适用于巨厚盐膏层的高密度水泥浆体系研究
Research on High Density Cement Slurry System Apply to Thick Salt-gypsum

国内外有很多油气储层被盐膏层所覆盖,如果要对这些区块进行开发,就必须钻开盐膏层.然而,盐膏层固井一直以来是一个世界公认的难题,虽然经过多年攻关研究,但一直没有从根本上解决问题.采用厚壁套管加水泥浆组合固井,是石油钻井必需的、常规的固井手段.在盐膏层特别是深井盐膏层、巨厚盐膏层等复杂井段进行固井作业时,使用常规水泥浆存在如下问题:其一是在注水泥阶段,由于浓差效应,地层中的盐溶解于水泥浆中会使水泥浆增稠或胶凝;其二,盐层溶解会扩大井眼,造成井壁不规则,影响钻井作业;其三是在水泥浆硬化阶段,地层盐份的持续溶解,既影响水泥浆的硬化速率,又影响其硬化后的强度,且在水泥环与盐膏层间也将形成溶解性裂缝,可能为地下的油气水上窜提供通道;其四是由于盐溶解现象是持续发生的,常规水泥浆形成的水泥石强度低,与地层胶结的质量较差,不能够有效的抵御因盐层地层的蠕变而引起的外挤力,导致厚壁套管变形,无法进行以后的井下作业,甚至发生厚壁套管被错断或挤毁,缩短油气井的使用寿命.其五,氯化钠与石膏都是强电解质,对水泥浆性能影响较为复杂,主要表现为使水泥浆产生分散、密度升高、促凝、缓凝等不同效应,使得水泥浆滤失量难以控制,稠化时间不易调整.另外,盐量较高时,水泥水化过程中要消耗一部分水,使得水泥浆中的液相浓缩到盐过饱和状态.以致结晶出来.这种结晶会对水泥石强度产生一定影响.为了保证盐膏层固井的质量,根据盐膏层的的特点,需要从如下几个方面着手构建一套水泥浆体系:1.水泥浆有较高的密度,且有抗高温的能力,因为盐膏层一般埋藏深,温度比较高,所以水泥浆中需要有抗高温和加重材料;2.水泥浆具有良好的流变性,良好的流变性是水泥浆从地面顺利泵送入井并充分填充的的一个重要保证,因此在构建水泥浆体系时,流变性是关键之一.盐膏层中的盐和钙溶解到水泥浆中会使水泥浆增稠或胶凝,不利于泵送,所以要求水泥浆有抗盐、抗钙性能;3.水泥浆具有较小的失水量,水泥浆失水过大可能造成盐膏层膨胀,井径缩小,导致水泥浆泵送比较困难;同时,盐类溶解到水泥浆内会导致水泥浆体系的的性能发生突变.所以降失水剂非常关键,它左右着整个固井的安全和成败.因此,需要筛选出一种抗盐的降失水剂;4.水泥石具有较高的强度,盐膏层的盐溶解到水泥浆中会使水泥石的强度变低,使固井质量受到影响,所以水泥浆中应该具有适合的增强剂;5.水泥浆的稠化时间可调,盐和钙对水泥浆起促凝或缓凝的作用,影响水泥浆的稠化和转化时间,因此需要筛选出合适的促凝剂和缓凝剂加以调节;6.水泥水化后具有膨胀性,一般来说,水泥浆凝固以后,体积都会发生或大或小的收缩,使壁面胶结质量降低,产生气窜,影响固井质量甚至造成事故,导致固井失败,因此,选择一种膨胀剂也非常必要.结合以上水泥浆体系的设计思路,参照API以及其它有关水泥浆规范标准中的水泥浆实验方法,并且应用自己设计的膨胀剂筛选和评价方法,通过大量的筛选实验确定了高密度过饱和NaCl盐水水泥浆的主要添加剂:CG88L抗盐降失水剂、CX66L消泡剂、H21L低温缓凝剂、H63L高温缓凝剂、CF44L分散剂、Exp-1膨胀剂、MX增强剂和Tips增强防窜剂.在盐膏层固井过程中,针对不同破裂压力地层需要设计出相应密度的水泥浆以在稳定井壁情况下,达到最佳封固效果.在设计水泥浆体系时,水泥浆密度调节的简单方便性需着重考虑的环节.通过一系列的室内实验论证,主要通过适当调节加重剂的比例来调节不同的密度,同时对水、降失水剂等外加剂的比例也进行了一定的调整,我们最终构建了1.90-2.40g/cm3的水泥浆配方:1.90g/cm3水泥浆配方:100%G级水泥+49%淡水+10%CG88L抗盐降失水剂+20%NaCl固体+1%CF44L分散剂+0.5%H21L缓凝剂+0.5%CX66L消泡剂+1%Exp-1膨胀剂+10%MX增强剂+1.5%Tips增强防窜剂;2.0g/cm3水泥浆配方:100%G级水泥+50%淡水+13%CG88L抗盐降失水剂+20%NaCl固体十1%CF44L分散剂+0.5%H21L缓凝剂+0.5%CX66L消泡剂+1%Exp-1膨胀剂+10%MX增强剂+1.5%Tips增强防窜剂+15%加重剂;2.10g/cm3水泥浆配方:100%G级水泥+53%淡水+14%CG88L抗盐降失水剂+22%NaCl固体+1%CF44L分散剂+0.5%H21L缓凝剂+0.5%CX66L消泡剂+1%Exp-1膨胀剂+10%MX增强剂+1.5%Tips增强防窜剂+52%加重剂.2.20g/cm3水泥浆配方:100%G级水泥+53%淡水+15%CG88L抗盐降失水剂+22%NaCl固体+1%CF44L分散剂+0.5%H21L缓凝剂+0.5%CX66L消泡剂+1%Exp-1膨胀剂+10%MX增强齐(?)+1.5%Tips增强防窜剂+80%加重剂.2.30g/cm3水泥浆配方:100%G级水泥+57%淡水+15%CG88L抗盐降失水剂+23%NaCl固体+1%CF44L分散剂+0.5%H21L缓凝剂+0.5%CX66L消泡剂+1%Exp-1膨胀剂+10%MX增强剂+1.5%Tips增强防窜剂+118%加重剂.2.40g/cm3水泥浆配方:100%G级水泥+59%淡水+15%CG88L抗盐降失水剂+24%NaCl固体+1%CF44L分散剂+0.5%H21L缓凝剂+0.5%CX66L消泡剂+1%Exp-1膨胀剂+10%MX增强剂+1.5%Tips增强防窜剂+150%加重剂.(注:若温度超过93℃,将上述配方中的0.5%H21L换为0.5%的高温缓凝剂H63L,另外需加35%的抗高温强度衰减剂硅粉)室内对上述不同密度的水泥浆进行了全面的性能评价,从测得的实验结果可以看出:水泥浆在60℃时流变性能良好,满足现场泵送要求,90℃时的高温高压失水小于50ml,抗压强度大于14MPa,有一定的膨胀性和壁面胶结能力,抗盐抗钙性能良好,与冲洗液和隔离液的配伍性好,在不同温度下稠化时间可调,能达到良好的封固效果以延迟油井寿命.从评价结果看,所构建的过饱和高密度NaCl水泥浆体系能够满足盐膏层固井需要.