盐膏层高密度固井水泥浆性能研究与改进策略

钟声

摘 要：随着研究深入，盐膏层水泥浆也在不断地发展和进步，建立一套针对盐膏层过饱和高密度固井水泥浆体系是非常有必要的。该体系要求水泥浆具有优异的抗盐和抗钙侵能力，具有较高强度和胶结性能，能有效避免对厚壁套管的侵蚀，延长油气井使用寿命，保证复杂盐膏层井段套管地层的有效封固，固井效果好 ，解决常规水泥浆在复杂盐膏层施工时不耐腐蚀、胶结性能差、胶凝强度缓慢、早期强度低、不能有效抵御因盐层地层蠕变引起的外挤力导致厚壁套管变形等问题 。

关键词：盐膏层；水泥浆；地层蠕变；高密度固井水泥浆体系

盐膏层是岩盐地层和膏盐地层的统称。盐膏层的可流动性对固井质量的影响程度比盐膏层扩径对固井质量的影响要大，盐膏层在较小压差下的流动速度取决于盐膏层所含的杂质、温度、上覆岩层压力、颗粒尺寸、含水量和含气量。目前钻井中常遇到盐膏地层，而常规固井水泥浆性能受盐膏层影响较大。水泥石与地层胶结质量差，影响固井质量。通过试验，对一种密度为2.0g/Cm3的盐膏层固井水泥浆的常规性能、抗温能力、抗盐能力、稠化时间及抗压强度进行了研究。结果表明，该水泥浆常规性能优异，当温度低于 130℃ 时具有较好的基本性能和较合适的稠化时间及水泥石抗压强度；受盐、钙侵影响较小，抗盐到20% 以上。结合试验结果分析盐、钙对该水泥浆影响的原因，结果表明，该高密度盐膏层固井水浆具有较好的抗温能力，受 NACl、CASO4 影响小，适用于盐膏层的固井施工且固井质量良好。

1 盐膏层固井作业中存在的问题

盐膏层的性质决定了它在钻井过程中所产生的问题，如： ① 盐岩层的蠕变流动和塑性变形会造成井径扩大或缩小； ② 在钻穿盐膏层尤其是复合盐膏地层时，盐层易溶解、坍塌，从而影响钻井液及固井水泥浆的性能，造成固井质量差； ③ 盐膏层覆盖下，存在异常压力带形成非均匀载荷而导致套管变形和挤毁 。常规水泥浆在盐膏層固井过程中极易发生盐侵钙侵现象，主要表现在： ① 注水泥阶段，由于浓差效应，地层水中离子进入水泥浆造成增稠或胶凝，或者水泥浆中水进入地层造成地层膨胀、井径缩小； ② 普通水泥浆受盐膏层蠕变影响严重，造成水泥石与地层胶结质量差，严重影响固井质量及后期作业； ③ 盐膏层地层水中电解质含量高，易腐蚀一般水泥石、甚至腐蚀套管，从而造成事故 。

2 室内试验

2.1 固井水泥浆组成

高密度盐膏层固井水泥浆以 NACl饱和水为基础，分别加入 G 级油井水泥以及抗盐降失水剂、缓凝剂、分散剂、消泡剂、膨胀剂、增强剂等水泥外加剂，用加重剂加重至密度为2.0g/Cm3 。配置高密度盐膏层水泥浆的配方为：100%G 级油井水泥+50%淡水+15%抗盐降滤失剂+22%NACl+0.8%分散剂+0.6%缓凝剂+0.5%消泡剂+1%膨胀剂+12%新型增韧剂+12%加重剂。抗盐降失水剂是一种由 AMPS多元复合的抗温抗盐的固井水泥降失水剂；新型增韧也是一种聚合物，具有增强水泥石强度的作用；分散剂具有良好的抗温抗盐能力，能改善水泥浆的流变性及重晶石的分散效果。

2.2 试验仪器。本试验用到的仪器主要有：常压稠化仪、高温高压稠化仪、六速旋转黏度计、试模和抗压强度试验机、高温高压失水仪、搅拌器、钻井液密度计、水浴锅、天平、量筒。

2.3 试验方法。水泥浆的配置与性能评价均按照 API 标准规范进行。在配置过程中按配方的水灰比及配方加料顺序依次加入并充分搅拌混合均匀，最后加重晶石调节密度为2.0g/ Cm3 ，然后在常压稠化仪中养护。试验测定配置好的水泥浆的流变性、失水量、稠化性能及稠化时间及抗压强度，评价高密度盐膏层固井水泥浆的性能。

3结果与讨论

3.1水泥浆常规性能

固井水泥浆良好的流变性、较小的失水量、稠化时间及强度是影响固井质量的重要因素，紊流状态下的水泥浆能够有效填充环空间的间隙，提高顶替效率，因此就要求水泥浆具有较好的流变性。较少的失水量是水泥浆性能稳定的前提，别在盐膏层地层中，有效控制失水既是水泥浆性能稳定的保证，又是保持地层稳定的关键。通过测该高密度盐膏层固井水泥浆在25 ℃和90 ℃的基本性能，来评价其性能。

高温高压失水试验在7MPA 、 30mIN条件下测定，稠化试验在不同温度、45 MPA养护中测定，水泥石强度试验在不同温度、21MPA养护24h后测定，下同。该抗盐膏层固井水泥浆在低温（ ≤90℃ ）下具有较好的流变性，动塑比适中，能保证较好的顶替效率；高温高压失水较低，有效抑制水进入盐膏层影响水浆性能，且初始稠度和稠化时间适当，养护24h后的水泥石抗压强度较高。因此，该固井水泥浆整体性能良好，失水较少，稠化时间适中，抗压强度大，基本能满足盐膏层固井施工。

3.2水泥浆抗温性能。为了满足水泥浆在深井固井中的应用，固井水泥浆应具有良好的耐温性能。依据试验规范，配制密度为 2.0g / Cm3的水泥浆，测定其在不同温度养护下的塑性黏度、切力、高温高压失水量、初始稠度、稠化时间和抗压强度等性能。通过对不同温度下水泥浆稠化时间的研究，能够清楚认识水泥浆对温度敏感性及现场施工的安全性。

当温度增加时，塑性黏度增大，动塑比减小，失水量也随之增加。130℃以下仍具有较好的流变性和较低的失水量；当温度高于130℃后，流变性变差，失水量也相应增大很多。由图1可知，随着温度升高，稠化时间减少，水泥石强度也随之增大。这是因为当温度升高时，水泥中的主要成分硅酸三钙、硅酸二钙水化反应加快。当温度为130℃时，稠化时间及水泥石抗压强度变化明显。结合上述温度对水泥浆变性和高温高压失水量的影响可知，水泥浆在130 ℃以下时性能稳定，当温度超过130℃后性能变化明显，因此该盐膏层固井水泥浆具有良好抗温能力。

3.3 水泥浆抗盐性能氯化钠和石膏是一种强电解质，能对水泥浆性能产生较为复杂的影响，主要表现在使水泥浆产生分散、密度升高、促凝缓凝、失水量及稠化时间难以控制等方面。要求水泥浆要具备较强的抗盐抗钙能力，以保持水泥浆自身性能不受较大影响，保证固井质量。稠度测试条件为 90℃×45MPA 养护，抗压强度测试条件为90℃×21MPA×24h养护。NACl加量在20%以内时水泥浆体系比较稳定，流变性变化不大，失水量稍有增加。稠化时间随着 NACl加量的增加虽呈现出先减小后增加的现象，但变化量小，这是由于水泥浆水化过程中要消耗一部分水，而原本水泥浆中就有近饱和的 NACl ，因此即使再加入 NACl ，对其稠化时间的影响也较小[12]。抗压强度随着NACl 加量的增加，在加量20%以内时降低缓慢，这是因为在近饱和盐的水泥浆体系中，盐膏层中的盐很难再溶入到体系中，一方面阻止了盐膏层地层的盐溶而导致井壁发生变化，另一方面也保证了水泥浆体系性能受盐影响不明显。盐膏层也存在钙盐，钙盐的侵入对水泥浆体系也会产生一部分影响， CASO4 加量对水泥浆黏度和失水量的影响随着硫酸钙加量的增加，塑性黏度和高温高压失水量开始增加缓慢，增量不大，说明水泥浆体系流变性和高温高压失水量受硫酸钙影响不明显。试验结果可知，虽然硫酸钙加量增加时稠化时间和抗压强度都受影响，但变化量较小，在硫酸钙含量为4% 时仍具有较好的抗压强度和较合适的稠化时间，表明该盐膏层固井水泥浆具有较好的抗盐抗钙性能。

参考文献：

[1]高遵美，罗明良，温庆志，等.西江油田低效井储层伤害机理及酸化可行性研究[J].应用化工，2013，42（9）：1583-1586.