复合空心玻璃微珠水泥浆体系在长庆定吴区块的应用

闵江本，马学如，张战臣

（1.中国石油川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院，陕西西安 710018；2.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室 陕西西安，710018；3.中国石油川庆钻探工程有限公司长庆固井公司，陕西西安 710018）

定吴区块目前使用的低密度水泥浆主要以粉煤 灰体系和闭孔膨胀珍珠岩体系为主，粉煤灰因其自身密度的局限，浆体密度很难降到1.40 g/cm3以下，这就造成了环空静液柱压力过高，易压漏地层。闭孔膨胀珍珠岩体系虽能将密度调至1.30 g/cm3以下，但珍珠岩自身承压能力低，在固井施工过程中易发生破碎，造成浆体密度升高；珍珠岩形状不规则，造成现场施工流动摩阻大，施工压力偏高，容易压漏地层。空心玻璃微珠因其密度低、需水量小，可配制出一般减轻材料达不到的水泥浆密度，最低能至1.08 g/cm3，但因单独使用其价格昂贵，并未大面积推广使用。本文依据紧密堆积原理，合理控制颗粒级配，以闭孔膨胀珍珠岩和空心玻璃微珠作为主要减轻材料，同时辅以粉煤灰、微硅、碱性高炉矿渣等外掺材料及相关外加剂，研制出一种复合型空心玻璃微珠水泥浆体系，并设计了一套水泥干混工艺。

1 闭孔膨胀珍珠岩及空心玻璃微珠基本特点

闭孔膨胀珍珠岩是一种气孔封闭、呈不规则球状颗粒，内部多孔的空腔结构，理化性能稳定，具有极强的表面活性，价格相对较低[1-2]。但其单独承压能力有限，在混浆搅拌中受到物理剪切或挤压时容易破碎，造成水泥浆密度会有一定程度的增加。

空心玻璃微珠是一种密闭中空的玻璃球体，晶体稳定，呈化学惰性，具有坚硬的外壳，抗压能力强，当静压强度达到 60 MPa 时，球体破碎率小于10%，内部充有一定的空气[3-5]。

采用玻璃微珠配制水泥浆需水量少，玻璃微珠水泥浆的低水灰比也决定了其在同一密度条件下的抗压强度明显高于其他类型的水泥浆强度，但如果单独使用成本过高。

2 水泥浆技术

2.1 复合空心玻璃微珠水泥浆设计

长庆定吴区块是长庆油田主力产油区，该区块地层裂缝发育，漏点多且情况复杂，部分井多次进行钻井液堵漏无果，地层承压能力低，固井易发生压差性漏失，若采用常规水泥浆体系固井，极易压漏地层，造成水泥浆返出困难，从而影响固井质量。

复合空心玻璃微珠水泥浆具体设计如下：①为有效降低领浆水泥浆密度，室内优选一种轻珠和空心玻璃微珠作为复合减轻剂，根据水泥浆性能要求设计低密度高强度水泥浆体系；②一次上返全井段为双凝体系，选择合适的双凝水泥浆界面高度，精准控制环空液柱压力，满足平衡压力固井要求；③水泥浆中加入关键外加剂，保证浆体稳定性、流动性及合适的稠化时间；④水泥浆中加入一定的增强材料（高炉矿渣与碱性激活剂复配而成）和早强剂，增强环空水泥抗压强度，提高水泥浆防窜能力。

2.2 复合空心玻璃微珠水泥浆配方调试

复合空心玻璃微珠水泥浆基础配方体系是由 G级水泥、闭孔膨胀珍珠岩、Y6000 型空心玻璃微珠、增强材料及粉煤灰、微硅等外掺料在一定的比例下配制而成。根据颗粒级配原理及现场需要，调整水泥、玻璃微珠及外掺料比例，基础配方如表1 所示。研究发现，当玻璃微珠加量10%～22%即可配制出密度为 1.19～1.28 g/cm3的性能优良的复合低密度水泥浆，复合低密度水泥浆48 h 抗压强度最高可达12.5 MPa，综合地层漏失当量密度、水泥浆基础性能数据及经济成本，选择配方5、6 作为低压易漏层固井一次上返领浆体系。

表1 不同密度玻璃微珠水泥浆基础配方性能

3 复合空心玻璃微珠水泥浆综合性能评价

3.1 水泥浆配方完善

根据上述复合空心玻璃微珠水泥浆配方调试研究，考虑定吴区块水平井一次上返固井施工特点，结合外加剂使用即可配制出不同密度的性能优良的复合空心玻璃微珠水泥浆，适应现场固井需求。不同温度和密度条件下复合空心玻璃微珠水泥浆体系性能见表2。

3.2 抗压强度

表2 不同密度条件下水泥浆配方完善

空心玻璃微珠水泥浆低需水量就能很好地降低浆体密度，从而比同等密度条件下其他类型水泥浆具有更高的水泥抗压强度。为进一步提高产层和填充结合段水泥浆性能，保证该段水泥环在后期压裂改造过程中的完整性，本文在水泥外掺料合理颗粒级配的前提下，引入一种碱性激活增强材料。

该增强组分能够加速水泥水化反应生成更多的Ca(OH)2，结晶析出更多的C-S-H 凝胶并充满整个水化体系，水化产物之间聚集形成更多的网状结构，可进一步提升整个水泥浆体系的抗压强度，抗压强度具体性能参数见表3。

表3 不同温度、压力条件下水泥浆基础性能

3.3 水泥浆流变性和稳定性

水灰比、降失水剂和减阻剂是调节低密度水泥浆稳定性和流变性的三大关键参数，空心玻璃微珠因其特有的低密度特征，在配制低密度水泥浆时需水量小。

在低水灰比条件下，选择合适的降失水剂和减阻剂将变得至关重要。聚乙烯醇类降失水剂属于水溶性高分子材料，能够在 40～90 ℃水泥浆中形成一种不浸透膜，减少水分向地层浸透，锁住自由水。固井用减阻剂是一种阴离子表面活性剂，能够吸附在水泥表面的正电荷位置，使粒子表面带同种电荷，在同性相斥的原理下抑制水泥颗粒的聚集，水泥颗粒处于一种相对稳定的悬浮状态[6-7]。根据浆体实际情况，选择合适的降失水剂和减阻剂加量，常温常压条件下复合空心玻璃微珠水泥浆流变性能见表4。

表4 常温常压条件下水泥浆流变性和稳定性

为弄清水泥浆性能在实际工况条件下是否会受环境影响而发生变化，本文研究了复合空心玻璃微珠水泥浆在井底温度压力条件下的流变性和稳定性。将复合空心玻璃微珠水泥浆在增压稠化仪中养护至预定温度压力条件（70 ℃/35 MPa）后取出，再进行参数测定，结果显示，水泥浆在井底温度压力条件下流动性和稳定性良好，具体性能指标参数见表5。

表5 模拟井底温度压力条件下水泥浆流变性和稳定性

3.4 水泥浆防漏性能

在固井过程中，对于压差性漏失地层而言，关键在于降低井筒与地层之间的正压差。在水泥浆密度一定的前提下，井筒静液柱压力是一定的，要想降低正压差，就必须提高水泥浆的地层承压能力以减缓和阻止漏失。本文采用20 目钢珠模拟地层渗透性漏失，采用1，2，3 mm 缝板模拟裂缝性漏失，先将缝板置于浆杯底部，装入钢球，再将水泥浆倒入浆杯，加压模拟水泥浆进入地层裂缝的状态，测试水泥浆承压能力（表6）。

表6 水泥浆防漏性能检测结果

实验结果表明，配方1、2 在漏层模型条件下承压能力为3.9～6.4 MPa，说明流动状态下耐压防漏低密度高强度固井水泥浆有一定的承压能力，可以保证在漏层处的滞留凝结，所述减轻剂中闭孔膨胀珍珠岩是一种不规则球状可变形有机材料，水泥浆体在压差作用下，体积向低压端发生膨胀，在裂缝端口即近井壁处快速填充封闭，形成高强度封堵桥塞，从而有效提高地层的承压能力。

3.5 水泥浆耐压性能

按照GB/T 19139-2012 油井水泥实验方法对复合低密度水泥浆进行耐压测试，将制备好的水泥浆倒入浆杯，在增压养护釜内逐级加压后测试其加压后水泥浆密度，与初始水泥浆密度对比，分析发现水泥浆在进行耐压测试后密度增长不明显，密度增长百分比小于5%。这是因为空心玻璃微珠是一种微小，中空的圆球状粉末，具有良好的耐压性能，在加压至50 MPa 条件下稳压1.5 h，在显微镜下观察玻璃微珠，发现破碎者极少[8]。室内实验也表明，空心玻璃微珠加量越大，水泥浆耐压性能越好（表7）。

表7 水泥浆耐压性能检测结果

4 水泥干混工艺优化

固井干灰混拌装置是将水泥、外掺料以及不同用途的干粉添加剂混合系统装置[9-10]。主要由原料罐、底藏罐、混拌罐、成品罐、除尘罐、储气罐、排空管线及中控系统等部件组成。目前长庆区域固井干混工艺均为气动混拌工艺，该混拌装置的优点在于混拌迅速、操作简单，一次性混拌灰量大，但由于混拌罐连接放空管线，当混拌一次混配吨数多或气压过大时，容易造成装置内干粉从排空管线中流失至除尘罐，特别是在混拌低密度水泥或添加剂种类多且加量少的情况下，流失量更为明显。大、小样实验性能差距大，直接影响水泥干混质量，图1 为现用干混装置混灰流程示意图。

复合空心玻璃微珠由多种材料复合而成，各种外掺料、外加剂连同水泥一起共10 种材料。外加剂加量少，且空心玻璃微珠粒径小，质量轻，采用传统干混装置混灰势必造成空心玻璃微珠的流失严重，影响水泥干混质量和水泥浆性能。在原有设备的基础上对混拌罐进行优化升级，一是将原有25 m3大罐改为8 m3小罐，同时在混拌罐内引入杆式叶轮机械搅拌装置，在顶部加装防尘袋和振动器装置；其原理在于，在一个较小的密闭空间内吨水泥干灰进行混拌，控制气压，辅以机械搅拌，使混拌更加均匀。二是在上部装有除尘袋和振动器，当空心玻璃微珠在气压作用下上浮时，直接进入除尘袋中，然后在振动器的作用下再返回批混罐内，从而实现干混过程中的零流失，图2 为改进后的干混装置混灰流程示意图。

图1 现用干混装置混灰流程

5 现场应用

图2 改进后的干混装置混灰流程

2019 年，在长庆定吴区块试验复合空心玻璃微珠水泥浆固完井5 口，该水泥浆现场施工流动性好，施工压力低，水泥返出情况良好，漏失量均在5 m3以下，漏失情况较之前改善明显。现以黄H18-6 井为例进行应用分析。该井井身结构为：φ311.2 mm×506 m+φ244.5 mm×506 m+φ216 mm×3 252 m+φ139.7 mm×3 252 m，水平段长450 m，入窗2 802 m，造斜544 m，垂深2 457.86 m。为提高管串承压能力及井筒完整性，水平井固井采用一次上返，要求全井段封固，注水泥浆、顶替、候凝过程中存在返高不够的风险。

设计井底到入窗以上200 m 采用零析水、低失水增强韧性水泥浆体系，入窗以上200 m 到井口采用复合空心玻璃微珠水泥浆体系，复合空心玻璃水泥干混采用改进后的干混装置进行混配，各混灰批次大样密度均能控制在设计密度范围内，稠化时间均符合设计要求。下套管完大泵循环泥浆2 h，注前置液4 m3，注水泥78 m3，现场施工复合空心玻璃微珠平均密度1.26 g/cm3，与设计相符。替量39.6 m3，起压13.5 MPa，碰压21.0 MPa，稳压断流正常，未漏失，憋压等候凝4 h。经声幅变密度测井评定，水泥返高满足设计要求，固井质量优良。

6 结论

（1）复合空心玻璃微珠水泥浆体系具有零析水、低失水、密度低、抗压强度高、稳定性好等特点，解决了低密度水泥浆无法兼顾低密度、高抗压强度、耐压性强、防漏效果好等技术难题，克服了现有低密度水泥浆功能单一的技术缺陷，满足长庆油田低压易漏地层一次上返固井需要，能提高单井全井段封固质量。

（2）空心玻璃微珠和闭孔膨胀珍珠岩复配，保留了空心玻璃微珠水泥浆体系的耐压特性，闭孔膨胀珍珠岩还赋予水泥浆以膨胀收缩弹性，能进一步提高水泥浆的自堵漏效果。