南方公司低密度固井技術(shù)

1、中石化勘探南方分公司低密度固井技術(shù)南方探井上部陸相地層承壓能力較差，如采用常規(guī)密度水泥漿體系，固井過程中容易發(fā)生漏失。針對此類情況，優(yōu)選了高強度低密度漂珠微硅低密度水泥漿體系，降低固井井漏的風險。1.適合南方海相長封固段低密度水泥漿設計1.1低密度水泥漿性能要求性能良好的低密度水泥體系要求水泥漿具有以下特征：l 良好的穩(wěn)定性，不漂浮、不沉淀；l 良好的強度發(fā)展；l 較好的流動性能；l 較低的滲透率；l 失水和自由水控制良好。低密度水泥的設計關鍵要控制好水灰比，不同的低密度材料都有一個經(jīng)驗的需水量，而且還要知道材料的絕對密度即比重，水泥漿加水量的原則是在保證水泥漿有良好的流動能力的條件下盡量減少

2、水灰比。1.2設計原理利用顆粒級配原理優(yōu)化水泥與低密度充填材料之間的粒度分布，使材料之間的堆積比例達到最大，減少材料顆粒之間的空隙，從而降低水灰比，提高水泥體系的整體性能。干混物的堆積體積百分比（PVF）是衡量顆粒之間達到給定密實狀態(tài)時的相容能力。將干粉混合物充滿一個容器中并達到給定的壓實程度，將容器體積被干粉實際占容器中的體積（絕對體積）除，便可測出PVF。PVF實際就是堆積密度與比重（絕對密度）的比值。完全一樣（單分散相）的球形顆粒最完美的堆積方式是正六角形堆積，其PVF可達0.74。同一種球形顆粒之間任意堆積的PVF是0.64。當干粉顆粒具有越多不同尺寸（多分散相）時，PVF越高。因為小

3、尺寸顆?？梢猿涮钣诖蟪叽珙w粒之間的空隙，從而使PVF接近于1。設計高性能的低密度油井水泥正是利用這種PVF值最大化原理。對單一粒徑顆粒來講，可以設球形顆粒構(gòu)成的基本單元是菱形體，只要確定菱形體的體積Vf和菱形體內(nèi)各球體的體積Vb，即可確定出堆積體積系數(shù)和孔隙度。設球形顆粒的半徑為R，每一邊有n個圓球，則菱形體的邊長為2nR，菱形體的傾角為，可推導出菱形體的體積： 菱形體內(nèi)圓球的總體積：則菱形體的孔隙度為：當60°時，26%，即PVF0.74當90°時，48%，即PVF0.52所以說同一粒徑的顆粒最理想的堆積是正六角型堆積，從上式可以看出，堆積比例與粒徑無關。為實現(xiàn)顆粒級配，

4、可以采取添加不同粒徑尺寸的顆粒。設每4個球形顆粒構(gòu)成一個空隙空間，這其中能填入的最大小球同時與4個大球相切，小球的球心應位于4個大球構(gòu)成的四面體的幾何中心，四面體中心與四面體頂點的距離應是大球半徑和小球半徑之和，由立體幾何可得出小球半徑r1。增加小球后，顆粒體積變?yōu)椤t孔隙度為： 以上計算是假設同一級別顆粒是圓形且顆粒大小是完全一致，并且要達到一定的密實狀態(tài)才能達到。但事實上各種粉末材料的粒徑是在一定范圍內(nèi)按統(tǒng)計規(guī)律分布。水泥的松散狀態(tài)下的堆積比例一般只在45%左右。1.3復合低密度減輕劑優(yōu)選減輕劑主要是用來降低水泥漿密度，以降低注水泥作業(yè)后環(huán)空靜液柱壓力，有助于防止壓力薄弱的地層而引起井漏，

5、有利于提高固井質(zhì)量。減輕劑依據(jù)其作用機理的不同可分為三類：一類是通過減輕劑材料的強吸附能力而提高水灰比來降低水泥漿密度，這類材料主要有膨潤土、粉煤灰、硅藻土、火山灰等；另一類是低密度材料減輕劑，這類減輕劑因其自身密度比水泥輕，加入水泥漿后可以使水泥漿密度降低，如漂珠、玻璃微珠、硅酸鈉、硬瀝青等；第三類是泡沫水泥，以向水泥漿中充氣或化學方法發(fā)氣的辦法，形成泡沫水泥使之形成超低密度。常用的低密度材料主要有漂珠、微硅、硅藻土。漂珠是應用最普遍的的水泥減輕材料。磨細的煤粉在電廠鍋爐內(nèi)燃燒后，排出爐外時受到急冷，其中的灰粉熔融并在表面張力的作用下團縮成球形。粉煤灰排入水池中，大顆粒，含未燃盡的顆粒以及表

6、面已破損能夠吸水的顆粒，即比水重的顆粒沉入池底，少量密閉而比水輕的顆粒漂浮與水上。將這些漂浮與水上的顆粒收集起來，烘干后就是漂珠，也就是粉煤灰的進一步分選產(chǎn)品。漂珠外殼是由含硅鋁的玻璃體組成，故具有一定的活性，能與水泥水化析出的Ca(OH)2或CaSO4作用，生成具有膠凝性質(zhì)的化合物，提高其強度。漂珠的主要成分是SiO2，其含量為5559%，顆粒粒度大，粒徑40250m，珠內(nèi)被封閉的氣體為N2和CO2。漂珠的平均密度只有0.7g/cm3，所以主要用于超低密度高強度水泥體系，解決易漏地層和地熱井、熱采井固井施工問題。漂珠顆粒密度只有0.7g/cm3左右，顆粒直徑大（平均粒徑150250m），在水

7、泥漿中會產(chǎn)生大于自身重力的浮力而上浮，使水泥漿體系失穩(wěn)產(chǎn)生分層，固井時會造成封固段上部封固不良。微硅的平均顆粒直徑0.15um，遠比水泥和漂珠小，所以微硅有巨大的比表面積（1525m2/g），因而與水泥混合時需要大量的水來潤濕其表面，對水灰比的敏感性較強，加量與降低密度的效率也受到限制。采用微硅漂珠復合低密度體系正是利用漂珠和微硅各自的優(yōu)點，而且又能互相克服對方的缺點，從而能設計出性能好的低密度水泥漿體系，而且微硅顆粒小能夠充填在漂珠和水泥顆粒之間的空隙，正好符合顆粒級配原理。另外根據(jù)漂珠的耐壓程度，在壓力超過40MPa條件下，優(yōu)選了特殊中空玻璃微珠作為減輕劑，避免了因漂珠破碎而導致水泥漿密度

8、的上升。所選用的HGS中空玻璃微球是一種堿石灰硼硅酸玻璃，不溶于水和油，具有不可壓縮性，呈低堿性。其直徑在15-125um間，外觀為純白色，流動性好。在顯微鏡下觀察為具有銀白色光澤的球體，中空，有堅硬的外殼，殼內(nèi)為稀薄氣體，最高可以承受124MPa的壓力。2.漂珠微硅低密度水泥漿體系綜合性能研究和評價2.1 設計方法以往設計水泥漿密度都是以經(jīng)驗和實驗為依據(jù)，最后確定水泥漿各組份間的比例關系，這里采用一種新的設計方法，其設計過程如下：即先確定需要的密度，然后得出所需混合物的比重，然后再確定混合物組份之間的比例關系。即：式中：SG-混合物比重 -水泥漿密度 v水與固相百分比, v通常取0.5-0.

9、6對于漂珠微硅水泥體系，結(jié)合室內(nèi)室內(nèi)實驗結(jié)果，設計過程如下：或3B式中：A,B為漂珠和微硅占水泥的質(zhì)量百分比漂珠和微硅的比例關系為經(jīng)驗關系V取0.55-0.6注：通過室內(nèi)實驗對比，漂珠微硅的比例為4:13:1時的強度，流變性能較好；水固比0.55-0.6時水泥漿性能較好。2.2 配方優(yōu)選實驗優(yōu)選了降失水劑FSAM、分散劑DZS、膨脹劑DZP、早強劑DZ-C和SY提高低溫下強度。優(yōu)選的微硅漂珠復合低密度水泥體系具有密度低，失水小，強度優(yōu)異的特點。通過合理設計，使水泥體系的水灰比較常規(guī)低密度水泥減少，并保持良好的流變性能，這也是提高低密度水泥強度和其他性能得主要措施之一。低密度水泥漿綜合配方與性能

10、見表2-1。表2-1 漂珠微硅低密度水泥漿性能配方序號水泥漿配方（水均為水固比）密度（g/cm3）1JHG35%Ball12%MS8%FSAM-J3.2%DZS2%DZC0.2%SY0.05%DZH55%水1.342JHG30%Ball10%MS8%FSAM-J3.2%DZS2%DZC0.2%SY0.05%DZH55%水1.373JHG20%Ball8%MS8%FSAM-J1%DZP2%DZS1%DZC0.1%DZH55%水1.454JHG20%Ball5%MS8%FSAM-J0.8%SXY-21%DZC0.1%DZH0.05%SY60%水1.475JHG12%Ball5%MS8%FSAM-J

11、1%DZP2%DZS1%DZC0.12%DZH55%水1.556JHG10%Ball3%MS6%FSAM-J1%DZP2%DZS1.5%DZC0.5%DZH60%水1.65配方序號實驗溫度流變性能600/300/200/100/ 6/ 3抗壓強度（MPa）稠化時間113×60min×60MPaAPI失水（ml）24h30（72h）195155/89/60/38/11/919.89.998（6）min27295133/78/54/31/7/618.510.6101（9）min11395146/82/56/32/14/1217.712.5126（8）min949590/55/4

12、4/31/19/1616.912.6171（12）min2159559/29/21/14/5/416.614.3219（11）min18695140/81/58/34/6/418.415.8319（7）min39水泥漿性能評價：（1）低密度水泥體系的密度可控制在1.341.65g/cm3；（2）抗壓強度高，24h抗壓強度14MPa，早強劑DZC與SY復合使用效果更佳。并且早期強度發(fā)展快，靜膠凝強度過渡時間短（圖2-8）；（3）能有效地控制失水，F(xiàn)SAM-J摻量在58%（BWOC）之間，可使水泥漿API失水控制在50ml以內(nèi)；（4）流變性能優(yōu)異且各外加劑之間有良好的配伍性；（5）稠化時間過渡時間

13、短均小于12min（圖2-7）。（6）經(jīng)過早強劑DZC與SY復合使用，使低密度水泥漿有良好的低溫強度。 圖2-1低密度水泥漿稠化曲線圖2-2低密度水泥漿體系強度發(fā)展與靜膠凝強度發(fā)展3.南方公司低密度固井工作量統(tǒng)計2007年1月至2009年10月，中石化勘探南方分公司共對36口井，44井次應用了漂珠微硅低密度水泥漿體系進行了固井施工，固井合格率100%，為南方海相固井技術(shù)提供了有力的技術(shù)保障。固井工作量見表2-2年份井號固井方式水泥漿密度固井質(zhì)量備注2007龍8井尾管1.42普光10井尾管1.57表套1.43河壩102井技套1.60元壩2井技套1.62老君1井尾管1.55大灣402井技套1.60

14、大灣3井技套1.45雙廟101井技套1.35普光12井尾管1.60普光12井表套1.65普光12井尾管1.50新清溪1井技套1.55清溪2井表套1.47清溪3井技套1.50雷北1井技套1.53鐵北1井技套1.48河壩1井表套1.35元壩102井表套1.45東岳1井表套1.602008老君2井尾管1.68大灣402井尾管1.69大灣402井尾管1.65分1井技套1.62大灣3井尾管1.60三星1井尾管1.50新黑池1井技套1.57毛壩7井技套1.45雙廟102井表套1.44雙廟102井技套1.53建深1井尾管1.49河壩101井技套1.34河壩101井尾管1.56馬102井技套1.60毛壩8井技

15、套1.57簰深1井尾管1.522009仁和1井表套1.32馬101井技套1.55新黑池1井尾管1.45河壩107井技套1.30元壩9井尾管1.50河壩104井尾管1.52合計444.應用實例分析河壩101井一開過程中共有17處發(fā)生井漏，且多為突發(fā)性失返漏失。在鉆井過程中分別采取橋漿堵漏、DTR堵漏法進行了19次堵漏施工，均未見明顯效果，一開累計漏失鉆井液1846.88m3。在一開完鉆后，為防止固井過程中出現(xiàn)漏失，進行了三次打水泥塞堵漏，但在掃塞過程中又多次發(fā)生井漏。設計全井采用了低密度水泥漿體系，其中領漿采用密度1.35 g/cm3，尾漿采用1.60 g/cm3。施工共注入1.35g/cm3低密度領漿145m3，密度為1.60g/cm3低密度尾漿40m3，密度為1.70g/cm3低密度尾漿10m3。水泥漿返出正常，累計返出60m3。電測優(yōu)質(zhì)段長914m，優(yōu)質(zhì)率55.03%；合格段702m,合格率97.3%；不合格段45m, 不合格率2.7%。圖4-1為河壩101井固井聲幅解釋圖