盐膏层高密度固井水泥浆性能研究

王 波，侯云翌，张文哲，邓琳纳，迟立宾.

(1.陕西延长石油(集团)有限责任公司研究院，陕西西安 710075；2.延长油田股份有限公司勘探开发技术研究中心(延安分院)，陕西延安 716009；3.中国石油集团东南亚管道有限公司，北京 100028)

盐膏层高密度固井水泥浆性能研究

王 波1,2，侯云翌1,2，张文哲1，邓琳纳3，迟立宾1,2.*

(1.陕西延长石油(集团)有限责任公司研究院，陕西西安 710075；2.延长油田股份有限公司勘探开发技术研究中心(延安分院)，陕西延安 716009；3.中国石油集团东南亚管道有限公司，北京 100028)

目前钻井中常遇到盐膏地层，而常规固井水泥浆性能受盐膏层影响较大。水泥石与地层胶结质量差，影响固井质量。通过试验，对一种密度为2.0 g/cm3的盐膏层固井水泥浆的常规性能、抗温能力、抗盐能力、稠化时间及抗压强度进行了研究。结果表明，该水泥浆常规性能优异，当温度低于130 ℃时具有较好的基本性能和较合适的稠化时间及水泥石抗压强度；受盐、钙侵影响较小，抗盐达到20%以上。结合试验结果分析盐、钙对该水泥浆影响的原因，结果表明，该高密度盐膏层固井水泥浆具有较好的抗温能力，受NaCl、CaSO4影响小，适用于盐膏层的固井施工并具有良好的固井质量。

水泥浆；盐膏层；抗温能力；稠化时间；抗压强度

盐膏层是岩盐地层和膏盐地层的统称。盐膏层的可流动性对固井质量的影响程度比盐膏层扩径对固井质量的影响要大，盐膏层在较小压差下的流动速度取决于盐膏层所含的杂质、温度、上覆岩层压力、颗粒尺寸、含水量和含气量[1-2]。盐膏层固井技术一直是固井作业中公认的难题，经过多年科学研究，仍未能从根本上解决。盐膏层存在于我国的许多油田区块，如我国华北油田、中原油田、胜利油田、河南油田、江苏油田、江汉盆地、四川盆地、塔里木盆地和柴达木盆地等地区分布着深部较厚的盐膏层，主要分布在二叠系、三叠系、第三系、石炭系、寒武系、白呈系。国外的盐膏层主要分布在二叠系、第三系、侏罗系、石炭系[3-4]。

1 盐膏层固井作业中存在的问题

盐膏层的性质决定了它在钻井过程中所产生的问题，如：①盐岩层的蠕变流动和塑性变形会造成井径扩大或缩小；②在钻穿盐膏层尤其是复合盐膏地层时，盐层易溶解、坍塌，从而影响钻井液及固井水泥浆的性能，造成固井质量差；③盐膏层覆盖下，存在异常压力带形成非均匀载荷而导致套管变形和挤毁[5]。

常规水泥浆在盐膏层固井过程中极易发生盐侵钙侵现象，主要表现在：①注水泥阶段，由于浓差效应，地层水中离子进入水泥浆造成增稠或胶凝，或者水泥浆中水进入地层造成地层膨胀、井径缩小；②普通水泥浆受盐膏层蠕变影响严重，造成水泥石与地层胶结质量差，严重影响固井质量及后期作业；③盐膏层地层水中电解质含量高，易腐蚀一般水泥石、甚至腐蚀套管，从而造成事故[6]。

因此，国内外固井服务公司及科研单位对盐膏层固井水泥浆进行了大量研究，从抗盐水泥浆到盐水水泥浆，形成了一系列不同性能指标、满足作业要求的水泥浆体系[7]。随着研究深入，盐膏层水泥浆也在不断地发展和进步，建立一套针对盐膏层过饱和高密度固井水泥浆体系是非常有必要的。该体系要求水泥浆具有优异的抗盐和抗钙侵能力，具有较高强度和胶结性能，能有效避免对厚壁套管的侵蚀，延长油气井使用寿命，保证复杂盐膏层井段套管地层的有效封固，固井效果好[8]，解决常规水泥浆在复杂盐膏层施工时不耐腐蚀、胶结性能差、胶凝强度缓慢、早期强度低、不能有效抵御因盐层地层蠕变引起的外挤力导致厚壁套管变形等问题[9]。

2 室内试验

2.1 固井水泥浆组成

高密度盐膏层固井水泥浆以NaCl饱和水为基础，分别加入G级油井水泥以及抗盐降失水剂、缓凝剂、分散剂、消泡剂、膨胀剂、增强剂等水泥外加剂，用加重剂加重至密度为2.0 g/cm3。配置高密度盐膏层水泥浆的配方为：100%G级油井水泥+50%淡水+15%抗盐降滤失剂+22%NaCl+0.8%分散剂+0.6%缓凝剂+0.5%消泡剂+1%膨胀剂+12%新型增韧剂+12%加重剂。抗盐降失水剂是一种由AMPS多元复合的抗温抗盐的固井水泥降失水剂；新型增韧也是一种聚合物，具有增强水泥石强度的作用；分散剂具有良好的抗温抗盐能力，能改善水泥浆的流变性及重晶石的分散效果[10]。

2.2 试验仪器

本试验用到的仪器主要有：常压稠化仪、高温高压稠化仪、六速旋转黏度计、试模和抗压强度试验机、高温高压失水仪、搅拌器、钻井液密度计、水浴锅、天平、量筒。

2.3 试验方法

水泥浆的配置与性能评价均按照API标准规范进行。在配置过程中按配方的水灰比及配方加料顺序依次加入并充分搅拌混合均匀，最后加重晶石调节密度为2.0 g/cm3，然后在常压稠化仪中养护。试验测定配置好的水泥浆的流变性、失水量、稠化性能及稠化时间及抗压强度，评价高密度盐膏层固井水泥浆的性能。

3 结果与讨论

3.1 水泥浆常规性能

固井水泥浆良好的流变性、较小的失水量、稠化时间及强度是影响固井质量的重要因素，紊流状态下的水泥浆能够有效填充环空间的间隙，提高顶替效率，因此就要求水泥浆具有较好的流变性。较少的失水量是水泥浆性能稳定的前提，特别在盐膏层地层中，有效控制失水既是水泥浆性能稳定的保证，又是保持地层稳定的关键。通过测试该高密度盐膏层固井水泥浆在25 ℃和90 ℃的基本性能，来评价其性能，结果见表1。

表1 高密度盐膏层水泥浆常规性能Table 1 The routine performance of high density salt layer paste slurry

表1中高温高压失水试验在7 MPa、30 min条件下测定，稠化试验在不同温度、45 MPa养护中测定，水泥石强度试验在不同温度、21 MPa养护24 h后测定，下同。由表1中测试结果可知，该抗盐膏层固井水泥浆在低温(≤90 ℃)下具有较好的流变性，动塑比适中，能保证较好的顶替效率；高温高压失水较低，有效抑制水进入盐膏层影响水泥浆性能，且初始稠度和稠化时间适当，养护24 h后的水泥石抗压强度较高。因此，该固井水泥浆整体性能良好，失水较少，稠化时间适中，抗压强度大，基本能满足盐膏层固井施工。

3.2 水泥浆抗温性能

为了满足水泥浆在深井固井中的应用，固井水泥浆应具有良好的耐温性能。依据试验规范，配制密度为2.0 g/cm3的水泥浆，测定其在不同温度养护下的塑性黏度、切力、高温高压失水量、初始稠度、稠化时间和抗压强度等性能。通过对不同温度下水泥浆稠化时间的研究，能够清楚认识水泥浆对温度敏感性及现场施工的安全性。试验测试结果如表2、图1所示。

表2 温度对水泥浆性能影响Table 2 Temperature effect on cement slurry performance

由表2的结果可知，当温度增加时，塑性黏度增大，动塑比减小，失水量也随之增加。130 ℃以下仍具有较好的流变性和较低的失水量；当温度高于130 ℃后，流变性变差，失水量也相应增大很多。

图1 温度对水泥浆稠化时间和抗压强度影响Fig.1 Temperature effect on cement slurry thickening time and compressive strength

由图1可知，随着温度升高，稠化时间减少，水泥石强度也随之增大。这是因为当温度升高时，水泥中的主要成分硅酸三钙、硅酸二钙水化反应加快。当温度为130 ℃时，稠化时间及水泥石抗压强度变化明显。结合上述温度对水泥浆流变性和高温高压失水量的影响可知，水泥浆在130 ℃以下时性能稳定，当温度超过130 ℃后性能变化明显，因此该盐膏层固井水泥浆具有良好的抗温能力。

3.3 水泥浆抗盐性能

氯化钠和石膏是一种强电解质，能对水泥浆性能产生较为复杂的影响，主要表现在使水泥浆产生分散、密度升高、促凝缓凝、失水量及稠化时间难以控制等方面[11]。因此，要求水泥浆要具备较强的抗盐抗钙能力，以保持水泥浆自身性能不受较大影响，保证固井质量。本研究试验测试了加入不同量的氯化钠和硫酸钙的水泥浆性能变化来研究其影响，结果见表3。

表3 NaCl加量对水泥浆性能的影响Table 3 Effects on cement slurry performance of the addition of NaCl

注：高温高压失水量测试条件为90 ℃×30 min×7 MPa，稠度测试条件为90 ℃×45 MPa养护，抗压强度测试条件为90 ℃×21 MPa×24 h养护。

图2 NaCl加量对水泥浆稠化时间和抗压强度影响Fig.2 Effect on cement slurry thickening time and compressive strength of the addition of NaCl

由表3、图2结果可知，NaCl加量在20%以内时水泥浆体系比较稳定，流变性变化不大，失水量稍有增加。稠化时间随着NaCl加量的增加虽呈现出先减小后增加的现象，但变化量小，这是由于水泥浆水化过程中要消耗一部分水，而原本水泥浆中就有近饱和的NaCl，因此即使再加入NaCl，对其稠化时间的影响也较小[12]。抗压强度随着NaCl加量的增加，在加量20%以内时降低缓慢，这是因为在近饱和盐的水泥浆体系中，盐膏层中的盐很难再溶入到体系中，一方面阻止了盐膏层地层的盐溶而导致井壁发生变化，另一方面也保证了水泥浆体系性能受盐影响不明显。

盐膏层也存在钙盐，钙盐的侵入对水泥浆体系也会产生一部分影响，因此本文通过试验研究硫酸钙的加量对水泥浆性能的影响，结果如图3、图4所示。

图3 CaSO4加量对水泥浆黏度和失水量的影响Fig.3 Influence on the cement slurry viscosity and water loss of the addition of CaSO4

图4 CaSO4加量对水泥浆稠化时间和抗压强度影响Fig.4 Influence on the cement slurry thickening time and compressive strength of the addition of CaSO4

注：高温高压失水量测试条件为90 ℃×30 min×7 MPa，稠度测试条件为90 ℃×45 MPa养护，抗压强度测试条件为90 ℃×21 MPa×24 h养护。

随着硫酸钙加量的增加，塑性黏度和高温高压失水量开始增加缓慢，增量不大，说明水泥浆体系流变性和高温高压失水量受硫酸钙影响不明显。由稠化时间和抗压强度受硫酸钙加量的影响可知，稠化时间随着硫酸钙加量先减小后增加，这是因为一定量的硫酸钙与水泥熟料矿物水解吸出的氢氧化钙和水泥熟料中的层C3A反应，提高水泥水化液相中的固相比例，加快水泥凝结速度和早强强度，因而可以看到强度在硫酸钙含量少时呈现出稍有增强的现象[13]。但当硫酸钙含量增加时，这些硫酸钙又与水泥中的铝酸盐反应生成次生钙矾石，使水泥形成一定的膨胀，无控制的膨胀又会导致强度降低[14]。从试验结果可知，虽然硫酸钙加量增加时稠化时间和抗压强度都受影响，但变化量较小，在硫酸钙含量为4%时仍具有较好的抗压强度和较合适的稠化时间，表明该盐膏层固井水泥浆具有较好的抗盐抗钙性能。

4 结论

(1)该密度为2.0 g/cm3的盐膏层固井水泥浆具有较好的常规性能，稠化时间可调并具有很好的抗压强度，能够满足盐膏层的固井施工。

(2)该水泥浆体系具有良好的抗温能力，在温度低于130℃时仍具有很好的流变性和较少的高温高压失水量。筹划性能稳定，随着温度升高，仍具有较合适的稠化时间。

(3)该盐膏层水泥浆体系具有较好的抗盐效果和抗钙能力，在氯化钠加量为20%、硫酸钙加量为4%时仍有较高的抗压强度和合适的稠化时间，说明受盐膏层影响较小，能够满足盐膏层的固井施工并能保证固井质量。

[1] 张德润,张旭.固井液设计与应用(下册)[M].北京:石油工业出版社,2000:227-231.

[2] 彭雷,许明标.盐膏层固井用抗温抗盐低滤失聚合物盐水水泥浆体系研究[J].石油天然气学报,2008,30(2):550-552.

[3] 齐奉忠,袁进平.盐层固井技术探讨[J].西部探矿工程,2005,17(10):58-61.

[4] 张春涛.盐膏层固井技术及应用[J].钻采工艺,2008,31(3):146-148.

[5] 刘天生,陈耀祖.江汉油田盐膏层固井技术[J].钻采工艺,2000,23(5):89-90.

[6] 齐志刚.高温油井水泥缓凝剂研究[D].东营:中国石油大学(华东), 2006:2-5.

[7] 刘群英,王野,范莉,等.膏盐层固井水泥浆技术[J].钻井液与完井液,2005,22(2):59-61.

[8] 滕学清,李早元,谢飞燕,等.深井盐膏及盐水地层固井隔离液体系研究[J].西南石油大学学报(自然科学版),2010,32(4):138-142.

[9] 王波,顾军,李新宏.NaCl对水泥浆性能的影响[J].内蒙古石油化工,2009(12):10-11.

[10] 陶世平,段保平.盐膏层固井技术探讨[J].吐哈油气,2007,12(1):70-76.

[11] 侯殿波.深井盐膏层固井水泥浆体系研究与应用[J].石油钻探技术,2004,32(3):18-20.

[12] 周明明.适用于巨厚盐膏层的高密度水泥浆体系研究[D].荆州:长江大学, 2013:3-7.

[13] 李银海,刘红星.欠饱和盐水水泥浆固井技术在希望油田的研究与应用[C].中国石油学会青年学术年会,2009.

[14] 罗刚,舒福昌,向兴金.高温盐水水泥浆体系的室内研究[J].海洋石油,2009,29(2):92-96.

ThePropertiesStudyofHighDensityEvaporiteBedCementSlurry

Wang Bo1,2, Hou Yunyi1,2, Zhang Wenzhe1, Deng Linna3, Chi Libin1,2

(1.ResearchInstituteofYanchangPetroleum(Group)Co.,Ltd.,Xi＇an,Shaanxi710075,China; 2.ExplorationandDevelopmentResearchCenterofYanchangOilfieldCo.,Ltd.,Yan＇an,Shaanxi716009,China; 3.CNPCSoutheastAsiaPipelineCo.,Ltd.,Beijing100028,China)

Currently, the evaporite bed is often encountered in drilling, while the properties of conventional cement slurry are affected by the evaporite bed. The quality of cement rock and formation cementing is poor and the cementing quality is affected. In this paper, the conventional performance, temperature resistance, salt resistance, thickening time and compressive strength of a evaporite bed with a density of 2.0 g/cm3have been studied. Results showed that the cement slurry had good basic performance and the appropriate thickening time and compressive strength of cement stone when the temperature was below 130 ℃. The cement slurry was less affected by the salt and the calcium and the salt resistance was more than 20%. Combined with the test result analyzed why salt and calcium could influence the cement slurry, the results showed that the high density evaporite bed cement slurry had good temperature resistance, the effect of NaCl and CaSO4was small and suitable for evaporite bed cementing operation and had good cementing quality.

cement slurry; evaporite bed; temperature resistance; thickening time; compressive strength

王波(1990—)，男，硕士，工程师，主要从事油气井工作液技术研究工作。邮箱：swpu.2008@qq.com.

TE256.6

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