石油与天然气化工  2018, Vol. 47 Issue (1): 79-82
粉煤灰低密度水泥浆在塔河油田堵漏中的应用
张云华 , 蒋卓颖 , 李雨威 , 王乐     
中国石化西南石油工程有限公司固井分公司
摘要:作为西北油田的重要勘探开发区块之一,塔河油田托普台区块大部分井存在二叠系,井深4 500~5 200 m,厚度50~300 m,在钻遇二叠系时漏失严重, 塔河10区及12区部分无二叠系井也漏失严重,增加了正常钻进难度,耽误钻井时效,可能诱发井下复杂事故, 对油井后期固井等作业影响很大。设计优选粉煤灰低密度水泥浆体系对二叠系进行堵漏。该水泥浆体系密度1.60 g/cm3左右,抗压强度6~8 MPa,漏失严重时可在水泥浆中添加5 mm、10 mm纤维进行复合堵漏,纤维在裂缝中架桥,形成空间网状结构,提高堵漏效果。该水泥浆体系在现场多口井的堵漏作业表明,能有效地提高地层承压能力,大大缩短了钻井周期,为后期钻井及固井施工创造了有利条件。
关键词二叠系    堵漏    固井    粉煤灰    低密度    
Utilization of fly ash low density cement slurry for plugging in Tahe oilfield
Zhang Yunhua , Jiang Zhuoying , Li Yuwei , Wang Le     
Cementing Company of Sinopec Xinan Oilfield Service Corporation, Deyang, Sichuan, China
Abstract: As one of the important exploration and development blocks in the northwest oil field, most of the wells exist Permian in the Tuoputai block at Tahe oilfield, with depth of about 4 500-5 200 m and thickness of 50-300 m. The loss is severe when drilling during the Permian, at the same time, parts of the non-Permian wells are also leaking severely in Tahe 10 and 12 blocks, which increase the difficulties in normal drilling, delay drilling time, it will lead to complex underground accidents, and has great influence of well cementing etc.in the late homework. The fly ash low density cement slurry system was prioritized to plug the Permian in this paper. The density of the slurry system is 1.60 g/cm3, the strength of compression is 6-8 MPa. It could add 5 mm and 10 mm fiber in the cement slurry when the leakage is severe. The fiber is bridged in the crack to form the structure of net space, and improved the plugging effect as well. Through plugging operations of several wells in the field, it could effectively improve the bearing capacity of the formation, greatly saved the drilling cycle and created favorable conditions for the later drilling and cementing construction.
Key Words: Permian    plugging    cementing    fly ash    low density    

塔河油田二叠系地层当量密度为1.10~1.15 g/cm3,钻进时钻井液密度为1.20~1.30 g/cm3,主要由玄武岩、火成岩组成,裂缝、孔洞发育,承压能力不足,钻井过程中易漏、易塌,存在掉块现象[1-3]。采用常规钻井液材料进行堵漏效果不理想,承压不够,大部分井往往在后期固井时再次发生漏失(部分井在下套管过程中已发生漏失,或开泵循环期间发生漏失),井口失返,不能建立循环,造成水泥浆返高不够,满足不了固井要求。若直接固井则不得不降低施工排量,难以满足设计要求,不能有效提高顶替效率,且因二叠系漏失,水泥浆返高不够,漏层以上井段无水泥,需进行挤水泥作业补救,对后期试、采作业造成影响。因此,优选了粉煤灰低密度堵漏水泥浆体系,应用于多口井二叠系堵漏,扫塞后承压效果提高,为后期固井提供有利条件,质量明显提升。

1 粉煤灰低密度堵漏水泥浆体系的筛选
1.1 实验材料与仪器

本实验所用实验材料如表 1所列,实验仪器如表 2所列。

表 1    主要实验材料 Table 1    Main experimental materials

表 2    主要实验仪器 Table 2    Main experimental equipments

1.2 粉煤灰低密度水泥浆设计

塔河油田二叠系深度4 800 m左右,地温梯度1.95 ℃/100 m(经验值),地表温度10.6 ℃(年平均),设计钻井液密度1.30 g/cm3左右,通过地温梯度和压力公式计算及现场实测数据综合分析得出实验条件为95 ℃、60 MPa。设计选用密度1.60~1.65 g/cm3(粉煤灰+微硅)低密度水泥浆进行堵漏,有效控制水泥石48 h抗压强度6~8 MPa,能满足堵漏后下步施工作业承压要求,也可防止水泥石强度过高而扫出新井眼;失水控制在150 mL以内,确保水泥浆能挤入漏失层位;流动度20~24 cm, 以便于现场混配及泵注,稠化时间控制在300~360 min。

1.3 粉煤灰的掺量实验

粉煤灰内因含有大量活性玻璃体,且有潜在的水硬性,通过磨细粉煤灰或化学活化,可提高粉煤灰的活性,并且随着内部玻璃体含量的增加和钙硅比的提高,其水化活性增强[4]。本实验选用密度2.6 g/cm3、活性高的一级粉煤灰作减轻剂进行低密度水泥浆的研究。先确定粉煤灰与油井水泥的比例,通过调整水灰比,使水泥浆密度维持在1.60 g/cm3左右,同时测量水泥浆稳定性、流动度、析水等性能来确定粉煤灰加量,再进行水泥浆其他性能实验。

表 3可看出,维持设计的水泥浆密度1.62 g/cm3左右,水泥浆性能受粉煤灰加量的影响极大,当粉煤灰质量分数低于80%时,水泥浆流动性能较好,但稳定性满足不了要求;当加量大于120%时,水泥浆流态较差,不能达到泵送条件。故选择粉煤灰质量分数100%、液固比0.67进行低密度水泥浆综合性能评价。

表 3    不同粉煤灰掺量下水泥浆性能 Table 3    Performances of cement slurry with different fly ash content

1.4 水泥浆性能实验

通过室内实验,得出不同密度的粉煤灰低密度水泥浆体系,其性能见表 4。

表 4    粉煤灰低密度水泥浆性能 Table 4    Performances of fly ash low density cement slurry

表 4可看出,该粉煤灰水泥浆体系密度为1.65 g/cm3左右,采用水泥、粉煤灰、微硅3种不同粒径颗粒进行级配,可适当降低液固比,改善水泥浆流变性能,提高水泥石致密度,n值大于0.7,K值小于0.5Pa·sn,水泥浆流变性能良好,易于现场混配及泵送入井。水泥浆析水小,稠化时间可调,各项性能均满足堵漏及后期施工要求。

1.5 粉煤灰水泥石强度

由于堵漏对于施工时效要求较高,根据堵漏要求候凝48 h即探塞,做承压试验,继续下步钻井作业。因此,水泥石强度及发展速率很大程度上决定了堵漏作业成功与否。由于粉煤灰活性较低,所配制低密度水泥浆体系中胶凝比例较低,强度发展缓慢。本实验通过合理添加无机盐类早强剂,在水泥水化过程中起催化剂作用,加速水泥硅酸盐组分水化反应速度,促进钙矾石的形成,改善水泥石晶体结构,从而提高水泥石的早期强度[5]。由表 5可看出,添加早强剂后水泥石强度发展迅速,当加量达到2.0%(w)以后,对水泥石性能影响变化不再显著。

表 5    早强剂对水泥石强度影响 Table 5    Effect of early strength agent on cement stone strength

1.6 纤维对水泥浆性能的影响

表 6可知,在分别加入5 mm、10 mm纤维后,对水泥浆稠化时间、流变性能影响不大,抗压强度略有增加。当纤维水泥浆进入地层裂缝时,在裂缝中形成网状结构,同时水泥浆水化反应,水泥石充填其间,堵漏效果与承压能力显著上升[6]。

表 6    纤维对水泥浆性能的影响 Table 6    Effect of fiber on the performance of cement slurry

2 粉煤灰堵漏现场应用
2.1 在TP26X井堵漏应用

TP26X井二叠系位于4 569.00~4 777.00 m,厚度208 m,钻井液密度1.33 g/cm3,井内做承压试验当量密度为1.60 g/cm3,钻井过程中无漏失,设计在4 569.00~4 786.00 m打一水泥塞,封固二叠系,水泥塞长度217 m,钻具下深4 786.00 m左右,采用近平衡法注入设计量的水泥浆,封固二叠系,提高二叠系承压能力,为下步钻进及固井提供良好条件。

水泥浆配方如下:阿克苏G级水泥+w(粉煤灰)100%+w(微硅)7%+w(降失水剂)8%+w(分散剂)8%+w(早强剂)2%+w(缓凝剂)0.5%+淡水(液固比0.66)。水泥浆密度1.62 g/cm3,实验条件95 ℃×63 MPa×60 min,API失水92 mL,流动度23 cm,稠化时间351 min,24 h抗压强度7.2 MPa。堵漏施工流程:注入化学冲洗液4 m3, 1.62 g/cm3低密度纤维堵漏水泥浆21 m3, 替浆36.6 m3, 起钻15柱至水泥浆面以上,反循环洗井,未洗出水泥浆,开井候凝48 h后下钻探塞,水泥塞面符合要求,扫完塞后承压10 MPa。后期钻井无漏失情况,177.8 mm油层尾管下套管及固井过程中无漏失情况,作业连续,固井优质率77.7%。

2.2 在TP136X井堵漏应用

TP136X是部署在塔河油田托普台区块的一口开发井,钻遇二叠系井段5 091.00~5 150.00 m,钻进液密度1.32 g/cm3,二叠系打钻过程中漏失量1 m3/h。设计采用1.65 g/cm3低密度水泥浆挤堵4 986.67~5 172.30 m,满足地层承压要求。下光钻具至井深5 169 m左右,采用近平衡法注入设计量的水泥浆,进行关井挤水泥作业,起钻至水泥塞面上100 m进行反洗,再起钻5柱, 然后挤水泥,憋压候凝。

水泥浆配方如下:阿克苏G级水泥+w(粉煤灰)100%+w(微硅)7%+w(降失水剂)8%+w(分散剂)8%+w(早强剂)2%+w(缓凝剂)0.8%+淡水(液固比0.66)。密度1.63 g/cm3,在100 ℃×65 MPa×40 min条件下API失水88 mL, 流动度23 cm, 稠化时间317 min, 抗压强度8.6 MPa。施工流程:注入冲洗液5 m3,注入1.63 g/cm3水泥浆12 m3,注入后冲洗液1.4 m3,替钻井液40.8 m3,起钻18柱至水泥面以上反循环洗井,再起钻1柱,关井,以排量0.4 m3/min挤水泥作业,共计入6.1 m3水泥浆,关井憋压候凝12 h后开井起出全部钻具,继续候凝36 h下钻探塞;扫塞至井深5 045 m做承压试验,井口试压值为9.64 MPa,30 min压降0.16 MPa,满足设计要求。该井在后期177.8 mm油层尾管固井过程中无漏失情况,作业连续,经测井,优质率达66.4%。

3 总结

(1) 该粉煤灰低密度体系密度1.65 g/cm3左右,控制水泥石强度6~8 MPa,堵漏后不易扫出新井眼,做承压实验满足后期钻井需要,堵漏效果明显。

(2) 粉煤灰价格便宜,货源较广,所配制低密度水泥浆性能稳定,满足堵漏需求,具有较高推广应用价值。

(3) 该体系堵漏效果优于钻井液材料堵漏,成功率较高,缩短了钻井周期。

(4) 经粉煤灰低密度堵漏的井承压较高,避免了在后期固井过程中再次发生漏失的情况,为固井提供了良好条件,保证了施工排量及水泥浆返高,对提高固井质量有保障。

参考文献
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