒浓度、粒度分布和不同水泥相的反应活性。在微观上，水泥浆存在两个极端：一是分散，这些颗粒被带负电荷表面相互之间产生的斥力分离开；二是絮凝，这些颗粒借助于不同电荷之间的静电引力生成连接结构。当水泥浆被完全分散时，就成为不稳定的，并有沉降作用发生，产生较大的垂直密度梯度，而没有自由水析出。相反当絮凝时，水泥浆有自由水析出。理论上讲，只有一部分絮凝颗粒存在于中间部分，生成稳定的水泥浆。

1.4.2水泥浆稳定性试验

由图1可知，该低密度体系浆体凝结硬化形成水泥石，在纵向上密度分布较均匀，有利于保证整个封固段的封隔质量。低密高强度水泥浆体系由于加入超细外掺料，实现颗粒紧密堆积，其稳定性明显好于普通低密度水泥浆,成型均匀完整，充满整个模具。截开的剖面非常均匀平整，漂珠分布均匀，稳定性好。

图1　水泥浆稳定性试验

1.5　水泥浆触变性研究

从表5看出，1 min时两种水泥浆体系的静切力基本相同，随着水泥浆静止时间的增加，低密高强水泥浆静切力上升很快，10 min时静切力大于24 Pa。

表5　低密高强水泥浆与常规漂珠水泥浆触变性对比

1.6　低密度水泥浆体系确定

图2和图3是两种密度的稠化曲线图。从图中可以看出，这两个水泥浆稠化曲线接近直角稠化，非常有利于防止地层水在水泥稠化过程中的水侵。

2　评价油井现场实验

2.1　陇东、白豹区块

用新型低密度水泥浆体系固井试验11口井，均取得了良好的效果。庄A和庄B井，从固井水泥胶结评价图来看[4]，水泥浆返高到位率100%，漏失和水侵问题都得到了解决，主力油层上部的几个后备油层封固质量为优良。其余的9口井，低密度试验段与粉煤灰水泥浆配伍性好，其与纯水泥和粉煤灰水泥的混合带胶结质量也是优良。变密度声波测井曲线显示实验低密度段与纯水泥段无差异，可以进行射孔等油层评价作业。只有一口井返高不够，证明陇东区块的水泥浆配方及性能设计完全满足该区块要求[5]。

图3　1.43 g/cm3低密度水泥浆稠化曲线

2.2　定边、姬原区块

在该区块共进行了低密度水泥固井试验4口井。均是采用1车试验灰与粉煤灰水泥配合使用。由于耿C井较深，一次上返固井有较大的难度，故用正注返挤固井工艺。

姬原区块的油井比较深，大约在2 300～2 800 m，且地层压力系数低，主力油层以上的几个后备油层无法有效封固，使用纯水泥浆会发生漏失；若用粉煤灰低密度水泥，则抗压强度不足以承受射孔作业对水泥环的冲击。采用新型低密度水泥后，减少了纯水泥的用量，降低环空的静水压力，防止压漏地层，同时水泥石也能进行射孔试油评价。

3　结论与认识

1）针对长庆油田低压易漏，一次上返井段长等特点研制的低密高强水泥浆体系其技术指标达到国内先进水平。研究开发的超细填充材料，是以非晶质的SiO2为主，具有很高的活性，加入水泥浆中可促进水泥水化反应，尤其在水化早期和低温条件下促水化作用更为明显。

2）采用紧密堆积理论和颗粒分布技术，选用超细外掺料、G级水泥及空心漂珠等三种不同粒径的材料，实现低密度水泥石空隙充分填充，充填颗粒之间的空隙，增强水泥石的致密性及抗压强度，提高水泥浆稳定性。

3）研究开发的能激发水泥减轻填充材料活性的高效外加剂GLC，能使水泥快速水化，提高水泥石早期强度和水泥浆的触变防漏失、防水侵能力。

4）低密高强水泥浆体系应用“颗粒级配原理”很好地解决了低密度水泥石强度低的问题，具有低密度、高强度特点。应用于有漏失的油层固井，满足射孔、压裂对水泥石强度的要求。

5）低密高强水泥浆体系在陇东、白豹、姬原等区块试验15口井，封固段优质率大于88%，试验井合格率100%。实践证明该体系具有广泛的应用前景。

参考文献：

[1]胡泽华,吴忠孚.油井水泥浆高温高压稳定性的测试[J].钻井液与完井液,1992,9(5)：72-74.

[2]袁润章.胶凝材料学[M].2版.武汉：武汉理工大学出版社,2009.

[3]黄柏宗.紧密堆积理论优化的固井材料和工艺体系[J].钻井液与完井液,2001,18(6)：1-8.

[4]罗勇,宋文宇,步玉环,等.低密度水泥固井质量评价方法的改进[J].天然气工业,2012,32(10)：59-62.

[5]张德润,张旭.固井液设计及应用[M].北京：石油工业出版社,2000.