一种高密度盐膏层固井水泥浆的研究及应用_许前富

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满足现场作业要求，且加重材料较少，为最理想配方。 1.2 盐水种类及浓度选择[4-5]
室内实验对比了常用的氯化钾与氯化钠在不同浓 度条件下对盐层的溶解能力。具体方法为：把盐块（预 先用氯化钠压制而成）埋在水泥浆中，在 90 ℃，21 MPa 的增压养护釜养护 24 h 后，测量盐柱的质量损失。 图 1 是氯化钠和氯化钾水泥浆对盐块溶解能力的对比 结果。实验结果表明，随着配浆水盐浓度的增加，对 盐溶解的抑制能力增强 ；相同浓度条件下，氯化钾水 泥浆对盐柱溶解有更强的抑制能力。通过不同盐水浓 度的水泥浆与盐块、石膏、泥岩的胶结对比实验可以 发现，无论何种浓度盐水的水泥浆，均不能与盐块发 生胶结，但均可以与石膏、泥页岩产生良好胶结，如 图 2、图 3 所示。因此，从对盐层抑制的角度应该优 先考虑使用氯化钾盐水配方。
1.6 防气窜材料的选择
在水泥浆中加入了防窜增强剂 PC-GS12L，该材 料是由具有活性的超细二氧化硅组成，可以提高水泥 浆的早期强度及防窜性能。同时，也在水泥浆中加入 了晶格膨胀剂 PC-B20，使水泥浆在凝固过程中体积 膨胀增大，把环形空间充填得更满，有利于提高固井 质量 [8]，防止固井后发生气窜和水窜。
1 盐膏层固井水泥浆的建立
1.1 加重剂的优选
根据固井工艺条件，设计盐膏层固井水泥浆密 度为 2.35 g/cm3，赤铁矿粉密度为 4.8～5.2 g/cm3。在 该体系中，使用颗粒级配加重技术，优先选用粒径为 0.010 和 0.076 mm 的赤铁矿粉进行混合加重 [3]。其原 因是较粗的铁矿粉混灰容易，流变性能较好，但稳定
1.4 抗盐降失水剂的优选
优选聚合物类降失水剂 PC-G80L/S，其通过吸附 和聚集水泥浆颗粒来控制失水，有优良的降失水效果。 该类降失水剂有庞大侧基或刚性侧基、抗高温水解的 磺酸基团等，可提高聚合物分子主链的热稳定性及抗 盐性能 ；同时引入强水化性阴离子基团，提高耐温、 抗二价及高价金属离子能力。如表 3 所示，水泥浆中 盐浓度的变化对水泥浆失水影响不大 ；即使在盐水浓 度达到接近饱和的情况下，水泥浆失水仍然可以控制 在 100 mL 以内，确保水泥浆不过度失水。
表 3 盐浓度变化对 PC-HDS CMT 体系性能影响实验数据
盐水类型及加 实验
量（BWOW） 条件 φ300
φ200
φ100
φ60
φ30
φ6
φ3
n来自百度文库
K/
Gel/ FL/ t 稠化 / p24 h/
Pa·sn Pa/Pa mL min MPa
养护前 113 80
45
30
16
7
5%KCl
养护后 114 85 53 37 26 10
1.8 PC-HDS CMT盐膏层固井水泥浆体系建立
利用优选出来的加重材料及抗盐外加剂，以及 5% 氯化钾盐水，设计了密度为 2.30～2.40 g/cm3 的 盐膏层固井水泥浆配方，并对其综合性能进行了评价， 结果见表 4。
由表 4 可知，PC-HDS CMT 盐膏层固井水泥浆 具有流变性好，触变性弱，稠化时间稳定可调，失水 较小，抗压强度高，抗气窜能力强等，具有优良的综 合性能，满足现场应用的要求。
（中海油田服务股份有限公司油田化学研究院，河北燕郊）
许前富等 . 一种高密度盐膏层固井水泥浆的研究及应用 [J]. 钻井液与完井液，2014，31（1）：68-71. 摘要 针对伊拉克米桑油田高压盐膏层固井的特点，开发了一种高密度盐膏层固井水泥浆 PC-HDS CMT。该水泥 浆采用颗粒级配的赤铁矿粉进行加重，最高密度可达 2.40 g/cm3 ；通过设计新的实验方法，优化了盐膏层固井水泥浆 的配浆盐水的种类及浓度，采用 5% 低浓度氯化钾盐水配浆，使水泥浆在具有一定溶解抑制能力的同时，具有更快的 强度发展速度和 24 h 抗压强度，更有利于封固高压盐膏层 ；优选了一种新型聚羧酸类分散剂，其具有优良的分散效果 和抗盐防触变能力 ；同时研选了一系列其他性能优良的抗盐添加剂，使水泥浆的失水量可控，稠化时间可调，且具有 微膨胀和防漏失能力。该水泥浆已在伊拉克米桑油田高压盐膏层固井作业中得到成功应用，解决了固井过程中井漏、 固井作业后井口带压和井底窜流等问题。 关键词 盐膏层固井 ；高密度水泥浆 ；水泥浆配方 ；伊拉克 ；米桑油田 中图分类号：TE256 文献标识码：A 文章编号：1001-5620（2014）01-0068-04
3︰2︰2 2.35 4 7 106 141 4/35 19.8 无沉降
3︰3︰1 2.35 3 5 105 139 3/31 18.6 无沉降
3︰1︰3 2.35 4 8 108 152 4/62 24.4 无沉降
由表 1 可知，水泥与粒径为 0.076 和 0.010 mm 的赤铁矿粉的比例为 3︰2︰1 时的水泥浆流变性能较 好，静胶凝强度低，抗压强度高，水泥浆稳定性好，
1.7 防漏材料的选择
在固井作业中有潜在漏失的情况下，可在水泥浆
中加入防漏增韧剂 PC-B60。实验表明，PC-B60 在水 泥浆中加量为 1%（BWOC）时，水泥浆在 0.5 mm 的 裂缝中的承压可提高 5 MPa。同时，PC-B60 还能提 高水泥石韧性，避免该水泥浆使用的低浓度盐水配方 由于抗压强度过高造成的脆性问题 [5]。
1.5 缓凝剂的优选
该体系优选了低分子量有机磷酸盐类复合缓凝
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钻井液与完井液
2014 年 1 月
剂 PC-H21L。其性能稳定，与其它添加剂配伍性能 良好，在 40～100 ℃（BHCT）时都具有较好的缓凝 效果，水泥浆稠化时间与缓凝剂加量呈很好的线性关 系，加量及温度敏感性均较弱，水泥浆稠化时间可在 150～450 min 区间可调。
第一作者简介 ：许前富，工程师，毕业于中国石油大学（华东），主要从事油气井固井技术研究工作。地址 ：河北省三河市 燕郊开发区行宫大街 81 号 ；邮政编码 065201 ；电话（010）84522368 ；E-mail ：xuqf4@cosl.com.cn。
第 31 卷 第 1 期
许前富等：一种高密度盐膏层固井水泥浆的研究及应用
min min mL
min 0.35 MPa 3.5 MPa MPa
18%NaCl 275 294 34 3.50 9
422 480 18.7
5%KCl 286 294 31 1.33 7
336 360 22.8
由表 2 可以看出，5% 氯化钾盐水水泥浆具有更 优良的性能。在稠化时间相同的情况下，其失水量更 低，静胶凝强度过渡时间更短，早期强度发展更加迅 速，24 h 抗压强度更高，综合防窜能力更强。
9
18%NaCl
养护后 133 100 54 40 26 11
6 0.83 0.34 7/36 48 374 18.7
8 0.82 0.41 7/46
5%KCl+ 养护前 115 85 48
34
18
9
7 0.79 0.42 7/38
37 322 19.1
5%NaCl 养护后 120 91 54
40
25
G 级 水 泥+淡水+PC-X60L+KCl/NaCl+PC-G80L+ PC-F46L+PC-GS12L+PC-H21L（加量可调）+PC-B60+ PC-B20+ 铁矿粉 PC-D20（细）+ 铁矿粉 PC-D30（粗）
表 2 5% 氯化钾盐水水泥浆与 18% 氯化钠盐水水泥浆的性能对比
盐水 t30 Bc/ t100 Bc/ FL/ SPN t48～240 Pa/ 强度发展时间/min p24 h/
表 1 粒径为 0.010 mm 和 0.076 mm 的 赤铁矿粉混合加重水泥浆实验
水泥︰0.076 ρ/ mm︰0.010 mm g/cm3 φ3
φ6
φ200
φ300
Gel/ Pa/Pa
p/ MPa
稳定性
3︰2︰1 2.35 6 10 110 159 7/35 22.8 无沉降
3︰1︰2 2.35 8 11 119 163 9/40 23.5 无沉降
12 0.79 0.61 11/64 70
414 12.2
30%NaCl 养护后 165 118 69 48 30 16 14 0.79 0.60 15/69
注 ：水泥浆密度为 2.35 g/cm3 ；养护条件为 68 ℃、常压。
表 4 不同密度条件下 PC-HDS CMT 水泥浆基本性能
ρ/ PC-F46L/ t 混灰 /
第 31 卷 第 1 期 2014 年 1 月
钻井液与完井液 DRILLING FLUID & COMPLETION FLUID
doi: 10.3969/j.issn.1001-5620.2014.01.019
Vol. 31 No.1 Jan. 2014
一种高密度盐膏层固井水泥浆的研究及应用
许前富， 罗宇维， 冯克满， 赵琥， 史元， 张国光
5 0.84 0.31 5/29 34 277 22.8
6 0.70 0.76 6/40
养护前 115 83
50
33
18
8
10%KCl
养护后 124 92 51 35 24 10
6 0.76 0.52 6/30 38 312 22.4
8 0.81 0.41 8/35
养护前 117 83 47
32
18
伊拉克米桑油田位于伊拉克东南部米桑省，该区 域盐膏层段的固井作业难点主要体现在盐膏层厚、封 固段长、安全压力窗口窄、夹层盐水孔隙压力高等。 之前进行的盐膏层固井作业，固井质量普遍较差，主 要表现为部分井固井过程中发生井漏，固井作业后井 口带压、钻穿压力过渡带时高压盐水窜流等问题。资 料调研显示，该油田前期使用的常规半饱和氯化钠盐 水水泥浆存在流变性能不理想、稠化时间过长、强度 发展缓慢、防窜防漏失效果差等问题 [1-2]。从盐膏层 固井水泥浆的配浆水盐浓度、加重剂、降失水剂、分 散剂等方面展开研究，建立了一套性能优良的高密度 盐膏层固井水泥浆 PC-HDS CMT，在伊拉克米桑油 田得到了成功应用，取得了很好的效果。
1 . 3 高 性 能 抗 盐 防 触 变 分 散 剂 PC-F46L
目前应用于油田固井的分散剂有木质素磺酸盐及 其衍生物、多环芳基磺酸盐甲醛缩合物、磺化醛酮缩 聚物等 [6]。这些分散剂在某些条件下往往存在加量大、 分散效果不理想、水泥浆易产生触变、不耐污染等缺 点。优选新型聚羧酸类分散剂 PC-F46L，其分散效果 明显，能防止水泥浆触变性的发生，解决了水泥浆混 配时由于触变性带来的混配困难的问题 ；也提高了水 泥浆在环空中的顶替效率。同时，该分散剂的抗盐污 染能力强，盐水浓度的变化对浆体流变性能与静胶凝 强度变化影响非常小。实验结果如表 3 所示。
图 1 NaCl 和 KCl 水泥浆溶盐能力对比
图 2 5%KCl 浓度水泥浆与不同岩层的模拟胶结情况
图 3 盐块与不同盐浓度的水泥浆模拟胶结情况
综合以上原因，使用 5% 氯化钾盐水配制水泥浆。 实验对比了 5% 氯化钾盐水水泥浆配方与常用的 18% 氯化钠盐水水泥浆 [1] 配方的性能，实验结果如表 2 所示。水泥浆配方如下。
性差，抗压强度低 ；较细的铁矿粉流变性能较差，配 浆困难，但稳定性好，抗压强度高。结合现场作业状况， 铁矿粉与水泥之间的比例采用整数比进行对比，对比 结果如表 1 所示。实验基础配方如下。
G 级水泥 + 淡水 + 消泡剂 PC-X60L+5%KCl+ 降 失水剂 PC-G80L+ 分散剂 PC-F46L+ 缓凝剂 PC-H21L+ 防窜增强剂 PC-GS12L+ 防漏增韧剂 PC-B60+ 膨胀剂 PC-B20+ 铁矿粉 PC-D20（细）+ 铁矿粉 PC-D30（粗）
10
6
0.73 0.66 8/43
5%KCl+ 养护前 158 110 62 43 24 12 10%NaCl 养护后 161 117 70 46 27 17
7 0.85 0.40 7/40 40 386 18.5
8 0.76 0.73 9/48
5%KCl+ 养护前 159 115 67
46
28
17
g/cm3
%
s
φ300
φ200 φ100
φ60
φ30
φ6
φ3
n
K/ Gel/ FL/ t 稠化 / p24 h/ ∆ρ/ Pa·sn Pa/Pa mL min MPa g/cm3
2.30
1.5
14 124 90 51 35 22 8
5 0.81 0.41 5/48 49 263 18.9 0.04