高密度水泥浆的海外现场应用

王圣明

摘要：针对海外市场（印尼、伊拉克）高压油气井固井特点，注水泥时采常采用高密度含盐和不含盐水泥浆。以颗粒分布原理为基础，优化出加重材料HEMATITE FLOUR;采用优化出的加重材料和抗盐的外加剂配制出了含盐及不含盐的最高密度可达2.3g/ cm3 的高密度高性能水泥浆。并对高密度抗盐水泥浆体系的配方和性能进行了研究，通过紧密堆积实现了高密度水泥浆体系的高性能。该水泥浆在淡水和含9 %NaCl（BZA-1）的情况下均具有较低的失水、较好的流变性能和沉降稳定性等性能，凝固水泥石具有较高的强度，适用于高压油气井的固井施工。在印尼、伊拉克油田现场应用表明该水泥浆体系有良好的适用性。

关键词：固井 水泥浆;高密度;含盐;外加剂

一、概述

在海外市场（印尼、伊拉克）的钻探过程中都不同程度的钻遇了高压地层，因此如何解决高密度水泥浆的性能，提高固井胶结质量一直受到国内外固井界的重视。主要表现为：

1、部分地层异常高压;

2、安全压力窗口窄;

3、高压油气层和盐水层;

一般的超高密度盐水水泥浆体系在使用过程中经常会遇到这些问题：

1、体系不稳定，引起水泥和加重材料的沉降;

2、稠度过高，常温下流动性差，施工密度难以达到设计要求;由于钻井液密度过高，切力又很大，顶替效率难以保证，会对水泥浆性能产生不良影响;

3、降失水剂、分散剂和缓凝剂由于盐的影响而失去作用，有时甚至出现闪凝现象，失水控制困难;

4、盐水水泥浆过渡缓凝，体系的防窜性能较差;由于密度的提高，水泥浆中的有效水泥质材料相对较少，强度发展缓慢，尤其是水泥环的顶部经常出现不凝固，不能满足长封固段固井作业的要求。

因此在设计高密度水泥浆时必须处理好水泥浆的失水控制和流动性的关系;稠化时间和强度发展之间的关系，水泥浆和泥浆、隔离液的相容性、和它们的密度差、切力差等问题，水泥浆中的各类外掺料和水泥的颗粒分布。

二、高密度抗盐水泥浆外加剂优选

由于高密度水泥浆使用了加重剂和较少的水泥胶结物，水泥浆的悬浮稳定性和水泥石强度受到的影响较大。因此在设计水泥浆时，必须在满足配浆和注浆、替浆对流动性能要求的前提下，保证水泥浆在注替过程中停泵时的沉降稳定性和凝结体积的稳定性，包括析水量、水泥石密度分布和凝结体积的收缩等;并在满足密度要求的条件下，保证水泥石的强度。

1、加重剂及其粒度分布的优选

在高密度水泥浆的设计中，加重剂韵选择至关重要。重晶石、钛铁矿、磁铁矿、赤铁矿等均可用作加重剂。对于密度高于2.1g/ cm3超高密度水泥浆，通过对多种加重材料的试验研究，选择一种颗粒较大的铁矿粉作为主要的加重材料，同时结合当今固井水泥浆的新设计理论———颗粒级配原理，选取其余相应的配伍材料加入水泥浆中，在水泥浆中主要有3 个作用：①充填在其他粒子的空隙中，起到紧密堆积的效果;②提高水泥浆的稳定性;③改善水泥浆流动性能。实验表明，铁矿粉密度应大于4.50 g/cm3。加重剂密度高可使水泥浆在加入较少加重剂的情况下就获得要求的密度，有利于水泥浆流动性的调节，也有利于提高水泥石的早期强度。合理的铁矿粉粒度分布是保证高密度水泥浆具有良好综合性能的前提。实验表明，铁矿粉应具有宽的粒度分布，粗细搭配组成的铁矿粉能获得性能较好的高密度水泥浆。另外，铁矿粉应经过精选，以减少其黏度效应。

2、盐（NaCl）对水泥浆性能影响研究

盐（NaCl）作为油井水泥外加剂在固井工程中已被广泛应用，其目的大致可分为：（1）被用作早强剂;（2）平衡地层电解质防止水敏性地层跨塌;（3）防止水泥浆对地层的溶蚀。

（1）盐对稠化时间的影响

图1结果表明水泥浆中加入盐以后会出现掺量小时稠化时间变短、掺量大时稠化时间变长的现象;但随着温度的提高影响有所减弱，而趋势是相同的。而且初始稠度变大，浆体泡沫增多，稠化实验中易产生闪凝、“鼓包”、曲线变差等现象，这些现象对于固井作业都是十分有害的。

（2）盐对水泥失水性能的影响

随着水泥浆含盐量的增加，水泥浆的失水量也会增加，一般在淡水水泥浆中使用的降失水剂也可能失去作用，有些甚至会引起絮凝使水泥浆失去流动性。

（3）盐对水泥石力学性能的影响

通过实验表明，在60℃、常压和饱和盐水条件下，当盐掺量低于5%时，有明显的早强作用，而掺量大于10%时其强度低于纯水泥的强度。含盐量较高的水泥浆强度发展要比原浆慢得多，但水泥石有明显的膨胀作用。

因此，在井下含有浓度较低的盐水层且压力较低时，可以采用抗盐的淡水水泥浆固井;如果是水敏性的泥页岩、蒙脱石、伊利石、退化的绿泥石等黏土矿物，为了避免其膨胀、分散而造成井璧不稳定，如井下有高压盐水层、盐层、碱层、盐膏层等，为防止水泥浆对地层盐溶蚀，则必须使用欠饱和盐水水泥浆或者饱和盐水水泥浆，通常使用低含盐的水泥浆（一般低于10%）固井。

3.BZF101降失水剂的研究

盐对水泥浆的稠化时间和水泥石的力学性能影响是盐的固有特性造成的，不可更改，但它对水泥浆失水的影响是可以通过降失水剂的分子设计选择合适的化学基团提高降失水剂的抗盐能力得到解決。BZF101抗盐降失水剂是一种多元共聚物，在分子结构中引入了屏蔽基团和强吸附基团，使它具有很好的水溶性、优异的降失水性能和抗高温能力;并同时在共聚物中引入分散性好的磺酸盐基团，显著提高了抗污染和抗盐能力;并使水泥浆具有良好的流变性能。在用矿化水、海水、欠饱和盐水、饱和盐水配制的含BZF101的水泥浆可控制API失水在 50mL 以下。

图3、4、5显示了掺BZF101的水泥浆的失水与温度的关系、失水与BZF101掺量的关系和失水与盐含量的关系，结果表明：BZF101使用的温度范围宽，抗盐能力强，失水和掺量的线性关系较好。

4、分散剂的优选

分散剂是高密度水泥浆的重要组成部分，高密度水泥浆由于水固比低，需要加入分散剂改善水泥浆的流变性能和流动度。对于高密度抗盐水泥浆，还要求分散剂具有一定的抗盐性能，消除盐对水泥浆的不利影响。同时要求分散剂还要能够抗温（加温状态下不增加水泥浆稠度），并且与降失水剂相容（不破坏失水性）。通过对分散剂的研究，选择BZD202L 分散剂作为高密度抗盐水泥浆的分散剂，并对分散剂的抗盐性能作了研究。同时在稠化试验中，BZD202L 分散剂具有较好的抗盐性能，加盐后对水泥浆的流变性能影响不大，并且水泥浆失水控制良好，说明BZD202L 与BZF101 相容性好。

5、缓凝剂的优选

在60 ℃以上需要加入缓凝剂对稠化时间进行调节。对于高密度含盐水泥浆，选用的缓凝剂应该具有一定的抗盐性能，同时缓凝剂还应和其他外加剂相容。研究出了可相容的缓凝剂BzR101。

三、高密度抗盐水泥浆性能

高密度水泥浆的实现一般是通过减少水灰比、提高固体材料的堆积密度、提高配浆水的密度和外掺加重材料来完成，选择具有显著早强特性的早强剂以及对水泥石早期强度发展影响的降失水剂和缓凝剂，可获得较高的抗压强度，并易于调整水泥浆的稠化时间;应注意控制降失水剂的加量，使水泥浆具有良好的可泵性.外加剂之间的配伍性要好。

1、控制水泥浆的沉降稳定性

由于水泥浆加重剂的密度和水泥的密度相差比较大，浆体容易沉降，不稳定。超高密度水泥浆在保持必要的流动性的前提下，要尽量控制水泥浆的沉降稳定性，水泥浆稳定性允许相差0.03 g/cm3。

2、水泥浆的流变性能

水泥浆的流变性能与固井作业中保证地面混配密度、降低流动阻力、调节顶替流态、平衡注水泥压力、增大水泥石致密性等密切相关。在设计水泥浆流变性能时，选用最新的固井软件进行了精心计算，满足了固井施工对水泥浆稳定性、失水量、稠化时间、水泥石抗压强度的要求，以达到安全泵注、良好顶替、静止悬浮稳定、减少回落、提高致密性、保证层间分隔效果以及后续工程作业的要求。

3、高密度水泥浆的压稳防窜性能

用高密度水泥浆固井的目的，就是要压住高压地层流体，建立良好的凝结环境，但是，如不能采取有效措施解决体系在凝结过程中的失重问题，将由于体系失重、井底有效压力降低、压不住地层流体、地层流体侵入环空、破坏水泥浆柱的完整性、使其无法形成优质完成的水泥环而引发环空窜流。

4、体系的适应性

室内实验温度、压力与井下实际温度、压力之间难以完全一致，实验材料与现场材料之间、不同批次材料之间难以完全一致，室内混拌条件与现场混拌条件之间存在较大的差别，再加上现场配浆时液灰比波动等原因，使现场所配水泥浆的性能与设计性能之间存在一定的差异，因此，水泥浆体系必须具备良好的适应性，尤其是对前述差异的适应性，以承受其可能造成的不利影响，减小配方设计、调试的工作量，同时，减少现场作业的风险，提高现场作业的可靠性、安全性。

四、高密度水泥浆现场应用情况

根据上述开发或优选的加重剂和外加剂，设计配制了密度从2.1～2.3g/ cm3的高密度水泥浆。并成功应用于印尼，伊拉克高压区块。现场应用下面分别介绍密度为2.1～2.3g/cm3的水泥浆的现场应用情况。

1、密度为2.1g/ cm3 的水泥浆的现场应用

DOLANG-DOLANG#1是位于印度尼西亚马都拉区块的一口探井，完钻井深1336m，φ177.8mm套管下深1329m。钻井液密度：1.91 g/cm3，粘度65s，泥饼：0.5mm，滤失4.2ml/30min，含砂0.3%，PH值：9，n值0.65，k 值0.18。该井具有地层压力系数高、地温梯度高、地层情况复杂等特点。固井前采用了密度為1.88 g/cm3的隔离液。隔离液采用重晶石作为加重剂，加入相应比例的悬浮剂，分散剂，降失水剂等，稠度较低，具有较好的流动性、沉降稳定性，同时与钻井液及水泥浆相容性良好。φ177.8mm套管水泥浆体系固井，采用的是高密度非抗盐水泥浆采用印尼当地RODA-G级水泥，试验温度为77℃，固井质量合格。水泥浆的配方及性能见表1（DOLANG-DOLANG#1φ177.8mm套管水泥浆体系及性能表）

用重晶石作为加重剂，加入相应比例的悬浮剂，分散剂，降失水剂等，稠度较低，具有较好的流动性、沉降稳定性，同时与钻井液及水泥浆相容性良好。水泥浆性能要求高，一级水泥浆体系采用高密度盐水水泥浆体系，水泥浆密度2.25～2.30g/cm3，二级采用1.90g/cm3的常规G级水泥浆体系。现场施工过程中固井质量均合格。

2、密度为2.25-2.3g/ cm3 的水泥浆现场应用

伊拉克哈发亚区块井φ244.5mm套管下深1910～1940mm，φ244.5mm分级箍位置1100m左右。一级固井前泥浆密度2.21～2.25 g/cm3井，粘度80-100s，塑性粘度80～102mPa.s，屈服值20-40pa，本层套管固井施工难度最大，地层压力高，安全窗口窄。采用了密度为1.8 g/cm3的隔离液。隔离液采

五、结论

通过室内研究和海外现场应用，我们好地掌握了高密度水泥浆固井技术的难点、关键和应对措施，形成了配套的高密度水泥浆固井技术：

1、高密度水泥浆，优选出的密度为2.1～2.3 g/m3的高密度水泥浆几乎无自由水;API失水小，可控制在50m l以内;稠化时间灵活、可调;48hr抗压强度> 15MPa，有较高的强度。

2、优选出的密度为2.1～2.3 g/m3的高密度水泥浆在高压油气井固井中浆体稳定，具有较强的失水控制能力、易于调整的稠化时间和良好的抗压强度。

3、高密度抗盐水泥浆可用于含盐膏层异常高压油气井固井，解决固井技术难题。

参考文献

[1] 唐继平，王书琪，陈勉.盐膏层钻井理论与实践.石油工业出版社，2004：220—239

[2]靳建洲，孙富全，侯薇，等.胶乳水泥浆体系研究及应用[J].钻井液与完井液，2006，2：37-39

（作者单位：中国石油集团油田技术服务有限公司）