低密度固井技术

关于低密度固井技术第一页，共四十八页，2022年，8月28日目录

1、前言2、减轻剂的种类3、低密度水泥浆的设计方法4、常用的低密度水泥浆体系与应用第二页，共四十八页，2022年，8月28日低密度水泥浆固井主要解决以下问题：(1)防止易漏地层发生注水泥漏失；(2)能形成较长的封固段，减少自由段，保护套管；(3)减少液柱压差，保护油气层。使用正常的水灰比配制出的纯水泥浆的密度一般大于1.80g/cm3。但是，在易发生漏失地层和低压裂梯度的地层中，就不能承受如此高密度水泥浆的长液柱压力，为此，使用减轻剂来降低水泥浆的密度，所以，在很多特殊地层的固井作业中，我们采取低密度水泥浆体系固井。1、前言第三页，共四十八页，2022年，8月28日常用的减轻剂有：漂珠、膨胀珍珠岩粉、硅酸钠、硬沥青、粉煤灰、硅藻土、沸石、微硅，膨润土等。2.1漂珠漂珠——漂珠是应用最普遍的的水泥减轻材料。2、减轻剂的种类漂珠的主要成分是SiO2，珠内被封闭的气体为N2和CO2。漂珠外壳是由含硅铝的玻璃体组成，故具有一定的活性，能与水泥水化析出的Ca(OH)2或CaSO4作用，生成具有胶凝性质的化合物，提高其强度。第四页，共四十八页，2022年，8月28日其主要的性能参数为：第五页，共四十八页，2022年，8月28日2.2硅藻土硅藻土——是沉积形成的一种多孔、质轻、极易研成粉末的矿产。它结构细微，由许多硅藻的硅质空壳组成，因此孔隙率高，且具有较强的吸附性和化学惰性。由于硅藻土密度低（2.10～2.20g/cm3），比表面积大，吸水量大，因此可有效地降低水泥浆密度。硅藻土中的SiO2含量较大（85～90%），SiO2能与水泥水化产物Ca(OH)2反应，生成水化硅酸钙凝胶，从而促进水泥水化和水泥石强度的发展。2.3微硅微硅——是生产铁硅合金的副产品，密度为2.1～2.6g/cm3，是一种较好的减轻材料，具有极小的颗粒细度，需要有大量的水润湿其表面，相对地降低水泥浆密度。由于微硅颗粒细小，它在水泥颗粒之间起填第六页，共四十八页，2022年，8月28日塞作用，从而改善了水泥石的微观结构，增加了水泥石的致密性，降低了水泥石的渗透率，减少了水泥浆的析水和失水量，并有防腐和稳定水泥浆浆体以及抗高温强度退化的作用。但如果加量过大，将影响水泥浆的流变性能，影响固井质量。由于微硅的SiO2含量高，所以它能提高水泥浆体系的SiO2摩尔含量，防止高温条件下水泥石强度的衰退。微硅绝大部分颗粒粒径在0.02～0.5μm之间。2.4膨润土膨润土——膨润土密度为2.60～2.70g/cm3，是最常用的粘土类水泥浆减轻剂，主要成分是蒙脱石（NaAl2，AlSi3O10.(OH)2），蒙脱石具有极强的吸水性能，在水中体积可以膨胀几倍。其造浆率很高，使水泥含水量增大，并由此使水泥浆密度降低。第七页，共四十八页，2022年，8月28日2.5硅酸钠硅酸钠——可使水泥浆的密度降到1.70～1.37g/cm3，且析水量小。该体系水泥石的后期强度较低，并且渗透率偏高。其适宜的温度为50～70℃，在高温下浆体稳定性变差。2.6硬沥青硬沥青——常用的天然沥青或用沥青氧化法而制得的高软化点沥青，其密度为0.9～1.1g/cm3。硬沥青常与高保水材料（氧化沥青）复合使用。加量2.5%～50%（质量分数）可使水泥浆密度降到1.70～1.37g/cm3。当加量较高时，拌灰困难，故常与膨润土等复合使用。适用温度为150℃以下。2.7粉煤灰第八页，共四十八页，2022年，8月28日粉煤灰——粉煤灰又称飞灰，密度在2.1g/cm3左右。粉煤灰是火电站煤粉燃过的灰烬，主要由含二氧化硅的玻璃体组成。用粉煤灰配制水泥浆可使水泥浆的密度降到1.70～1.60g/cm3。粉煤灰低密度水泥体系具有很高的抗腐蚀能力，其水泥石抗压强度也明显高于粘土体系。2.8氮气将氮气充入水泥浆中，通过加以气泡剂和稳泡剂等表面活性剂，使氮气形成均匀细小的气泡，即所谓的泡沫水泥浆。泡沫水泥浆的最低密度可达0.84g/cm3，具有较高的抗压强度和较低的渗透率。然而，密度低于0.85g/cm3泡沫水泥渗透性增加，其应用范围受到限制。泡沫水泥出现于1979年，它通过向水泥中注入气体（通常是氮气）的方法制成低密度水泥，同时加入表面活性剂和稳定剂，以获得均匀稳定的气泡分布。第九页，共四十八页，2022年，8月28日由于泡沫水泥含水量比其他类型的低密度水泥要少，所以显示出良好的抗压强度。表4泡沫水泥强度顶替模拟试验显示泡沫水泥极好的泥浆顶替特性，这可能是利用它固有的可压缩性，浮力作用或它的赋能作用，由于含有压缩气体，他在环空中膨胀，顶替掉它前边的流体。第十页，共四十八页，2022年，8月28日3.1基本设计方法根据实际地层压力等情况确定水泥浆密度及实验温度，根据地层特性决定使用何种减轻剂，然后展开室内实验，下面分别以一种减轻剂和复合减轻剂为例来说明低密度水泥浆的设计方法。性能良好的低密度水泥体系要求水泥浆具有以下特征：①良好的稳定性，不漂浮、不沉淀；②良好的强度发展；③较好的流动性能；④较低的渗透率；3、低密度水泥浆的设计方法第十一页，共四十八页，2022年，8月28日⑤失水和自由水控制良好。低密度水泥的设计关键要控制好水灰比，不同的低密度材料都有一个经验的需水量，而且还要知道材料的绝对密度即比重，要掌握的原则是在保证水泥浆有良好的流动能力的条件下尽量减少水灰比。表1低密度材料的需水量设计低密度水泥基本步骤是：①先定基本水泥浆，如G级水泥的水灰比为0.44,密度1.89；H级水泥水灰比0.38,密度1.89。第十二页，共四十八页，2022年，8月28日②按基本公式建立方程，求解出减轻剂加量。以漂珠低密度水泥为例，要配置密度为1.60的水泥浆，水泥量则漂珠加量计算过程如下：解一元一次方程可得X=0.09，即漂珠加量是9%。水灰比则为：。③以上推导过程是比较理想的状态，由于减轻剂含杂质等原因，实际设计时，将计算结果作为一个基本参考，通过室内试验对减轻剂的加量和水灰比进行微调，使水泥浆达到要求的流变性能和稳定性。第十三页，共四十八页，2022年，8月28日3.2用颗粒级配原理设计近几年国内外开始用颗粒级配原理设计低密度水泥。颗粒级配原理就是优化水泥与低密度充填材料之间的粒度分布，使材料之间的堆积比例达到最大，减少材料颗粒之间的空隙，从而降低水灰比，提高水泥体系的整体性能。所以利用颗粒级配原理可以设计密度很低的水泥浆体系。水泥体系混合物含有一定数量的颗粒级别，每个级别的粒径范围都很窄，在两个连续的粒径级别之间，平均直径占有很高的比例。图2颗粒级配示意图第十四页，共四十八页，2022年，8月28日堆积系数（PVF）：堆积体积与绝对体积的比值)，是衡量颗粒之间达到给定密实状态时的相容能力。完全一样（单分散相）的球形颗粒最完美的堆积方式是正六角形堆积，其PVF可达0.74。同一种球形颗粒之间任意堆积的PVF是0.64。不同尺寸（多分散相）颗粒堆积时，PVF较高。因为小尺寸颗粒可以充填于大尺寸颗粒之间的空隙，从而使PVF接近于1。设计高性能的低密度油井水泥正是利用这种PVF最大化原理。第十五页，共四十八页，2022年，8月28日①单一粒径的颗粒级配设球形颗粒构成的基本单元是菱形体，所以只要确定菱形体的体积Vf和菱形体内各球体的体积Vb，即可确定出堆积体积系数和孔隙度。设球形颗粒的半径为R,每一边有n个圆球，则菱形体的边长为2nR，菱形体的夹角为θ，可推导出菱形体的体积：菱形体内圆球的总体积：则菱形体的孔隙度为：第十六页，共四十八页，2022年，8月28日当θ＝60°时，φ＝26%，即PVF=0.74当θ＝90°时，φ＝48%，即PVF=0.52所以说同一粒径的颗粒最理想的堆积是正六角型堆积，从上式可以看出，堆积比例与粒径无关。②增加小一级球的孔隙度变化每4个球形颗粒构成一个空隙空间，这其中能填入的小球同时与4个大球相切，小球的球心应位于4个大球构成的四面体的几何中心，四面体中心与四面体顶点的距离应是大球半径和小球半径之和，由立体几何可得出小球半径r1。增加小球后，颗粒体积变为第十七页，共四十八页，2022年，8月28日则孔隙度为：以上计算是假设同一级别颗粒是圆形且颗粒大小是完全一致，并且要达到一定的密实状态才能达到。但事实上各种粉末材料的粒径是在一定范围内按统计规律分布。水泥的松散状态下的堆积比例一般只在45%左右。用颗粒级配原理设计低密度水泥首先要明确各种材料的粒度分布，和各自的密度，再依据所需要的密度进行比例优化。利用颗粒级配原理设计低密度水泥一般需要3种以上的不同颗粒级别的材料。第十八页，共四十八页，2022年，8月28日利用颗粒级配原理设计的低密度水泥具有以下特点：①强度高；②渗透率低；③沉降稳定性好，不容易产生分层；4.1漂珠低密度水泥漂珠低密度水泥是国内目前应用最普遍的低密度水泥体系，漂珠与所有级别的水泥都有很好的相容性，而且漂珠水泥容易混配。但混合过程保证漂珠不从水泥中分离漂浮最为重要，所以珠必须与水泥干混。漂珠水泥的性能好坏不仅设计的水灰比有关，外加剂的选择也非常重要。漂珠水泥对外加剂的要求是：①不会引起漂珠漂浮，但也不能造成水泥浆增稠；②能控制水泥浆的自由水；③能促进水泥浆的早期强度发展。4、常用的低密度水泥浆体系与应用第十九页，共四十八页，2022年，8月28日⑴FSAM漂珠低密度水泥体系FSAM体系为高分子非渗透降失水剂体系，具有较高活性的亲水基团，改善了亲水性能；有机硼做交联剂，两者产生反应，以链状胶束颗粒形态存在于水泥浆中，通过胶束颗粒间的相互吸附，在水泥浆与地层之间形成一层致密的不渗透膜，使水泥浆的API失水很容易地控制在50ml以下。并且胶束颗粒充填在水泥颗粒间的缝隙中，能够有效地阻止地层流体向井筒的运移，达到防气窜与水窜的目的。FSAM防窜水泥浆体系是由主剂FSAM、助剂FSAM-L、分散缓凝剂FSAM-R和早强剂共同组成。室内实验水泥浆性能参数见表2,可以看出FSAM水泥浆体系的API失水、流变性能、24小时抗压强度以及稠化过渡时间都能控制在理想的水平。第二十页，共四十八页，2022年，8月28日表2FSAM体系的常规实验性能注：括号内为稠度30BC到100BC的过渡时间配方:①嘉华G级+8%FSAM+0.03%FSAM-L+0.3%FSAM-R+0.12%FSAM-A+10%漂珠+60%水②嘉华G+8%FSAM+0.023%FSAM-L+0.28%FSAM-R+0.1%FSAM-A+1%PZ-2+10%漂珠+60%水③嘉华G级+3%FSAM+2%DZ-C+3%微硅+0.7%JZ-1+47%水④嘉华G级+5%FSAM+2.5%DZ-C+10%漂珠+10%微硅+0.7%JZ-1＋0.15%JH-1+65%水第二十一页，共四十八页，2022年，8月28日

图2FSAM体系的静胶凝强度发展曲线图3FSAM体系的超声波强度发展曲线6小时强度超过3.5MPa,8小时强度达到10MPa；静胶凝强度增长快，100lb/ft2到500lb/ft2的过渡时间均在20min以内。第二十二页，共四十八页，2022年，8月28日⑵FSAM漂珠低密度水泥体系的应用FSAM漂珠低密度水泥体系在甘肃泾川、镇原地区获得了非常好的应用效果，应用实例见表3，图4-7。第二十三页，共四十八页，2022年，8月28日第二十四页，共四十八页，2022年，8月28日第二十五页，共四十八页，2022年，8月28日4.2硅藻土、微硅复合减轻剂低密度水泥浆体系硅藻土和微硅单独作为减轻剂时由于需水量太大而影响水泥浆的强度和其它性能。根据颗粒级配理论优选出了以硅藻土为主，微硅为辅的复合减轻剂，通过室内实验优选出了以RC800-A为降失水剂、SXY-2为减阻剂、SY为早强剂、SN-2为缓凝剂的LDHS低密度水泥浆体系。水泥浆性能见表4和图8。表4LDHS低密度水泥浆体系综合性能第二十六页，共四十八页，2022年，8月28日配方：①JHG+25%硅藻土＋10%微硅＋2.5%RC800+0.7%SN-2+0.06%SY+1.0%SXY+120%水②JHG+25%硅藻土＋10%微硅＋2.5%RC800+0.9%SN-2+0.06%SY+1.5%SXY+120%水③JHG+25%硅藻土＋10%微硅＋2.5%RC800+0.9%SN-2+0.06%SY+2.0%SXY+120%水④JHG+25%硅藻土＋10%微硅＋2.5%RC800+0.9%SN-2+0.06%SY+1.8%SXY+120%水图8LDHS水泥体系的超声波强度与静胶凝强度第二十七页，共四十八页，2022年，8月28日由实验数据可以得出：①低温强度发展较快，LDHS水泥浆在低温90℃常压条件下早期强度发展较快，24小时抗压强度达19.1MPa，接近了常规密度水泥浆，有利于提高尾管顶部固井质量；②LDHS水泥浆流变性性能好，流动度一般大于24cm，现场易实现紊流顶替，有利于提高水泥浆顶替效率；③LDHS水泥浆超声波静胶凝强度试验结果表明（图5），水泥浆静胶凝强度（SGS）发展速度快、过渡时间短，有利于防止井下油气水窜发生。④在LDHS水泥浆体系中，通过硅藻土和微硅作为水泥减轻剂，增大了水泥体系中的SiO2含量，增加了SiO2/CaO的摩尔比，能有效地防止高温强度的衰退，适合高温深井固井的要求。第二十八页，共四十八页，2022年，8月28日在130℃×24h×21MPa的高温下强度能够达到20.4MPa，这是由于硅藻土和微硅的二氧化硅含量比较高，SiO2和CaO的摩尔比变大，形成大量的抗高温硬硅钙石组分，从而防止高温下强度的衰退。⑤LDHS水泥浆体系地面密度与井下密度一致，确保了入井水泥浆性能达到设计要求。硅藻土、微硅复合减轻剂低密度水泥浆体系在新疆塔河油田的沙70井进行了现场应用。塔河油田储层埋藏深，三开石炭系井径扩大率大，井径不规则，地层破裂压力低，封固段长，固井时易发生漏失，固井质量不理想。为了彻底解决塔河油田尾管固井质量差的技术难题，我们开展了LDHS高强度低密度新型水泥浆体系的研究，并在S70井进行现场应用，固井质量达到优良标准。第二十九页，共四十八页，2022年，8月28日S70井是位于塔河油田艾协克1号构造东南端局部构造高点的一口探井，244.5mm套管下深3898m，三开215.9mm钻头钻深5409.52m，平均井径为253mm，177.8mm套管下深5406.63m，三开完钻泥浆性能：密度为：1.29g/cm3漏斗粘度：38s粘滞系数小于0.10。该井油气层位置在4850m以下，为了有效封固油气水层，同时避免发生漏失，决定采用领浆和尾浆双凝水泥浆体系固井。领浆封固段为3750～4850m，采用LDHS低密度水泥浆固井，尾浆封固段为4850m至井底，采用常规密度水泥浆固井。领浆配方：阿克苏G级水泥＋25%硅藻土＋10%微硅＋2.0%RC800-A+1.8%SXY-2+0.8%SN-2+0.06%SY+110%水(水灰比)第三十页，共四十八页，2022年，8月28日尾浆配方：阿克苏G级水泥＋35%硅粉＋1.2%RC800-A+1.5%SXY-2+0.3%SN-2+43%水（液固比）固井后48h声幅测井曲线，由曲线可以看出：4850～5375m的常规密度水泥浆固井质量达到全优；4850m以上为LDHS低密度水泥浆固井，声幅值均小于40%，评价为良，全井评价为优，实现了油气水层和重叠段的有效封固，解决了塔河油田地层压力低、封固段长和重叠段固井质量差的问题，满足了下一步施工的要求，首开塔北低密度固井成功之先例。第三十一页，共四十八页，2022年，8月28日第三十二页，共四十八页，2022年，8月28日4.3漂珠、微硅复合减轻剂低密度水泥浆体系（1）设计方法漂珠颗粒密度只有0.7g/cm3左右,颗粒直径大（平均粒径150～250μm）。微硅的平均颗粒直径0.15um，远比水泥和漂珠小，所以微硅有巨大的比表面积（15～25m2/g），因而与水泥混合时需要大量的水来润湿其表面，对水灰比的敏感性较强，加量与降低密度的效率也受到限制。采用微硅漂珠复合低密度体系正是利用漂珠和微硅各自的优点，而且又能互相克服对方的缺点，从而能设计出性能好的低密度水泥浆体系，而且微硅颗粒小能够充填在漂珠和水泥颗粒之间的空隙，正好符合颗粒级配原理。第三十三页，共四十八页，2022年，8月28日设计方法式中：SG—混合物比重

ρ—水泥浆密度

v—水与固相百分比,v通常取0.55-0.6对于漂珠微硅水泥体系，设计过程如下：或3B式中：A,B为漂珠和微硅占水泥的质量百分比V取0.55～0.6注：通过室内实验对比，漂珠微硅的比例为4:1～3:1时的强度，流变性能较好；水固比0.55～0.6时水泥浆性能较好。第三十四页，共四十八页，2022年，8月28日（2）复合低密度体系的PVF计算表2水泥、漂珠、微硅的堆积基本参数设1个质量单位的水泥（1千克），漂珠和微硅加量分别是A和B，则三者的松散堆积体积分别是1/1.76(l)、A/0.324、B/0.253；绝对体积分别是：1/3.2、A/0.7、B/2.5。三者相互混合后，由于微硅的颗粒直径非常小，所以可以认为微硅颗粒完全充填于水泥和漂珠颗粒之间，混合物中不考虑微硅的体积。而且水泥颗粒也能充填于漂珠颗粒间空隙。则三者混合后的充填体积为：第三十五页，共四十八页，2022年，8月28日则堆积系数为：假设漂珠加量40%（0.4千克），微硅加量为10%（0.1千克），则堆积系数为PVF=0.75。从上式可以看出，增加微硅加量有助于提高混合物的堆积系数。表3不同加量范围的混合物堆积系数第三十六页，共四十八页，2022年，8月28日微硅漂珠复合低密度水泥体系性能第三十七页，共四十八页，2022年，8月28日备注：JHG-嘉华G；ball-漂珠；MS-微硅；FSAM-降失水剂；DZC,SY-早强剂；USZ-分散剂现场应用HK23井41/2"油层套管固井HK23井二开完钻井深为1647m，套管下深1642m，水泥浆返至地面。裸眼段平均井径170.8mm，裸眼段长1559m，平均井径扩大率12.1%，全井油气层位多，显示良好。水泥浆配方配方：JHG＋40%ball＋10%MS＋10%FSAM＋3.0%DZC＋0.08%SY＋1.5%USZ＋55%水

50℃22小时强度：2880PSI第三十八页，共四十八页，2022年，8月28日配方：JHG＋40%ball＋8%MS＋10%FSAM＋2.0%DZC＋0.1%SY＋1.5%USZ＋55%水60℃24小时强度：2865PSI配方：JHG＋45%ball＋15%MS＋10%FSAM＋2.0%DZC＋0.1%SY＋1.5%USZ＋55%水60℃24小时强度：3717PSI72小时强度：3751PSI第三十九页，共四十八页，2022年，8月28日该配方的静胶凝强度发展曲线：图1抗压强度增长曲线图2静胶凝强度增长曲线

第四十页，共四十八页，2022年，8月28日4.4漂珠、微硅、硅藻土复合低密度水泥浆性能及评价1、外加剂该水泥浆体系由降失水剂DZJ，分散剂DZS，膨胀剂DZP，早强剂DZC组成。DZJ是多种高分子聚合物胶乳型降失水剂，它通过聚合物交联技术形成一层致密完整、有韧性的薄膜，失水量可控制在50ml(30min×6.9MPPa)以内，容易控制，低游离水，高流动度，并有利于提高水泥浆体系的沉降稳定性。第四十一页，共四十八页，2022年，8月28日膨胀剂DZP-1为灰白色粉末，推荐加量为2-4%，膨胀率最大能够达到2%左右，对水泥浆的失水，稠化时间无不良影响，配浆时略为增稠，能够大幅度地增加水泥石的强度。膨胀剂DZP-1属于“刚性”膨胀剂。在水泥浆整个候凝段和凝固后都能保持稳定的膨胀，并补偿充填于水泥石的毛细孔和气孔中，与纤维状的硅酸钙凝胶微晶交织成网络状，使水泥石结构更加致密，从而提高了水泥石的强度和抗渗等性能，改善了水泥环胶结质量，从而能够有效地防止油气水窜的发生。早强剂DZC由无机材料改性而成，外观为白色的结晶体，易溶于水，可干混或湿混，有较宽的温度适用范围。一般加量为0.5～2.0%（BWOC），有利于水泥石早期强度