粉煤灰复合低密高强水泥浆技术及其在南海西部东方1―1气田的应用
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【摘 要】东方1-1气田其主要为生产井和调整井，其地层压力系数高，储层温度高，且富含有二氧化碳等酸性气体。为保证东方1-1气田的井筒完整性，针对20”套管及13-3/8”套管要求低成本全封固井，同时要求固井过程中保证不能压漏地层。本研究开发了以粉煤灰为复合材的低密高强水泥浆技术，其结合了海洋固井作业特点，需要在泥线低温处24hr内迅速达到低高早强的要求，同时本体系室内最低密度可低至1.43g/cm3，在东方1-1气田应用最低应用密度为1.55g/cm3，本体系在泥线26℃时12小时即可达到支撑套管500psi强度要求，24hr达到1105psi强度要求。东方1-1气田现场应用表明：该体系较漂珠1.55g/cm3体系比较，性能更加稳定，沉降稳定性好，无自由液，有一定的防窜功能，水泥石强度长期发展良好，配方简单，现场施工方便，成本大幅降低，能较好的满足生产井和调整井中长封固的固井作业要求。
【关键词】低密；低温；高强度；水泥浆；长封固；粉煤灰
0 前言
东方1-1气田位于南海北部湾莺歌海海域，水深约63m（相对海图水深基准面）。距海南省莺歌海镇约100km，距东方县113km，距梅山约139km.东方1-1气田其主要为生产井和调整井，其地层压力系数高，储层温度高，且富含有二氧化碳等酸性气体。为保证东方1-1气田的井筒完整性，针对20”套管及13-3/8”套管要求全封固井，同时要求固井过程中不能压漏地层。20”套管及13-3/8”套管环空大，封固段长，对体系的成本也提出了较大的挑战。以往都是使用人造漂珠或者天然漂珠等低密度体系进行封固，既可以保证低密度的同时，也能达到快速高早强的要求，大大节约了平台等待时间的费用。但是漂珠体系成本高，引入粉煤灰复合材的低密度水泥浆体系，很好的解决了低温、低密、高早强的技术难题。
1 粉煤灰复合材低密高强水泥浆体系构建
1.1 粉煤灰复合材低密高强水泥浆体系设计原理
使用活性较好的粉煤灰作为浆体的减轻剂，降低浆体的静止当量密度（ESD），同时降低体系成本；加入提高水泥早强技术的材料BT3，通过粉煤灰、BT3、水泥三种外渗料与水泥之间的颗粒级配的密实技术，配套使用高效的激活剂AJH，构建粉煤灰复合材低密高强水泥浆体系（简称PC-LITESTONE体系）。
1.2 粉煤灰复合材低密高强水泥浆体系主要构成
减轻剂粉煤灰：1）能降低浆体密度；自身密度在2.00SG-2.30SG之间；2）能降低自由水作用；比表面积大；3）成本低廉；4）后期能显著提高水泥石的抗折强度；5）在增加抗压强度及抗折强度同时，不增加任何的脆性；6）具有较好的水泥石耐久性。
增强剂BT3：一种质地均匀的固态粉末，当降低浆体密度时，即使水固比很高，依然可以很好的提高水泥浆的早期强度。
激活剂AJH：粉煤灰短期一般表现出较强的惰性，AJH能够在短期内迅速激发粉煤灰活性，同时也可以激发水泥的二次水化作用，形成更多的具有胶结作用的C-S-H硅钙胶凝体，促进水泥固化过程的胶凝强度快速发展，增加气窜阻力，降低水泥石渗透率，提高凝固水泥的最终抗压强度[1-2]。最大程度、最快速的提高水泥石的早起强度。
2 粉煤灰复合材低密高强水泥浆体系性能评价
2.1 体系常规性能评价
经过多次材料和配方优选实验，调整各组成材料的掺量和水灰比，根据具体的实验条件选用不同的外加剂，可配制出性能优良、成本低廉的水泥浆配方，性能如表1、表2所示。
表1、表2实验结果表明：PC-LITESTONE体系的流动性能非常好，浆体流变性能好，且浆体其他性能稳定，无沉降、无自由液，失水量小，且抗压强度高。
表1 流变性能对比（30℃）
配方1： 500g SD”G”级水泥+350g 淡水+120g 粉煤灰+130g增强剂PC-BT3 +15g G80L+6g F45L +激活早强剂10g AJH+15g PC-A96L +CX60L 2g消泡剂
配方2： 300g SD”G”级水泥+360g 淡水+175g 粉煤灰+155g增强剂PC-BT3 +24.5g G80L +36g PC-A96L+15g AJH +CX60L 2g消泡剂
配方3：200g SD”G”级水泥+343g 淡水+150g 粉煤灰+150g增强剂PC-BT3 +18g G80L+激活剂35g AJH+25g A96L+1g A97L+CX60L 2g
配方4：220g SD”G”级水泥+409g 淡水+150g 粉煤灰+132g增强剂PC-BT3 +18g G80L+激活剂35g AJH+25g A96L+1.1g A97L +CX60L 2g
配方5：220g SD”G”级水泥+440g 淡水+143g 粉煤灰+132g增强剂PC-BT3 +24g G80L+激活剂35.2g AJH+25g A96L+1.1g A97L +CX60L 2g
表2 体系综合性能对比
备注：配方同上.
2.2 体系防窜性能评价
长期以来国内外固井作业者和相关的研究院所对固井过程中的油气水窜流原理以及抑制、防止方法进行了大量室内研究和现场应用研究，虽然没有API标准，但也开发出了一些评价防窜添加剂和防窜能力的水泥浆体系是否具有良好的防窜能力的方法[3-4]：
哈利伯顿公司SPN值计算法，SPN值反应了水泥浆失水量及水泥浆凝固过程阻力变化系数A值对气窜的影响：
SPN=QAPI X A
A=0.1826[（T100Bc）1/2-（T30Bc）1/2]
水泥浆API失水量越低.稠化时间T100Bc与T30Bc的差值越小，即在此稠化时间内阻力变化越大，A值越小，SPN值也越小，防气窜能力越强。表3为中石化企业标准，表4为体系的防窜能力级别评价。
表3 SPN值与防窜能力级别
备注：防窜能力评价为“中国石油化工集团公司企业标准《川东北天然气井固井技术规范》[5]”.
表4 PC-LITESTONE体系SPN值与防窜能力级别
备注：防窜能力评价引用表3标准.
以上实验结果表明，体系的SPN值仅仅1.1，体系具有极好的防窜能力。
2.3 PC-LITESTONE体系水泥石长期强度发展实验
为研究水泥石能否满足井底长久生产作业需求，笔者进行了水泥石超声波静胶凝强度（UCA）发展实验研究，实验结果如表5：
表5 水泥石强度长期发展UCA实验
备注：PC-LITESTONE体系浆体密度1.55g/cm3，实验温度26℃，稠化时间270分钟.
实验结果表明，1个月的强度养护后发现，PC-LITESTONE体系具有较好的长期强度发展。
3 现场应用
依据现场东方-1气田实际情况，在F1＼F2＼F3＼F4＼F5＼F6＼F7h井的表层20”套管使用PC-LITESTONE体系的1.55g/cm3水泥浆进行全封固井，封固裸眼长为500米；13-3/8”技术套管使用PC-LITESTONE体系的1.60g/cm3水泥浆进行全封固井，封固裸眼长为2070米；9-5/8”技术套管使用1.70g/cm3水泥浆进行首浆固井，封固至上层套管鞋100米。现场作业表明：使用基于粉煤灰复合的PC-LITESTONE体系固井20次，水泥浆流变性能良好，密度稳定，抗压强度高，低温强度发展快，长久强度高，且成本较漂珠体系大幅降低，完全满足东方1-1气田的表技套作业要求，作业质量优良。
4 结论
通过以上实验研究，可以得出以下结论：
1）PC-LITESTONE体系性能稳定，沉降稳定性好，无自由液，水泥石强度长期发展良好；
2）体系SPN值仅为1.1，具有较好的防窜效果；
3）该体系满足表层套管到技术套管、从低温泥线到9-5/8”技套高温封固要求。
【参考文献】
[1]姚晓，许仲梓.低温下油井水泥石孔结构与抗压强度的关系[J].南京工业大学学报，26（1）.
[2]D. G. Calvert，Determination of Temperatures for Cementing in Wells Drilled in Deep Water IADCISPE 3935[Z].
[3]GB-T19139-2003油井水泥试验方法[M].页码：83.
[4]Fred L.sabins. The relationship of thicking time，gel strength，and compressive strength of oilwell cements[Z]. SPE 11205，1986.
[5]Q/SH0014-2007中国石油化工集团公司企业标准“川东北天然气井固井技术规范”[S].