高密度半饱和盐膏层固井水泥浆体系构建及其综合性能研究

钟兴强 舒曼 张诗航 赵强 胡顺 杨晓榕 潘宏霖

摘      要：深水巨厚含盐储层的固井作业中所存在的盐蠕动问题多年来一直是一项技术难题，此外，除了需要解决抗盐性问题的同时还需要针对性进行加重以平衡深水下的地层压力。本文通过以半饱和盐水为基浆，采用多元加重剂组合形式对水泥浆进行密度区间1.9～2.4 g·cm-3的浆体设计，同时对水泥浆一系列基础性能及力学性能进行系统性评测及分析，构建出一套能有效满足变密度深水巨厚盐层的固井水泥浆配方体系，该套配方体系在120 ℃下具有良好的流动性，且稠化时间大于3 h，失水量低，24 h抗压强度稳定在20 MPa以上，具有较好的应用效果和价值。

关  键  词：深水盐层;固井;加重;稠化时间

中图分类号：TE256       文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2020）11-2398-04

Study on Construction and Comprehensive Performance of High

Density Semi Saturated Salt Gypsum Layer Cementing Slurry System

ZHONG Xing-qiang1， SHU Man2， ZHANG Shi-hang3， ZHAO Qiang2，

HU Shun2， YANG Xiao-rong2， PAN Hong-Lin4

（1. Zhanjiang Operation Company， Petrochemicals Division， CNOOC Oilfield， Zhanjiang 524051， China;

2. Jingzhou Jiahua Technology Co.， Ltd.， Jingzhou 434000， China;

3. Downhole Testing Company of Sinopec Jianghan Petroleum Engineering Co.， Ltd.， Wuhan 430100， China;

4. Zhanjiang Branch of CNOOC （China） Co.， Ltd.， Zhanjiang 524051， China）

Abstract：  The salt creep problem in cementing operation of deep-water extremely thick salt bearing reservoir has been a technical problem for many years. In addition， in addition to solving the problem of salt resistance， it is also necessary to carry out targeted weighting to balance the formation pressure in deep water. In this paper， based on the semi saturated salt water as the base slurry， the slurry with density range of 1.9～2.4 g·cm-3 was designed by the combination of multiple weighting agents. At the same time， a series of basic properties and mechanical properties of the cement slurry were systematically evaluated and analyzed， and a set of cementing slurry formula system which can effectively meet the variable density deep water extremely thick salt layer was constructed. It has good fluidity， thickening time of more than 3 h， low water loss and compressive strength of more than 20 MPa in 24 h at 120 ℃.

Key words：  Deep water salt layer; Cement; Aggravating; Thickening time

海洋中蘊藏着丰富的石油、天然气等能源资源，其中深水区域的油气储量更为丰富，但其开采难度也比陆上油田大得多，在钻探过程中会遇到完全不同于以往的技术障碍，因而对常规的钻井和完井技术是一个巨大的挑战[1-5]。在深海固井领域中，盐层固井技术一直是公认的固井作业中的难题，经过多年科研攻关，仍没有从根本上解决[6-7]。

因为钻井过程中盐层的不稳定性，造成井眼缩径、坍塌，或由于钻井中盐岩溶解形成“大肚子”井眼，甚至使井眼斜塌[7-8];在套管注水泥后，水泥与井壁之间胶结很差，不能支撑套管，而且由于盐岩层的蠕变，套管受非均匀载荷，致使管体变形或挤毁。国内外许多深井未钻达目的层提前完钻或钻穿盐层后事故完钻和套管报废[9-12]，都是上述问题综合作用的结果，如果加上钻井作业中由于裂缝、灰岩或者高渗透性砂岩的漏失，则钻井及固井作业难度将变得更大，也由此浪费大量人力财力物    力[13]。

基于此，通过优选最适含盐盐水基浆，用以抑制地层盐岩溶解，并采用多元加重剂组合形式对水泥浆进行密度区间1.9～2.4 g·cm-3的浆体设计，同时对水泥浆一系列基础性能及力学性能进行系统性评测及分析，构建出一套能有效满足变密度深水巨厚盐层的固井水泥浆配方体系，对解决固井复杂问题、保证后续生产作业的顺利进行具有极其重要的意义。

1  实验部分

1.1  实验原料

G级油井水泥，四川嘉华有限公司;氯化钠;硅粉（325目，即粒径小于0.045 mm）、磨赤铁矿（240～1 200目，即粒径0.011～0.061 mm）、锰矿粉、支撑剂、分散剂、缓凝剂、增强剂等，山东金超化工有限公司;降滤失剂、消泡剂，荆州嘉华科技有限公司。水泥浆的基本配方组成见表1。

1.2  实验方法

水泥浆的配制及评测工作均按照《油井水泥》（GB 10238—2005）及《油井水泥试验方法》（SY/T5546—92）的有关规定进行。

2  结论与讨论

2.1  抗盐降失水剂的影响

水泥浆降滤失剂的配比选择是水泥浆体系的基础。降滤失水剂通过颗粒的反絮凝和分散控制失水，使水泥漿产生致密的泥饼。加入降失水剂可以提高泥饼的黏度和离子化程度，起到保水作用，从而减少泥饼孔隙间的自由流动和渗透率。就像每个水泥颗粒周围都有一层不透水的薄膜一样，水溶性聚合物通常具有这种效果。本文通过AMPS聚合得到的中相对分子质量聚合物C98L成本较低，该聚合物具有较好的降滤失效果及沉降稳定性，且水泥浆配制均匀，不同温度段可泵送性好，同时还具备较强的抗盐效果，在不同的盐浓度下，可以很好地控制失水。为了确定降滤失剂C98L的耐盐性，在实验室（无加重剂）进行了进一步的评价，实验结果见表2。

实验结果表明，C98L具有良好的降滤失效果，其流变性能和稳定性也能满足固井作业的要求。用降失水剂C98L配制的水泥浆，浆体均匀，沉降稳定性好，能满足固井作业的需要。

2.2  增强剂对半饱和盐水水泥浆体系的影响

在水泥浆中加入XC液体防窜剂，其主要成分为超细SiO2，可有效提高水泥浆的早期强度和抗窜能力。XC又称孔隙填料，主要用于阻止流体在孔隙中流动，防止骨架在外力作用下的结构破坏。作为一种填充封堵材料，具有良好的防腐能力。XC孔支撑剂是一种经过特殊处理工艺制备的活性纳米级精细材料，主要用于防气窜固井，提高水泥浆体系的稳定性，提高水泥浆体的防腐能力，提高水泥浆体的密实度，提高水泥浆体的抗冲击损伤性能。超细颗粒的填充作用能迅速提高水泥浆的固井速度，增加气窜阻力，同时，超细颗粒能大大增加固井表面集体密实度，提高界面固井质量。XC中的活性物质在水泥水化过程中与Ca（OH）2反应生成C-S-H凝胶，使水泥在固化过程中迅速形成网络结构和水泥浆体的渗透性，使水泥具有较高的抗气渗性和耐酸性。此处研究了不同XC早强剂用量对水泥净浆性能的影响，结果如图1和图2所示。

通过对孔支撑剂XC外加剂掺量的筛选，发现当XC的掺量在5%～7%之间时，水泥浆的综合性能处于平衡状态。

2.3  半饱和盐水水泥浆体系基础性能评价

在评价水泥浆体基本性能时，对温度高于   100 ℃的水泥浆体基本性能的评价通常是以93 ℃时的评价结果为依据，评价了水泥浆的流变参数和水泥浆的稳定性，结果见表3。

由表3可知，通过预筛选和优化得到的厚岩水泥浆体系在1.9～2.4 g·cm-3的密度范围内具有较好的流变特性和优良的浆液稳定性，大大降低了泥浆工程应用过程中泵送施工的难度，有效避免了上下水泥浆密度差过大造成水泥环失重的现象。

2.4  半饱和盐水水泥浆体系稠化性能评价

由于试验地层为深水盐膏层，为了有效、快速地抑制岩盐溶解引起的井眼收缩，避免地层可溶性盐进入水泥浆，因此对水泥浆直角凝固特性有一定的要求。通常水泥浆的稠化时间大于3 h，转化时间小于30 min，这是在水泥浆基本性能符合标准的基础上确定的。本文对120 ℃温度范围内深水厚层水泥浆稠化进行了具体评价，结果见图3。

由图3可知，在温度为120 ℃，密度为   1.9～2.4 g·cm-3时，水泥浆稠化时间大于200 min（即3 h以上），转化时间小于30 min，完全满足深水厚岩层固井的需要。

深水地层固井的另一个关键指标是水泥石固结强度的要求。在温度120 ℃和模拟地层压力   （>30 MPa）条件下对水泥石进行了1、7、14 d的抗压强度测试，结果如图4所示。

由图4可知，当温度处于120 ℃时，尽管水泥石抗压强度随密度的增加略有下降，但从以上数据可以看出，由于XC和硅灰的掺入，水泥石强度得到了一定提高，抗压强度可稳定在40 MPa以上。

2.5  微观结构分析

在颗粒堆积水泥浆体微观结构分析中，分析了在2.4 g·cm-3高密度配方体系下水泥浆体截面的微观结构，如图5所示。

从图5可以看出，复合加重剂材料均匀分散在水泥浆体中，并形成致密的堆积层。不同粒径加重剂材料的团聚堆积使水泥基体更加致密。这就解释了水泥净浆体抗压强度随水泥浆体掺量的增加而提高的原因。

3  结束语

针对深水厚岩层中所存在的储层盐岩段溶解而造成的井径变小、对水泥浆浆体性能影响大的问题，构建出一套120 ℃下能有效实现密度1.9～2.4 g·cm-3可调，浆体沉降稳定性佳，流变性能良好，API失水量低，稠化时间稳定在3 h之上的半饱和盐水水泥浆配方体系。该套配方体系通过采用半饱和盐水基浆协同复配加重剂的形式，有效解决了深水厚盐层中所存在的固井技术难题，具备较强的市场应用价值。

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