抗高温低密度弹塑性水泥浆体系研究与应用

彭金龙，李全双

（中国石化华东工程技术分公司，江苏扬州225000）

1 塔河油田奥陶系固井难点

塔河油田位于新疆塔里木盆地沙雅隆起，奥陶系碳酸盐岩缝洞型储层埋藏垂深一般在6 000 m 以上，随着勘探开发的深入，需要在上层套管193.7 mm内悬挂139.7 mm 尾管封固奥陶系易漏地层，为下步快速钻进提供有利条件[1]。奥陶系井温梯度（1.97～2.05）℃/100 m，井底静止温度150～170 ℃，缝洞发育易发生漏失、溢流等复杂情况。其固井难点主要体现在：①地层承压能力低[2]，易发生漏失，导致返高不足影响封固质量；②井深温度高，对水泥浆性能要求高，特别是水泥石强度需满足后期开发要求；③小尾管环空间隙小，理论环空间距12.7 mm，水泥环厚度薄，水泥环的密封完整性无法得到保证。针对以上难点，固井水泥浆应满足：抗高温低密度水泥浆降低漏失风险，水泥石具有一定的韧性，保证水泥环的密封完整性。

2 低密度弹塑性水泥浆体系研究

2.1 水泥浆体系设计

针对深井低压易漏层固井漏失风险大，薄水泥环易密封失效问题，开展抗高温低密度弹塑性水泥浆体系研究，一方面是优选低密度材料，密度满足1.25～1.50 g/cm3，低密度水泥石早期强度大于15 MPa/48 h；另一方面是优选弹性材料，改善力学性能，水泥石弹性模量可小于7 GPa，要求实现水泥环长效密封。

1）粉煤灰活性处理，增强水泥石早期强度。粉煤灰[3-4]为潜活性火山灰材料，其化学组成以SiO2和Al2O3为主，通过对粗料粉煤灰进行粉碎、球磨、分级筛选等物理活性处理后[5]，粉煤灰圆球度明显提高，且粒径分布变窄，D90＜5 μm。在活性处理过程中，粉煤灰颗粒玻璃体表面致密的保护层受到破坏，内部高活性的SiO2和Al2O3溶出，断键增多，从而活性提高。与此同时，优选的强碱类化学激活剂对Si-O-Si、Si-O-Al 网络具有较强的等破坏解聚作用，可有效改善粉煤灰参与水泥水化的程度，提高水泥石早期强度。室内评价了粉煤灰活性处理对水泥石强度的影响，结果见表1。

表1 粉煤灰活性处理对水泥石强度影响Table 1 Effect of fly ash active treatment on cement strength

由表1可知，粉煤灰活性处理[6]，配合强碱激活剂可有效增强水泥石早期强度。同等条件下，活性粉煤灰水泥石24 h 强度可常规粉煤灰水泥石提高46.4%。

2）国产高抗挤玻璃微珠，进一步提高水泥浆综合性能[7-8]。常规漂珠作为减轻材料时，由于其耐压强度低，适用压力低于60 MPa；而3M 高抗挤玻璃微珠虽然耐压强度高，但价格昂贵。因此，室内优选了国产高抗挤玻璃微珠Y12000，其真实密度可低至0.58～0.6 g/cm3，D90≤90 μm。室内评价了其耐压性能见表2。

表2 Y12000耐压性能评价Table 2 Pressure resistance performance evaluation for glass beads of type-Y12000

由表2 可知，在80～100 MPa 范围内，随着高抗挤玻璃微珠加量增加，压力越大，养护后水泥浆密度增加越多，但养护前后水泥浆密度差≤0.03 g/cm3，因此，可满足100 MPa 以内的固井要求。由于Y12000较低的加量即可显著减低水泥浆密度，降低了水泥浆需水量，同时得益于其良好的圆球度，可改善水泥浆流变性，并与粉煤灰形成颗粒级配，提高水泥浆浆体稳定性[9]，改善水泥浆综合性能。

3）优选抗高温弹性材料，降低水泥石弹性模量。优选抗高温弹韧性[10-11]材料SRBS，其为“软核硬壳”的核壳结构，粒径10～100 μm。该核壳结构外层为无机活性纳米材料，具有良好亲水特性、巨大的比表面积和较高的水化活性；内核为抗高温有机弹性材料，通过化学键与外壳材料紧密吸附。得益于其核壳结构，不但有利于弹性材料再水泥浆中均匀分散，有利于提高浆体稳定性，而且可提高有机材料本身与水泥的胶结效果，从而改善水泥石力学性能。室内评价了不同SRBS 加量下对水泥石力学性能的影响见表3。

由表3可知，弹性材料可显著降低水泥石弹性模量，但一定程度上降低水泥石抗压强度。综合考虑水泥石力学性能，优选SRBS 加量为4%～6%，既保证水泥石抗压强度＞18 MPa，亦保证水泥石弹性模量＜8 GPa，提高水泥环长效密封性能[12]。

表3 弹性材料加量的影响Table 3 Effect of elastic material addition

2.2 低密度弹韧性水泥浆性能评价

在粉煤灰活性处理、高抗挤玻璃微珠复配、抗高温弹韧性材料优选的基础上，优选配套降失水剂、缓凝剂、早强剂等配套外加剂，形成了低密度弹韧性水泥浆体系，基础配方：G 级+（10 %～100 %）FMH+（16 %～40 %）Y12000+（6 %～8 %）膨胀剂+（5%～6%）SRBS+（17%～22%）降失水剂+1.5%早强剂+X%缓凝剂+1%稳定剂+X%纯水+0.1%纤维。

1）常规性能评价。室内对低密度弹韧性水泥浆[13]常规性能进行了评价见表4、图1。

表4和图1可以看出，密度为1.50～1.25 g/cm3的高温低密度弹韧性水泥浆体系综合性能良好，API失水＜50 mL，流变性好，直角稠化，且水泥浆沉降稳定性好，水泥浆上下密度差≤0.03 g/cm3，满足现场应用。

图1 配方3稠化曲线Fig.1 Thicken curve of formula 3

表4 低密度弹韧性水泥浆综合性能Table 4 Comprehensive performance of low density elastic tenacity cement

2）水泥石力学性能评价。考虑粉煤灰活性较差，水泥石强度发展慢且通常强度不高。因此，室内评价了不同温度下水泥石抗压强度，结果见表5。通过超声波强度实验显示，水泥浆静胶凝强度过渡时间短，有利于防止油气水侵。

由表5 可知，低密度弹韧性水泥石力学性能良好。水泥石抗压强度发展快，48 h 抗压强度大于15 MPa，弹性模量小于7 GPa，有利于改善水泥环密封完整性。超声波强度实验显示，水泥浆静胶凝强度过渡时间短，有利于防止油气水侵。

表5 低密度弹韧性水泥石性能Table 5 Performance of cement with elastic and toughness at low density

3）水泥环密封完整性评价。水泥石力学性能优劣直接影响水泥环长效密封性，室内利用自制水泥环密封完整性评价装置评价了低密度弹韧性水泥石（配方3）的密封性能。考察多轮次压力加卸载后水泥环密封完整性，结果见图2。

图2 配方3水泥环交变压力下密封性测试Fig.2 Airtightness test under alternating pressure for cement sheath of formula 3

表6 TP193井ϕ 139.7 mm尾管固井水泥浆性能Table 6 Cement slurry performance of ϕ 139.7 mm drilling liner cementing in well-TP193

由图2 可知，得益于水泥环良好的变形能力，配方3水泥环经过多轮次压力加卸载后密封性能良好，可满足套管70 MPa加卸载下的密封完整性。相比于常规水泥石脆硬特性，水泥环易发生密封失效问题，低密度弹韧性水泥石可满足后期作业过程中井筒压力交变载荷下水泥环密封完整性，防止井口带压[14-15]。

3 现场应用

抗高温低密度弹塑性水泥浆体系在塔河油田中探1 井ϕ244.5 mm 技术套管和TP193 井ϕ139.7 mm尾管中进行了应用，效果良好。

以TP193 井为例。TP193 是位于塔河油田阿克库勒凸起西南斜坡构造的一口开发井，该井一开ϕ346.1 mm 钻头钻至1 206 m，ϕ273.1 mm 表层套管下深1 205.53 m；二开ϕ250.88 mm钻头钻至6 509 m，ϕ193.7 mm 技套管下深6 507.71 m；三开采用ϕ165.1 mm 钻头钻至7 148 m，ϕ139.7 mm 油层尾管下深7 144.34 m，悬挂器位置6 451～6 454.67 m；三开地层钻遇奥陶系一间房组和鹰山组，钻进过程中发生多次漏失，累积漏失泥浆约550 m3；实测井底静止温度155 ℃，该井6 507～6 741 m平均井径167.9 mm，井径扩大率1.7%；6 741～7 145 m平均井径201.85 mm，井径扩大率22.2%，大肚子井眼严重。该井使用抗高温1.50g/cm3低密度弹塑性水泥浆体系，体系性能见表6。现场注冲洗液4 m3，密度1.02 g/cm3；注隔离液6 m3，密度1.40 g/cm3；注水泥浆15 m3，密度1.50 g/cm3；注压塞液2 m3，密度1.02 g/cm3；共替浆37.1 m3，密度1.35 g/cm3；替浆到量碰压12↗16 MPa。放回水正常，起钻至井口开井候凝48 h。

候凝48 h后测固井质量，全井优良率85.7%，套管试压20 MPa，稳压30 min，压降0.2 MPa，满足固井设计要求，实现了奥陶系易漏地层小间隙尾管的有效封固。

4 结论

1）粉煤灰经活性处理与分级筛选后，自身活性增强且圆球度提高，有利于提高水泥石早期强度与水泥浆稳定性；与高抗挤玻璃微珠颗粒级配可显著降低需水量，增强低密度水泥石致密性与抗压强度；抗高温弹性材料可改善水泥石脆性，增强水泥石韧性，三者综合作用显著改善低密度水泥石力学性能。

2）研发抗高温低密度弹塑性水泥浆体系综合性能优良，其体系能够适用井温150 ℃以上、低密度范围1.25～1.50 g/cm3，水泥石抗压强度大于15 MPa/48 h，弹性模量可小于7 GPa，水泥环在70 MPa交变应力作用下的密封完整性良好。

3）针对低压易漏地层，还需进一步增强水泥浆防漏堵漏效果研究，保证低压易漏层段水泥环有效封固，实现长效密封。