一种适于盐膏层大井眼固井的抗盐高强水泥浆——以巴西Libra油田为例

黄伟 (中海油田服务股份有限公司油田化学事业部塘沽作业公司，天津 300459)

王晓亮 (非常规油气湖北省协同创新中心(长江大学)，湖北 武汉 430100 荆州嘉华科技有限公司，湖北 荆州 434000)

杨晓榕，胡顺，刘郢，张敏 (荆州嘉华科技有限公司，湖北 荆州 434000)

张易航 (长江大学石油工程学院，湖北 武汉 430100)

研究对象为巴西Libra油田，其资料显示：井底压力64.8MPa，井底温度最高98℃，水深2040m，完钻井深6000m，盐膏层厚度633～2537m；盐膏层温度68±3℃；区别于以往的盐膏层井，井眼直径16in(1in=2.54cm)，套管直径13in，环空间隙更大；孔隙压力2.24～2.38g/cm3(当量密度)，破裂压力2.41～2.45g/cm3(当量密度)；泥浆密度窗口较窄[1～3]。采用常规水泥浆对盐膏层进行封固，岩盐的大量溶解会对水泥浆稳定性能产生极大的影响，固井作业存在较大风险。可见，水泥浆体系的抗盐侵能力直接决定了固井作业成败[4～6]。针对盐膏层大井眼固井封固段长、胶结质量差的情况，需要水泥浆具有更好的流动性，而原普通水泥浆体系的强度发展速率偏低，24h强度为8.2MPa，48h强度为16.4MPa。为获得良好的固井质量需要更高的强度发展速率，通过试验研制出了一种密度为2.4g/cm3抗盐高强水泥浆进行盐膏层固井作业。

1 试验部分

1.1 试验材料

荆州嘉华科技工业产品加重剂MICD，荆州嘉华科技工业产品降失水剂CG82L，盐水。

1.2 试验仪器

1)六速旋转黏度计ZNN-D6B：测定抗盐高强水泥浆体系的流变性能。

2)增压稠化仪TG-8040DA：测定抗盐高强水泥浆体系的稠化时间。

3)高温高压失水仪TG-71：测量抗盐高强水泥浆体系的失水量。

4)匀加荷压力试验机YJ-201：测试抗盐高强水泥石的强度。

5)TONI 压力机和霍普金森冲击杆：测试抗盐高强水泥浆体系抗冲击功和弹性模量。

2 抗盐高强水泥浆体系配制

2.1 盐水质量分数的优选

在盐膏层钻井过程中，由于盐的溶解使得井眼的规则性受到影响，增加了水泥浆和冲洗隔离液顶替钻井液的难度[7，8]。盐膏层大井眼固井采用抗盐高强水泥浆可以达到抑制盐岩冲蚀、盐膏层溶解，以防止水泥浆性能受盐及高价金属离子的污染导致性能恶化的目的。

密度为2.4g/cm3水泥浆基础配方如下：嘉华G级水泥600g+(0%～36%)盐水300g+分散剂6g+消泡剂5g+缓凝剂2g+消泡剂5g。

图1给出了不同质量分数盐水的水泥浆对岩溶速率的影响。从图1分析得到，盐水质量分数越高，盐溶解速率越低；同一水泥浆上返速率，盐水质量分数达15%以上时，盐溶解速率降低50%；当盐水质量分数达到饱和状态(即盐水质量分数为36%)时，盐的溶解速率为0。巴西Libra油田固井水泥浆上返速率在 1.12～1.37m/s范围内，此时使用不含盐(即淡水)的水泥浆冲蚀盐层的溶解速率为 0.03kg/(s·m2)，但使用含盐15%～20%的水泥浆冲蚀盐层的溶解速率仅为 0.006～0.012 kg/(s·m2)。说明盐膏层溶解对盐水水泥浆的污染较小，故盐膏层固井需要采用高密度抗盐水泥浆体系。

盐水质量分数对水泥浆性能有着复杂的影响。对普通水泥浆而言，随着水泥浆中盐水质量分数的增大，水泥浆的稠化时间和抗压强度将发生明显恶化，因此通过评价不同盐水质量分数对抗盐高强水泥浆主要性能的影响，来确定特定抗盐高强水泥浆的最佳盐水质量分数[9～11]。在30MPa和80℃条件下，室内针对密度为2.4g/cm3的水泥浆开展盐水质量分数分别为0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%、36%的性能评价，结果见图2。由图2(a)可见，5%以内的盐水质量分数所配制的水泥浆稠化时间明显是缩短的，5%～15%范围内水泥浆稠化时间相对淡水水泥浆变化不大，当盐水质量分数超过15%时，不同温度条件下水泥浆稠化时间越长，稠化时间波动越明显，因此盐水质量分数不宜超过15%。由图2(b)可见，当盐水质量分数超过15%时，水泥浆失水量增大趋势明显，所以盐水质量分数不宜超过15%。由图2(c)可见，在盐水质量分数低于10%时，盐的加入增加了水泥石的抗压强度；当盐水质量分数达到15%以上时，水泥石的抗压强度大幅下降；当盐水质量分数大于20%，水泥石的抗压强度下降达42.9%。结合试验分析，考虑注水泥过程中盐溶入水泥浆的能力，推荐密度为2.4g/cm3的抗盐高强水泥浆盐水质量分数为15%～20%，有利于提高固井质量。

2.2 加重剂的筛选

抗盐高强水泥浆体系的建立，其关键技术除水泥浆外加剂选择对水泥浆流变性的影响外，其主要的关键点就是加重剂的选择。抗盐高强水泥浆加重剂，常见的有重晶石粉和赤铁矿粉，但这些加重剂在达到2.6g/cm3的密度下，其加重后水泥浆的性能都会受到严重的影响[12，13]。利用国内专利产品CN201611256196.6(平均粒径50～110μm)球形氧化铁可以制备密度超过2.6g/cm3的水泥浆，同时具有较好的流变性和沉降稳定性、失水量低、抗压强度高、胶结性能良好[14,15]。利用美国艾肯MICROMIX微锰粉(平均粒径5～10μm)球形三氧化二锰可以制备密度超过2.8g/cm3的水泥浆，同时具有较好的流变性和沉降稳定性、失水量低、抗压强度高、胶结性能良好。普通加重剂价格3600元/t，上述2种加重剂的价格过高(均在15000元/t以上)，会造成水泥浆成本急剧增加。室内研究以紧密堆积理论为指导，设置3级粒径加重剂复合搭配，根据该原理建立模型，进行水泥浆(粒径10～100μm)+赤铁矿粉(粒径10～100μm)+锰矿粉MC200G(粒径1～1.2μm)的紧密堆积设计，加重剂质量配比为4∶1的赤铁矿粉和锰矿粉MC200G复配的加重剂MICD，以实现球形加重剂的加重效果。结果见表1。

2.从管理到服务，是社区自治的根本。社区党委，要由“代民做主”变为“让民做主”。“一手包办”的政府、无限的政府不仅干不好所有社区事务，反而容易成为居民将问题与矛盾归咎的对象。社区的职责在于引导，提供咨询、调解、沟通等服务。将大的社区进行细化，分成网格、楼栋管理，让网格长、居民小组长、楼栋长发挥作用，还原社区大家庭、熟人的功能。

表1 加重剂流变性和沉降稳定性试验结果

试验发现，分别使用上述加重材料将水泥浆加重至密度为2.4g/cm3时，重晶石粉的流变性能差，NΦ200以上不可读；用250目与1000目赤铁矿粉分别加重，静置20min后，浆体沉降，不稳定；用250目+1200目赤铁矿粉复配后加重，浆体稳定，但流动性差，NΦ200以上不可读；锰矿粉加重效果好，但市场上锰矿粉价格昂贵，一般为赤铁矿粉的2～3倍。

将复配加重剂MICD与国外的MICROMIX微锰粉作对比分析。在相同密度和流变性前提下分别针对这2种加重剂配制的水泥浆的流变性、加重剂加量及抗压强度进行了综合对比，结果见表2、图3、图4。结果显示，经过颗粒复配的加重剂MICD与MICROMIX微锰粉流变性能、抗压强度接近。从价格角度来看，复配加重剂MICD具有较为明显的优势，复合加重剂MICD大约7500元/t,价格为MICROMIX微锰粉产品的一半。

表2 复配加重剂MICD与MICROMAX微锰粉流变性对比数据

2.3 抗盐降失水剂的筛选

实验室制得的降失水剂CG82L是一种AMPS类聚合物降失水剂，常规滤饼的平均孔隙直径约1μm，而聚合物分子的回转半径通常小于0.1μm，因此聚合物分子的聚集链束可以堵塞滤饼中的孔隙，加入到水泥浆体系中可以明显降低水泥浆的失水量，并提高水泥浆浆体稳定性。该聚合物在合成中引入了不同性能的活性基团(酰铵基团)，因此有降滤失、分散减阻、自调凝、抗盐及高价离子污染等功能，当盐质量分数达到饱和条件时，仍能将水泥浆的失水量控制在150mL以内。

通过降低盐水质量分数、加重剂配比，降失水剂质量分数在1%～5%以内就能将失水量控制在100mL以内，结果见表3和表4。根据该原则选择的水泥浆配方如下：嘉华G级水泥600g+15%盐水300g+降失水剂40g+分散剂6g+缓凝剂2g+消泡剂5g+复配加重剂MICD 585g。

表3 降失水剂优选

表4 降失水剂CG82L质量分数筛选

由表3可以看出，聚合物降失水剂CG82L具有较好的降失水能力，能有效降低抗盐高强水泥浆的失水量。抗盐高强水泥石的抗压强度随着降失水剂质量分数的增多变化不大，聚合物降失水剂CG82L的掺入没有引起水泥浆体不稳定，相反对水泥浆稳定性有改善作用(见表4)。试验结果表明了降失水剂CG82L在抗盐高强水泥浆中的应用效果较好，能将失水量控制在100mL以内，有利于水泥浆综合性能的提高。

为了探究降失水剂CG82L的抗盐性，选择密度为2.4g/cm3水泥浆配方：嘉华G级水泥600g+0%～45%盐水300g+ CG82L降失水剂40g+分散剂6g+缓凝剂2g+复配加重剂MICD 585g，进行室内试验评价，结果见表5。

表5 降失水剂CG82L在不同盐水质量分数下的高温高压失水量

3 抗盐高强水泥浆体系性能优化

3.1 水泥浆体系配制

通过上述试验研究，得到如下不同密度的抗盐高强水泥浆配方：

密度1.9g/cm3水泥浆配方(常规水泥浆配方)：嘉华G级水泥600g+300目硅粉210g+15%盐水375g+分散剂5g+降失水剂40g+缓凝剂2g+消泡剂5g。

密度2.1g/cm3水泥浆配方：嘉华G级水泥600g+300目硅粉210g+15%盐水345g+分散剂6g+CG82L降失水剂45g+缓凝剂3.5g+消泡剂6g+复配加重剂MICD200g。

密度2.2g/cm3水泥浆配方：嘉华G级水泥600g+300目硅粉210g+15%盐水332g+分散剂6g+CG82L降失水剂45g+缓凝剂4g+消泡剂6g+复配加重剂MICD300g。

密度2.3g/cm3水泥浆配方：嘉华G级水泥600g+300目硅粉180g+15%盐水365g+分散剂8g+CG82L降失水剂45g+缓凝剂4.5g+消泡剂7g+复配加重剂MICD490g。

密度2.4g/cm3水泥浆配方：嘉华G级水泥600g+300目硅粉180g+15%盐水365g+分散剂8g+CG82L降失水剂40g+缓凝剂5.27g+消泡剂6g+复配加重剂MICD590g。

表6结果显示，常规水泥浆的失水量大，且强度低于14MPa，不能满足现场作业要求。抗盐降失水剂CG82L和复配加重剂MICD的加入与水泥浆其他添加剂配伍性好，抗盐高强水泥浆体系具有良好的流变性；较高的抗压强度，24h抗压强度均大于20MPa；失水量较小，无自由液，稳定性良好；水泥浆稠化时间可以通过缓凝剂加量在180～300min内调节。抗盐高强水泥浆综合性能好，可以满足深水巨厚盐膏层大井眼固井的要求。

表6 不同密度高温水泥浆基本性能测试结果

3.2 水泥石强度高温稳定性评价

结合巴西Libra油田地层特点，深水盐膏层需采用高密度水泥浆，模拟地层条件针对适合现场密度为2.4g/cm3的水泥浆沉降稳定性进行测试。将水泥浆倒入0.7m高的管子中充分震荡，待水泥凝固后用排水法测试不同部位的水泥石密度。结果显示，密度2.4g/cm3水泥浆具有较高的稳定性，上下水泥浆的密度差能够控制在0.02g/cm3以内，水泥浆上部无自由水出现。然后采用超声波仪器对密度2.4g/cm3的水泥浆在140℃及150℃分别进行高温高压养护，其强度发展曲线如图5所示。

结果显示，水泥浆静胶凝强度发展到48Pa(96lb/100ft2)～240Pa(480lb/100ft2)的发展时间均能控制在20min内，表现出较强的防窜性。说明该抗盐高强水泥浆具有优良的高温稳定性和胶结性能，保证了高温井底的密封性。

3.3 水泥石强度抗冲击功和弹性模量评价

室内采用 TONI 压力机和霍普金森冲击杆分别对复配加重剂MICD加重抗盐高强水泥石以及常规密度水泥石的抗冲击功和弹性模量进行了评价，结果见表7。由表7可见，密度为2.3g/cm3和2.4g/cm3抗盐高强水泥浆较常规水泥浆的抗冲击功分别提高了23.3%、31.8%，水泥石弹性模量分别降低了20.4%、26.6%。说明水泥石具有良好弹性和高抗冲击性，可避免现场作业时水泥环受到应力作用造成的破损，能够确保水泥环的完整性。

表7 抗盐高强水泥石的抗冲击功和弹性模量

4 结论

1)盐水质量分数对水泥浆综合性能影响大，通过对不同盐水质量分数对水泥浆性能影响的试验分析，推荐密度2.3g/cm3抗盐高强水泥浆体系中盐水质量分数为15%～20%。

2)抗盐高密度水泥浆加重剂的组成可根据水泥浆的密度及加重剂的特点，采用紧密堆积模型进行3级粒径加重剂紧密堆积设计，推荐密度为2.4g/cm3的抗盐高强水泥浆加重剂质量比为 4∶1 的赤铁矿粉与锰矿粉MC200G复配的加重剂MICD，该加重剂MICD可实现球形加重剂的加重效果，但价格仅为球形加重剂的一半。

3)通过引入抗盐AMPS类聚合物降失水剂与加重剂复配，降失水剂质量分数在1%～5%以内就能将失水量控制在100mL以内，该降失水剂具有良好的抗盐性。

4)通过对抗盐高强水泥浆外加剂优选，形成了一套具有浆体稳定性能及流变性能好、稠化时间180～300min可控、高温下早期抗压强度高等特点的抗盐高强水泥浆体系，该抗盐高强水泥浆(密度2.4g/cm3)较常规水泥浆抗冲击功提高了31.8%，水泥石弹性模量降低了26.6%。水泥石具有良好的弹性和高抗冲击性，成功解决了地层盐溶污染水泥浆影响胶结质量的问题。