董军 顾龙辉 徐淼
中国石油集团西部钻探工程有限公司固井公司 新疆 克拉玛依 834000
摘要：坚戈油田主要为生产井和评价井，其上部地层压力系数低，地温梯度高，且为保证油田的井筒完整性，针对Φ426mm套管及Φ324mm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，其结合了钻井提速需求，要求在表层低温处24h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1.40g/cm3，在坚戈油田应用最低应用密度为 1.45g/cm3。本体系在30℃时12小时即可达到支撑套管3.8MPa强度要求。坚戈油田现场应用表明：该体系较漂珠 1.45g/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中长封固的固井作业要求。
关键词：低密；高强；水泥浆；粉煤灰
1 前言
坚戈油田位于哈萨克斯坦阿克套市，距离热得拜镇约100km，主要为生产井和评价井，其上部地层压力系数低，且为保证油田的井筒完整性，针对Φ426mm套管及Φ324mm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。表层Φ426mm套管及技术套管Φ324mm套管套管环空大，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，大大节约了钻井等待时间的费用。但是漂珠体系成本高，引入粉煤灰复合材料低密度水泥浆体系，很好的解决了低温、低密、高早强的技术难题。
2 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；加入提高水泥早强材料CA66，通过粉煤灰、CA66、水泥三种外渗料与水泥之间的颗粒级配的密实技术，配套使用高效的促凝剂ST，构建粉煤灰复合材低密高强水泥浆体系。
1.2 粉煤灰复合材料低密高强水泥浆体系主要构成
粉煤灰复合减轻剂：1）能降低浆体密度；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。
早强剂CA66：一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。
促凝剂ST： ST在加快水泥水化作用速度的同时，能够激发粉煤灰活性，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 粉煤灰复合材料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：粉煤灰复合材料低密水泥浆体系的流动性能好，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 流态心能对比（30℃）
配方1：600g 俄G级水泥+310g淡水+102g粉煤灰复合减轻剂+42gSC-2稳定剂+22g早强剂CA66+15gF12L+促凝剂13g ST+CX60L2g消泡剂
配方2：600g 俄G级水泥+300g淡水+130g粉煤灰复合减轻剂+42gSC-2稳定剂+28g早强剂CA66+15gF12L+促凝剂14g ST+CX60L2g消泡剂
配方3：500g 俄G级水泥+310g淡水+150g粉煤灰复合减轻剂+40gSC-2稳定剂+40g早强剂CA66+15gF12L +促凝剂20g ST+CX60L2g消泡剂
配方4：500g 俄G级水泥+310g淡水+175g粉煤灰复合减轻剂+40gSC-2稳定剂+45g早强剂CA66+15gF12L+促凝剂14g ST+CX60L2g消泡剂
配方5：400g 俄G级水泥+320g淡水+120g粉煤灰复合减轻剂+40gSC-2稳定剂+44g早强剂CA66+15gF12L+促凝剂10g ST+CX60L2g消泡剂
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：
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。SPN的评价标准为：
0＜SPN≤3.0，防气窜效果极好； 3.0＜SPN ≤6，防气窜效果中等；
SPN ＞6，防气窜能力差
表3 粉煤灰复合材料低密水泥浆体系SPN值与防窜能力级别
水泥浆性能系数法SPN计算值为1.38＜3，防气窜效果极好，表明粉煤灰复合材料低密高强水泥浆体系具有很强的防窜能力。
2.3 粉煤灰复合材料低密高强水泥浆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4：
表4 水泥石强度长期发展UCA实验
实验结果表明，1个月的强度养护后发现，粉煤灰复合材料低密高强水泥浆体系具有较好的长期强度发展。
3 现场应用
依据现场坚戈油田实际情况，在236/209/230/229井的表层Φ426mm套管使用粉煤灰复合材料低密高强水泥浆体系的1.60g/cm3水泥浆进行全封固井，封固裸眼为300米；Φ324mm技术套管使用粉煤灰复合材料低密高强水泥浆体系的 1.45g/cm3水泥浆进行全封固井，封固裸眼长为1600米；Φ244.5mm技术尾管使用 1.45g/cm 3 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：使用粉煤灰复合材料低密高强水泥浆体系固井12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，完全满足坚戈油田表技套作业要求，作业质量合格。
4 结论
通过以上实验研究，可以得出以下结论：
1）粉煤灰复合材料低密高强水泥浆体系性能稳定，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值为2.9，具有较好的防窜效果；
3）该体系满足表层套管到技术套管，从低温到Φ244.5mm技术尾高温封固要求。
【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 inDeep 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 compressivestrength of oilwell cements[Z]. SPE 11205，1986.