低摩阻耐压防漏低密度水泥浆固井技术

王鼎，万向臣，杨晨

（1.川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院,西安 710018；2.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室,西安 710018；3.川庆钻探工程有限公司长庆固井公司，西安 710018）

0 引言

长庆苏里格气田为保证井筒完整性，采用一次上返固井工艺进行全井段封固。一次上返固井最大难题为中部刘家沟地层承压能力低，埋藏深度一般为2300～3000 m，漏失当量密度仅为1.27～1.40 g/cm3，采用1.25～1.35 g/cm3轻珠低密度水泥浆体系固井漏失时有发生，数据统计漏失率约占30%，严重影响水泥浆返高和封固段固井质量。结合现场应用情况进行室内研究发现，轻珠低密度水泥浆体系耐压性能较差，水泥浆入井承受30～40 MPa压力后，密度上升0.15～0.20 g/cm3，静液柱压力升高；水泥浆受压后，空心微珠颗粒出现裂纹、发生破碎，圆整度降低，导致流动度降低、流变性能变差、范宁摩阻系数增大，流动摩阻压耗增大，施工压力升高，地层承受压力当量密度大于漏失当量密度，从而发生漏失。

针对上述情况，开展低摩阻耐压防漏低密度水泥浆固井技术研究。按四级颗粒级配理论进行水泥浆体系颗粒级配设计，优选耐压且性能优良的微珠类低密度减轻材料、搭配超细活性填充材料和水泥，以最紧密堆积模型进行配比优化，并选择合适的外加剂形成一套1.25～1.35 g/cm3低摩阻耐压防漏低密度水泥浆配方；优化混拌工艺，形成低摩阻耐压防漏低密度水泥浆固井技术。

1 低密度水泥浆四级颗粒级配设计

颗粒级配即通过研究材料的颗粒分布，选取合适的粒径优化材料的配比，提高体系的堆积率，使得颗粒之间达到紧密堆积[1–3]。理论上来讲，堆积体系的级配数越高，则整个堆积体体积分数（PVF）越大，堆积体系堆积更为密实，实际上颗粒级配数超过四后，堆积体体积分数变化不大。低密度水泥浆通过向油井水泥中加入低密度的减轻材料、增大水灰比从而降低水泥浆的密度。现对YB-G水泥的粒径分布进行测试分析，见表1。

表1 YB-G水泥的粒度分布

YB-G水泥颗粒的粒径分布具有连续性，Andreasen方程是连续堆积理论方程,研究表明该方程适用于水泥浆体系[4–6]。采用Andreasen方程计算YB-G水泥的最紧密堆积粒径分布，n值取1/3。计算结果见表2。

表2 YB-G水泥最紧密堆积粒度分布

对比表1、表2可以看出，YB-G水泥实际粒径分布与理论最紧密堆积粒径分布存在一定的差距。YB-G水泥在0～11.04 μm范围内，实际颗粒总体占比为40%，紧密堆积模型颗粒占比为41.91%，两者差别不大，但粒径越小占比差距越大，即YB-G水泥中微细颗粒含量较少；11.04～42.09 μm范围内实际颗粒占比达到50%，而紧密堆积模型颗粒占比仅为23.56%，两者差别较大。42.09～150 μm范围内实际颗粒占比仅10%，而紧密堆积模型颗粒占比为34.53%，两者差别较大，即YB-G水泥中实际较大颗粒含量较少。

由此进行低密度水泥浆体系四级颗粒级配设计。一级大颗粒选择空心微珠类减轻材料，粒径范围为60～120 μm；二级较大颗粒选择空心微珠类减轻材料，粒径范围为40～80 μm；三级颗粒为YB-G水泥，粒径范围为0～150 μm，平均粒径为14.98 μm，密度为3.15 g/cm3；四级颗粒选择超细活性材料，粒径范围为0～10 μm，平均粒径控制在1 μm左右。一级、二级大颗粒为主要减轻材料，调节水泥浆体系的密度，提高体系中大颗粒的占比。三级、四级颗粒为活性水化材料，四级活性材料主要为了降低体系10～40 μm颗粒的占比，提高体系0～10 μm范围内微细颗粒的占比。

2 颗粒级配材料优选与配比

2.1 级配材料优选

空心微珠类减轻材料密度低，能够配制较低密度的水泥浆体系，但耐压性能大多不理想，从而造成水泥浆的地面性能和井底性能的差距，影响水泥浆的现场应用。通过对比分析，选取4种空心微珠类减轻材料GJG、GJQ、JQ-1、JQ-2进行耐压性能测试。通过测试不同压力下减轻材料的破碎率来评价减轻材料实际承压能力，见图1。

图1 减轻材料破碎率与施加压力关系曲线

由图1可知，GJQ耐压性能最差，随着压力上升，破碎率快速上升，30 MPa破碎率达34.2%、40 MPa破碎率达55.4%；GJG耐压性能较GJQ稍好，25 MPa以下能够保持较好完整性，破碎率小于10%，当施加压力增大到30 MPa，破碎率大幅度上升到33.9%，40 MPa破碎率达42.7%；JQ-2耐压性能较好，30 MPa以下能够保持较好完整性，破碎率小于10%，35～45 MPa处于破碎率快速增加阶段，45 MPa破碎率达32.6%；JQ-1耐压性能最好，50 MPa以内均能保持较好完整性，破碎率小于10%，40 MPa以内破碎率小于5%。

空心玻璃微珠是一种密闭中空的玻璃球体，晶体稳定，呈化学惰性，具有坚硬的外壳。JQ-1和JQ-2是2种国产空心玻璃微珠。通过粒径分选，JQ-1颗粒粒径范围为60～120 μm，平均粒径为95 μm，密度为0.46 g/cm3，选其作为低密度水泥浆体系的一级骨架支撑材料，40 MPa以内表现出良好的刚性，破碎率小于5%；JQ-2颗粒粒径范围为40～80 μm，平均粒径为65 μm，密度为0.50 g/cm3，选其作为低密度水泥浆体系的二级可塑弹性材料，40 MPa以内破碎率约为25%，30～40 MPa区间较多的玻璃球体处于弹性压缩变形状态，当压力进一步增大，形变量达到极限才发生破碎。

选择由超细高炉矿渣、碱性激活剂、纳米级高活性稳定剂复配而成的复合超细活性材料TC-4作为水泥浆四级颗粒填充材料。颗粒粒径范围为0～10 μm，平均粒径为0.4 μm，密度为2.5 g/cm3。依靠其超细纳米级尺寸进行微细孔隙填充，提高体系密实度，降低体系孔隙率；同时激活剂激发超细矿渣反应活性加快水化反应进程，提高体系早期强度。

2.2 颗粒级配材料配比

根据颗粒级配材料的粒径分布进行质量配比研究，通过粒径分布分析，筛选出粒度分布与理论最紧密堆积曲线拟合度较好的质量配比，结合水泥浆密度要求选定最佳质量配比，形成水泥浆体系基浆配方如表3所示。体系粒径累计分布曲线见图2。

表3 水泥浆基浆配方

从图2可以看出，粒径累计分布曲线呈现指数分布。通过线性回归分析，最紧密堆积模型粒径累计分布曲线方程为y=18.821x0.3333，R2=1；1.25 g/cm3水泥浆配比粒径累计分布曲线方程为y=18.793x0.3615，R2=0.9909；1.30 g/cm3水泥浆配比粒径累计分布曲线方程为y=19.085x0.3628，R2=0.9875；1.35 g/cm3水泥浆配比粒径累计分布曲线方程为y=19.275x0.3639，R2=0.985。YB-G水泥粒径累计分布曲线方程为y=4.1206x0.7947，R2=0.8646。3种密度水泥浆配比粒径分布曲线与标准曲线拟合度较高，决定系数R2均大于0.98，相较于单一组分YB-G粒径分布曲线提升明显，趋向于最紧密堆积模型。

图2 体系粒径累计分布曲线

3 低摩阻耐压防漏低密度水泥浆配方形成及性能评价

3.1 水泥浆配方的形成与基本性能

选择改性PVA类降失水剂G409F1，控制水泥浆失水量，提高水泥浆体系的稳定性[7–8]。G409F1在水泥浆中能够形成具有一定强度的空间网状结构，束缚自由水的流动，增加体系的稳定性；同时有很好的成膜性能，在滤饼和过滤介质交界面形成韧性均匀、致密的聚合物膜，降低滤饼渗透率，从而控制失水量。

选择醛酮缩聚物类降摩剂G408FJ，调节水泥浆的流变性能，降低范宁摩阻系数[9–11]。G408FJ具有良好的吸附性和分散性能，其分子结构中的极性端使其对水泥颗粒有较强的吸附性，能够吸附在水泥颗粒表面的正电荷位置，使粒子表面带同种电荷，在同性相斥的原理下抑制水泥颗粒的聚集；同时分子结构中的非极性端通过共轭效应和空间效应进一步增强分散效果。在水泥浆体系中均匀围绕在空心玻璃微珠表面，流动过程中发挥轴承滚珠作用，降低范宁摩阻系数。

选择改性淀粉类缓凝剂G407R1，调节水泥浆的稠化时间，保障施工安全。G407R1为窄温带缓凝剂，60～90 ℃范围内水解性能好吸附性强，缓凝效果好；60 ℃以下缓凝效果变差。能够赋予下部井段水泥浆充足稠化时间，同时保证上部井段水泥浆稠化时间不会过长，保障上部水泥石强度的发展。

通过室内实验形成水泥浆配方如下，配方基础性能见表4。

表4 水泥浆配方基础性能

从表4可以看出，低摩阻耐压防漏低密度水泥浆体系基础性能优良，满足现场固井需求。密度为1.25～1.35 g/cm3，初始稠度为15～16 Bc，稠化时间在240 min左右，失水量为50～60 mL，游离液为0.2%，流动度均大于20 cm，45 ℃下48 h抗压强度均大于9 MPa，75 ℃下48 h抗压强度均大于12 MPa。

3.2 水泥浆的耐压性能评价

空心微珠类低密度水泥浆入井后受压存在微珠破碎或流体进入微珠内造成水泥浆性能变化的情况，需要对低密度水泥浆的耐压性能进行评价。范宁摩阻系数按Φ165.1 mm井眼下Φ114.3 mm套管，套管壁厚为7.37 mm，施工排量为8 L/s进行理论计算。评价结果如表5所示。

从表5可以看出，轻珠低密度水泥浆耐压性能差，承压40 MPa后，密度上升0.17 g/cm3，稠度增加6 Bc，流动度降低4 cm，流变参数变化大，范宁摩阻系数增大约一倍。低摩阻耐压防漏低密度水泥浆体系耐压性能优良，承压40 MPa后，密度仅上升0.02 g/cm3，稠度变化小，流动度略有降低，流变参数变化小，范宁摩阻系数变化小。两者对比可以看出，承压40 MPa后，低摩阻耐压防漏低密度水泥浆较轻珠低密度水泥浆范宁摩阻系数低约50%。低摩阻耐压防漏低密度水泥浆耐压性能优良，能够较好地保证入井后水泥浆性能的稳定性。

表5 水泥浆承压前后性能

3.3 水泥浆的防漏性能评价

室内模拟评价，采用QD-2型堵漏材料测定仪测定水泥浆防漏性能[12–13]。使用20目钢珠模拟地层渗透性漏失，1、2、3 mm缝板模拟裂缝性漏失，先将缝板置于浆杯底部，装入钢球，再将水泥浆倒入浆杯，加压模拟水泥浆进入地层裂缝的状态，测试水泥浆承压能力。水泥浆先经过升温升压养护后再进行评价。结果见表6。

表6 水泥浆的防漏性能

由表6可以看出，低摩阻耐压防漏水泥浆的防漏能力明显优于轻珠水泥浆；在漏层模型下承压能力为2.9～5.5 MPa，可以保证水泥浆漏层处的滞留封堵，提高地层承压能力。相对于轻珠水泥浆，低摩阻耐压防漏水泥浆可以提高模拟漏层承压约2 MPa。

现场理论计算。以Φ165.1 mm井眼下Φ114.3 mm套管，套管壁厚为7.37 mm，施工排量为8 L/s，低密度封固段长2600 m，易漏层垂深2500 m，进行理论计算分析水泥浆体系的防漏能力。

轻珠水泥浆静液柱压力P1=ρgh=1.47×9.81×2500÷1000=36.05 MPa,流动摩阻压耗=0.2×0.0714×1.47×2600×0.7176÷(16.51−11.43) =5.53 MPa。低摩阻耐压防漏水泥浆静液柱压力P1=ρgh=1.32×9.81×2500÷1000=32.37 MPa，流动摩阻压耗=0.2×0.0347×1.32×2600×0.7176×0.7176÷(16.51−11.43)=2.41 MPa。相较于轻珠水泥浆，使用低摩阻耐压防漏水泥浆易漏层承受压力降低P=36.05+5.53−32.37−2.41=6.8 MPa，防漏效果明显。

结合室内模拟评价和现场理论计算可知，低摩阻耐压防漏水泥浆体系较轻珠低密度水泥浆体系防漏效果明显，提高易漏层承压能力、降低易漏层承受的压力。

4 混配工艺优化

根据长庆市场分布和需求，目前长庆区域固井混配工艺均为气动干混混拌工艺，混拌迅速、操作简单，一次性混拌灰量大。在混拌低摩阻耐压防漏低密度水泥时，由于空心玻璃微珠密度极低，极易从排空管线流失至除尘罐，空心玻璃微珠损耗大，严重影响混灰质量[14–15]。因此需严格控制混配气压，保持较低的混配压力，但体系中复合超细活性材料TC-4粒径小比表面大吸附性强，在较低的混配压力下黏罐现象明显、损失严重，且不易混配均匀，造成水泥浆性能不稳定，大小样实验性能差别大，影响混配效率。

针对上述问题，对混配工艺进行优化设计，采用机械混拌塔进行机械混拌，混拌基数为2.5 t，混拌时间10 min；混拌16批次，总混拌时间为160 min，混拌出低摩阻耐压防漏低密度水泥40 t。小样与混拌大样复核结果对比性能见表7。

表7 低摩阻耐压防漏低密度小样与混配大样性能对比

从表7看出，低摩阻耐压防漏低密度水泥浆大样和小样性能基本无差别，吻合率高达99%。机械混拌塔混配工艺适用于低摩阻耐压防漏低密度水泥浆的混配，提高了混灰质量和效率。

5 现场试验应用

在长庆苏里格气田现场试验应用低摩阻耐压防漏低密度水泥浆固完井4口，水泥浆流动性好、施工压力低，水泥返出正常均未发生漏失，固井质量均合格。

以S 36-*-*井为例进行应用分析。该井位于内蒙古自治区鄂尔多斯市鄂托克旗苏米图苏木伊连陶勒盖嘎查。井深结构：Φ241.3 mm×705 m+Φ193.7 mm×705 m+Φ165.1 mm×3532 m+Φ114.3 mm×3527 m。一次上返全井段封固，采用两凝水泥浆体系，1.30 g/cm3低摩阻耐压防漏低密度水泥浆封固0～2950 m井段，1.90 g/cm3防窜尾浆封固2950～3532 m井段。采用机械混拌塔混拌低摩阻耐压防漏低密度水泥浆40 t，性能见表7中大样1和大样2，满足现场施工需求。现场以0.8～1 m3/min排量注入5 m3隔离前置液，再以1.0～1.5 m3/min排量注入48 m3密度为1.30 g/cm3低摩阻耐压防漏低密度水泥浆，最后以0.8～1.2 m3/min排量注入9 m3密度为1.90 g/cm3尾浆。1 m3压塞液压胶塞，以0.5～0.8 m3/min排量清水替量26.5 m3起压24 MPa，碰压至30 MPa。施工正常，水泥返出1 m3，全程未发生漏失，固井质量合格。

统计对比2种低密度水泥浆现场应用情况见表8。从表8可以明显看出，使用低摩阻耐压防漏低密度水泥浆固井施工压力较低，减小漏失的可能性，封固段合格率和优质率均有明显提升。

表8 2种低密度水泥浆固井情况对比

6 结论

1.低摩阻耐压防漏低密度水泥浆配方结合四级颗粒级配设计和最紧密堆积理论，搭配性能优良的外加剂，水泥浆基础性能优良，45 ℃养护48 h抗压强度大于9 MPa，75 ℃养护48 h抗压强度大于12 MPa。

2.低摩阻耐压防漏低密度水泥浆耐压防漏性能优良。承压40 MPa后密度仅上升0.02 g/cm3，稠度、流动度、流变参数、范宁摩阻系数变化小，范宁摩阻系数较轻珠水泥浆降低约50%；较轻珠水泥浆明显提高模拟漏层承压能力、降低易漏层承受的压力。

3.优化采用机械混拌塔混配工艺，低摩阻耐压防漏低密度水泥浆大样和小样性能基本无差别，吻合率高达99%。开展现场试验应用4口井，均未发生漏失，固井质量合格；施工压力降低明显，封固段合格率和优质率均有明显提升。