超高密度水泥浆体系设计

张美琴

摘要：某井设计井深4700米，实际完钻井深4723米，完钻层位上三叠统须家河组二段。该井在三开钻进中遇多次复杂情况，发生十四次漏失，而且气层活跃显示较好、气层压力较高，完钻钻井液密度高达2.40g/cm3。固井前钻井液密度降至2.36g/cm3，油气上窜速度为24.99m/h。防止环空气窜和防止漏失是此次固井的重点。针对固井的难点分析，通过优选2.50g/cm3的超高密度防漏防窜水泥浆体系，顺利完成本开次的固井施工作业。

关键词：超高密度；水泥浆；防气窜；防漏失

1固井技术难点

某井自3828m开始至4653m发生过十四次漏失，下套管和固井施工过程中存在较大的漏失风险。该井气层比较活跃，油气显示较好，气层压力较高，封固气层，防止环空气窜影响胶结质量是本开次固井的一个难点。环空间隙小，地层压力窗口窄，地层存在漏失风险，固井施工排量受到限制，顶替效率难以保证，对固井质量有一定影响。水泥浆、钻井液密度高，施工压力大，对施工设备要求高。超高密度水泥浆，对水泥浆的性能要求及入井液体的相容性要求高。

2固井技术措施

下套管前，以2.43g/cm3密度的钻井液，以不小于21l/s的大排量循环做动态承压实验，确定地层承压能力，合格后，再把密度逐步降至2.36g/cm3。固井施工前，循环钻井液进出口密度差不大于0.02g/cm3，确保压稳气层。为了能更好的提高顶替效率，拉开入井液体的密度差，2.40g/cm3的抗钙先导浆、2.45g/cm3的加重隔离液、2.50g/cm3的加重水泥浆。为防止施工过程发生漏失，在加重隔离液中加入长度3-5mm的堵漏纤维，水泥中干混入复合增韧剂及3-5mm的堵漏纤维。为防止环空气窜，采用双凝水泥浆体系，双凝界面确定在3700m,领浆采用微膨胀高密度防漏非渗透水泥浆体系，尾浆采用胶乳高密度防漏防气窜水泥浆体系。做好压稳计算，在保证施工安全的条件下，尽量缩短尾浆稠化时间，实现以快制气的目的，施工结束后环空憋压，拉开领尾浆的稠化时间，使之压力有效的传递，防止候凝失重引起环空气窜，影响固井胶结质量。合理设计扶正器的加量，提高套管居中度。

3超高密度水泥浆体系设计

高密度水泥浆设计中加重材料的选择至关重要。合格的加重剂必须满足以下条件：1）合理的颗粒粒度分布：粒度太大容易使水泥浆产生离析，粒度太小又容易增加水泥浆的稠度；2）需水量要少：需水量过大，会使加重剂加量增大，影响水泥浆的强度发展，同时还不利于密度的提高；3）不影响水泥水化进程，与其它添加剂有良好的相容性，同时对外加剂的吸附能力要弱。

通过综合考虑，目前我们所使用的加重材料为氧化铁粉，实验表明，铁矿粉密度至少应大于4.90g/cm3,加重材料的密度越高，在加量较少的情况下就可以获得较高密度的水泥浆，有利于水泥浆流动性的调节，由于加量少，也有利于提高水泥石的早期强度。而合理的粒度分布，是保证高密度水泥浆良好综合性能的前提。铁矿粉应具有宽的粒度分布，在铁矿粉加量相同的情况下，通过颗粒级配技术，把不同级别大小的颗粒放在一起，实现良好的孔隙充填，并相应提高颗粒间的范德华力，从而配制出高性能的超高密度水泥浆，提高了水泥石的综合性能。另外，铁矿粉应经过精选，以减少其粘度效应。

  由于水泥浆中加入了两种加重材料，加重材料和水泥的密度、粒度相差较大，容易产生轻质材料上浮，重材料、粗颗粒下沉现象，从而导致浆体不稳定、体系不均匀，易堵塞环空通道，导致固井事故或影响固井质量，通过室内实验，我们在水泥浆中加入浆体悬浮剂KCM013，能够有效的增加浆体粘度，防止浆体沉降。而尾浆水泥浆中胶乳的胶粒粒径在40-180nm的范围，同时胶乳具有粘滞性和粘结作用，更好地提高了浆体的稳定性能。图2分别是领浆和尾浆在循环温度下的BP实验的水泥浆稳定性，结果表明该超高密度水泥浆体系具有较好的体系稳定性，上下密度差小于0.03g/cm3。                          

领浆水泥浆中加入了晶格膨胀剂，其膨胀机理是水泥中钙矾石的形成。钙矾石晶体越大，产生的内应力越大，从而引起水泥石膨胀并使其与套管和地层胶结更为紧密。

加入膨胀剂的水泥浆具有以下特性：增加胶凝强度并使水泥浆具有一定的触变能力；控制一定程度的气窜；改善环空充满程度，减少微间隙和胶结强度；促进水泥石早期抗压强度的发展。胶乳防气窜的机理是水泥浆中掺加适量的聚合物乳液后，在水泥水化过程中，所加入的聚合物乳胶粒聚集并包裹在水泥水化表面，最终形成聚合物的薄膜覆盖C-S-H凝胶。因此，胶乳水泥浆体系主要是通过聚合物乳胶粒在水泥浆内部的成膜作用增加浆态内部结构阻力，增加了水泥浆体系自身防窜能力，使得油气水在窜入浆体内部时受到内部结构阻力的限制而无法窜入。

胶乳水泥浆正是运用这样的原理来防止高压气井的气窜发生，在该井运用的胶乳加量占水泥的12%，满足了该井的防气窜要求。运用防气窜仪对优化出的胶乳水泥浆小样进行了防气窜评价，通过仪器结果显示，该胶乳水泥浆体系满足该井防气窜要求。

  该井在三开钻进过程发生十四次漏失，为了增强水泥浆的防漏性能，在水泥灰样中混入了复合增韧剂和3-5mm的堵漏纤维，来提高水泥浆的堵漏效果，纤维在水泥浆中的搭桥作用对浆体稳定性有一定帮助作用，同时也有助于提高水泥石的抗折、抗压强度和抗冲击能力，降低弹性模量，有助于增加水泥石弹塑性。能提高固井质量，保持油气井水泥环的长期完整性。

粘性有效层流隔离液（ELViS）是专门应用于固井前利用有效层流技术来顶替泥浆的高性能隔离液，可更好的分隔泥浆和水泥浆。该隔离液具有与泥浆、水泥浆良好的配伍性、稳定的失水控制、可调密度和流变等。由于独特的化学特征，在常温下具有优越的悬浮能力和在高温下的较强的稳定特性，使得该体系在现场应用时操作简单，使用温度范围广，高温性能稳定。在该井中根据泥浆和处理后的先导浆性能，调整粘弹性加重隔离液的流变性能，使之能有效顶替泥浆，但又能同水泥浆有良好的配伍性，具体是根据泥浆性能设计隔离液的流变性能参数，使之动塑比和密度大小达到：井浆<先导浆<隔离液<水泥浆，能够达到有效层流顶替所需要的顶替排量，密度差，摩阻，但同时还能被水泥浆有效顶替。

4结论

超高密度水泥浆体系浆稳定，具有良好的失水控制能力、较高的抗压强度、防气窜能力和良好的稠化性能。该水泥浆体系的综合性能能够满足高压气井的固井施工，而且使用了胶乳水泥浆体系能明显提高水泥石的抗压、抗挤、耐腐蚀能力，可为开采作业提供稳定的井筒环境。2.50g/cm3密度的胶乳加重水泥浆是目前川东北所使用的最高密度，有待进一步完善以适应井温更高、上下温差更大、密度更高的胶乳水泥浆体系。水泥浆中加入纤维和增韧剂提高了水泥浆的防漏效果，同时增加了水泥石的弹塑性，使水泥环在套管变形范围内保持完整性，提高了固井质量。该体系使用的缓凝剂为同一种，环空加压后水泥浆能够很好地保持压力传递，防止失重引起的环空气窜，但在超过30℃以上的温差，顶部有可能出现超缓凝现象，有待进一步完善。加重隔离液在常温和高温下具有很好地悬浮效果，性能稳定，有很好的相容性，可以根据现场情况，很好地调节各项性能，使之达到要求。