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大庆油田低密度低温防窜水泥浆体系

文档作者：侯力伟文档来源：大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院		点击数：	更新时间： 2024年02月26日
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第33卷第4期
2016年7月
钻井液与完井液
DRILLING FLUID&amp;amp;COMPLETl0N FLUID
、，01．33 No．4
July 2016
doi：1 0．36968．issn．1 00 1-5620．20 1 6．04．0 1 6
大庆油田低密度低温防窜水泥浆体系
侯力伟
(大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院，黑龙江大庆100142)
侯力伟．大庆油田低密度低温防窜水泥浆体系[J】．钻井液与完井液，2016，33(4)：79．82．
摘要针对大庆油田低温浅层气井长封段固井中，低密度水泥浆终凝时间长，胶凝强度发展缓慢，失水大，防窜性能差，
易产生环空气窜及管外冒气等现象，影响了固井质量。研究了低密度低温防窜水泥浆体系，采用复合型早强剂、聚丙烯酸
酯聚合物胶乳降失水剂、可分散聚合物胶粉防窜剂，改善低密度水泥浆综合性能，在低温条件下，凝结时间缩短了50％，
早期强度提高了46％，渗透率降低了50％，界面胶结强度提高了47％。现场应用18口井，固井优质率提高了11．1％，管外
冒发生率降低了1．6％，低密度低温防窜水泥浆体系能够满足固井施工作业要求，提高了低温浅层长封井固井质量。
关键词低密度；复合型早强剂；防窜水泥浆；胶凝强度；固井质量
中图分类号：TE256．6 文献标识码：A 文章编号：1001．5620(2016)04．0079．04
Low Density Low Temperature Anti—Channeling Cement Slurry Used in Daqing oimeM
HOu Liwei
(Research Institute ofDrilling Engineering Technology,Daqing Drilling Engineering Corporation，
Daqing,Heilongiinng 1 634 1 3)
Abstract In commenting the long，low temperature wellbore with shallow gases in Daqing，the low density cementing slurries used
had long final setting time，slowly developing gel strengths，high filter loss，and poor anti-channeling performance．All these factors
contributed to channeling in annular spaces and bubbling outside the casing string，indicators of poor cementing job．In studying the
low density low temperature anti—channeling cement slurry,the cement slurry was treated with a compound early strength agent，a
polyacrylate filter loss reducer and a dispersible polymer anti-channeling agent，all being used to improve the overall performance of
the slm'ty．At low temperatures，the setting time was shortened by 50％，the early strength increased by 46％，permeability reduced by
50％，and the bond strength of the interface enhanced by 47％．The cement slurry formulation has been used in 1 8 wells，and 11．1％of
the cementing jobs were of excellent quality,bubbling outside the casing string was reduced by 1．6％．The use of the low density low
temperature anti—channeling cement slurry improved the quality of the cementing jobs．
Key words Low density；Compound early strength agent；Anti-channeling cement slurry；Gel strength；Cementing quality
大庆油田从北到南，存在浅气层、气顶气层的
区块较多，埋深在100～800 m之间，部分浅气区
域内已上窜至100 m以上井段，并且部分油水井
存在着易漏层、高压层、浅气层共存的问题⋯，在
钻井过程中多次发生过井喷、管外冒等事故，为降
低钻完井施工的风险和井控难度，采用低密度水泥
浆封固上部浅气层。但使用低密度水泥浆时，在低
温30℃以下，受到低密度水泥石凝结时间长，早
期强度发展缓慢、防窜性能差，界面胶结强度低
等因素的影响下[2-3]，低温浅层固井质量难以保证，
固井施工及后续作业中发生油气水侵、管外冒事故
频发。据统计，萨南区块浅层气井复杂发生率达到
26．3％，增加了安全和环境保护的压力，影响了油
田生产开发。
为此研究了复合型早强剂，采用该早强剂能够
缩短水泥浆的凝结时间，提高水泥石早期强度。采
基金项目：中国石油天然气股份有限公司“重大钻井技术集成配套与装备现场试验”(2014D．4410 o
作者简介：侯力伟，工程师，工学学士，1979年生，现在从事钻完井技术研究工作。电话(0459)4985582；E．mail
houliwei@cnpc．com．cn。
万方数据
80 钻井液与完井液2016年7月
用聚丙烯酸酯聚合物胶乳降失水剂，控制水泥浆失
水量，解决了低温下降失水剂超缓凝问题；采用可
分散聚合物胶粉防窜剂，提高水泥石防窜性能，增
强水泥环界面胶结强度，提高浅气层封隔能力，保
障固井质量，预防固井后层间窜及管外冒发生[4-5]。
1 低密度低温防窜水泥浆
1．1低密度水泥组成
根据大庆油田调整井地质情况及钻井设计要
求，采用1．60 g／cm3低密度水泥浆固井，利用外掺
料本身密度较低和部分减轻材料具有胶凝作用的特
性，实现了水泥浆的低密度，主要由粗微硅(粉煤
灰)、细微硅等组成[6】。
1．2低温早强剂的研选
采用硅酸盐与胺类有机物复合型早强剂，利
用多相加速、分散增溶原理，依靠每种组分含有不
同的官能团，提高水泥浆体的离子强度，增强碱性
浆体的活性强度和水泥中硫铝酸钙的数量，促使相
互交叉搭接形成水泥初期骨架，C—S—H凝胶和
其它水化产物不断填充固化，使水泥的凝结时间缩
短，早期强度得到明显提高【7】。通过自由排列组合
的方式，对早强剂进行复配，最终确定了早强剂配
方A：B：C：D=5：2：1：1。考察了该早强剂对
水泥浆基本性能的影响，结果见表1。由表1可知，
水泥石早期抗压强度随着早强剂的加量增加而增
大，加量5．5％时，抗压强度提高了4．2 MPa；初
凝时间缩短至205 min，终凝时间缩短至35 min，
水泥浆性能稳定，满足施工要求。
表1 早强剂性能评价实验数据表
注：抗压强度实验条件为10℃、24 h；凝结时间实验
条件为27 qc。
1．3低温降失水剂的研选
针对水泥浆在候凝中失水量大、水泥环体积收
缩诱发浅层气外窜、低温下降失水剂超缓凝等问题，
采用聚丙烯酸酯聚合物胶乳降失水剂，通过大分子
链共聚形成交联网络，将水泥浆自由水束缚起来，
控制水泥浆失水量，防止水泥环收缩。同时，利用
聚丙烯酸酯聚合物中的甲基丙烯酸中含有不饱和
键，与水泥凝胶相互连接搭桥，缩短硬化时间，避
免了低温下降失水剂超缓凝。实验以低温早强剂加
量4．5％为基础，结果见表2。由表2可知，随着
降失水剂加量的增加，水泥浆的失水量明显降低；
降失水剂对稠化时间和凝结时间影响不大，降失水
剂加量大于8％时，水泥浆的失水量小于50 mL，
低温降失水剂与低温早强剂具有良好的配伍性。
表2降失水剂加入低密度水泥浆的实验数据表
注：稠化时间实验条件为38℃、15．9 MPa；凝结时间
实验条件为27 oC；失水量实验条件为45℃、6．9MPa。
1．4低温防窜剂的优选
为了提高水泥石防窜性能，采用可分散聚合物
胶粉作为防窜剂，通过聚合物颗粒沉积作用和静电
效应吸附在水泥颗粒表面，与水泥水化物黏结成包
裹状的坚硬固体，改善水泥石的结构形态【5】，并在
水泥基质材料微孑L隙中形成稳定的高柔性和高弹性
聚合物防水胶膜，改善了水泥石的柔性和弹性，降
低了水泥石的渗透性，起到防窜的作用。同时，聚
合物胶粉中含有大量的聚乙烯醇，具有良好的黏结
性能，可改善水泥环界面过渡区结构，提高黏接强
度，改善弱界面现象[8-9]，提高浅气层封隔能力。
在低温早强剂加量为4．5％、降失水剂加量为
8％、防窜剂的加量为3％时，考察了不同温度水
泥石渗透率、界面强度，结果见表3、表4。由表
3可知，在低温下，低密度低温防窜水泥石具有较
低的渗透率，与原浆相比，低密度低温防窜水泥
浆渗透率降低了50％，有利于预防管外冒的发生。
由表4可知，低密度低温防窜水泥浆体系具有较好
的界面胶结强度，与原浆相比，在27℃、48 h下
万方数据
第33卷第4期侯力伟：大庆油田低密度低温防窜水泥浆体系8l
一界面的胶结强度提高了47％，有利于提高低温2 现场试验
浅层封固质量。
表3不同水泥浆体系在不同温度下的渗透率
27℃渗透率／10。p_m2 45℃渗透率／lO一“m2 山0口蚰
／J＼U【l水
24 h 48 h 15 d 24 h 48 h 15 d
低密度原浆0．193 6 0．156 4 0．124 7 0．176 2 0．156 4 0．112 7
筹喜案羹篆。．。9s 6。．。ss 6。．。，s s 0．084 4 0．072 1 0．053 2
表4不同温度下一界面胶结强度
配方岩样至堕塑壁!竺二墨堕壁笙塑壁竺生
．
10℃、48 h 27℃、48 h 45℃、48 h
1．5低密度低温防窜水泥浆评价
为满足低温浅层固井施工要求，考察了不同温
度下，低密度低温防窜水泥浆体系的常规性能，结
果见表5。由表5可知，该水泥浆在低温下，基本
性能满足固井施工要求，与原浆相比，具有较高的
早期强度，27℃、8 h的抗压强度提高了50％；具
有较快的凝结时间，凝结时间降低了46％；具有
较低的失水量，有利于提高低温浅层井固井质量。
表5不同温度下低密度低温防窜水泥浆体系常规性能
2．1试验区概况及地质难点
葡南区块断层发育，有50余条，断距为
10～50 m；油层有效孑L隙度为23．5％，有效渗透
率为47×10‘3“m2；高压层层位集中分布在葡一
组，最高压力系数达1．71；最低破裂压力系数为
1．27～1．38，以往完钻25口井，管外冒4口，发
生率为16％。
新站油田注水开发层位为黑帝庙和葡萄花2套
油层，葡萄花油层为异常高压油层，黑帝庙、嫩二
段发育天然气层，葡萄花层油气比高，易气侵；由
于葡萄花层储层物性差，高压注水，导致葡萄花油
层裂缝开启，油层整体地层压力高，易发生油气
侵；黑、葡油层破裂压力低，最低破裂压力系数为
1．20,-,1．44，易发生井漏。该区块钻完井过程中压
稳与防漏矛盾突出，易发生复杂(油气水侵、漏失
等)，给固井带来难度。
2．2现场试验情况
低温防窜水泥浆体系在复杂疑难井进行现场试
验，现场应用18口井，固井优质率为72．2％，合格
率为100％，应用井无管外冒情况发生。与常规对
比井相比，固井优质率提高了11．1％，管外冒发生
率降低了1．6％。例如：葡110井完钻井深为l 0101TI，
上部应用低密度低温防窜水泥浆封固浅层，下部应
用低温防窜水泥浆原浆【1 0’1l】，封固高压油层，固井
质量见图1。由此可以看出，固井质量优质，无管
外冒情况发生。通过现场试验，低密度低温防窜水
泥浆体系能够有效防止低温下环空气窜和管外冒的
发生，提高固井质量。
——■——■■■●■——●—■—■■I I———III If一
0 ^5Il ’．
万方数据
82 钻井液与完井液2016年7月
3 结论
1．采用理论分析及实验方法研选出的硅酸盐与
胺类有机物复合型早强剂、聚丙烯酸酯聚合物胶乳
降失水剂、可分散聚合物胶粉防窜剂，确定了低密
度低温防窜水泥浆体系的配方。
2．低密度低温防窜水泥浆体系，在低温环境下，
具有凝结时间短，早期强度高，渗透率低，界面胶
结强度高等特点，满足低温浅层长封固井要求。
3．通过现场试验表明，低密度低温防窜水泥浆
体系能提高高压层固井质量，预防浅层气井固井后
发生管外冒。
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