高含硫气井高活性低密度水泥浆体系及关键配套固井工艺研究
张顺平^1,4 刘桓竭² 廖富国³ 邓天安² 王贵富¹

1.中国石油集团工程技术研究院有限公司，北京100195

2.中国石油西南油气田分公司开发事业部，四川成都 610066

3.中国石油集团川庆钻探工程有限公司川东钻探公司，重庆400021

4.油气钻井技术国家工程实验室，北京100195

摘要：川东北地区铁山坡和渡口河-七里北区块三开技套从沙二段至须家河组，存在多个活跃气层和漏层，恶性漏失频发，地层承压当量密度仅1.10～1.30g/cm³，水泥浆一次上返难度大。上部井段漏失，中部井段有油气，下部有盐膏层，复杂的地质构造使固井施工面临易漏失、易窜流、难下入、高含硫、长封固等难点，对固井水泥浆的防窜性能、顶替效率和固井质量提出了更高要求。针对以上难点，以紧密堆积理论为基础，配合关键的高活性材料和高性能中空玻璃微珠，研究了一套高活性低密度水泥浆体系，该体系密度范围：1.20～1.50g/cm³，起强度时间快、抗压强度高、抗硫化氢腐蚀性能强，同时研究了配套的预应力固井、混浆见返降排量防漏等关键工艺。为低压易漏、漏溢同存井优质快速建井、保障水泥环密封完整性打造技术利器，现场应用7口井平均固井质量合格率98.4%、优质率75.5%，钻完井期间C环空无带压现象，高质量的井筒完整性为后续作业提供了安全保障，为川东北高含硫气田自主开发和替代国外进口技术提供了技术支撑。

关键词：低密度水泥浆；预应力固井；高活性；高含硫

中图分类号：F407

中石油西南油气田川东北地区铁山坡和渡口河-七里北区块高含硫天然气井三开钻进过程中钻遇低压易漏层位多，严重影响钻井周期和安全生产，同时三开技套固井存在上部井段漏失，中部井段有油气，下部有盐膏层等地质复杂工况，存在水泥浆易低返、长效封固困难等技术难点。为此研究了一套高活性低密度水泥浆体系，该体系具有高强度和耐腐蚀特点，同时预应力固井、混浆见返降排量防漏等工艺在川东北铁山坡和渡口河-七里北区块高含硫天然气井得到了广泛应用，为低压易漏、漏溢同存井优质快速建井提供了工程技术支撑，并成功助力铁山坡高含硫气田安全高效建产。

1 高活性低密度水泥浆体系性能要求

高活性低密度水泥浆体系与常规低密度水泥浆体系区别在于：高活性水泥浆体系以颗粒级配原理为基础理论，引入了超细微硅、增强材料DRB-1S和膨胀增韧材料DRE-3S等高活性材料，提高了水化放热量及放热速率，在短时间内可以生成更多的水化产物，提高了水泥石早期强度及抗渗性能，且降低了水泥石的总孔隙率。

同时，为避免低压易漏复杂深层天然气井固井漏失和提高该类井的固井质量，对高活性低密度水泥浆体系性能提出了以下要求：（1）在高压高剪切作用下减轻材料破碎率低，密度变化小，避免压漏地层；（2）水泥浆沉降稳定性好，无游离液^[1]；（3）低温下水泥石强度发展较快，抗压强度高，防窜效果好。

减轻剂是高活性低密度水泥浆体系研发的一个关键点。减轻剂的真实密度、粒径、微观结构和承压能力等参数会严重影响低密度水泥浆的各项性能，因此，需要对减轻剂进行优选。目前常用的减轻剂有漂珠、粉煤灰和中空玻璃微珠三大类：①漂珠是火力发电所产生的工业粉体废物，成本低，但降低密度和耐剪切的能力很有限，质量不稳定。②粉煤灰，是从煤燃烧后的烟气中收捕下来的细灰，粉煤灰是燃煤电厂排出的主要固体废物。主要氧化物组成为：SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO、TiO2等。③中空玻璃微珠是利用玻璃粉末法人工合成含硅、铝的玻璃微珠，具有密度低、流动性好、抗压能力强、规整度高和性能稳定等优点。根据各种减轻剂材料的性能特点和高活性低密度水泥浆体系的使用环境，本研究选择中空玻璃微珠作为减轻剂^［^2-3］。

2 高活性低密度水泥浆体系配方设计

2.1 高活性低密度水泥材料粒径分布

高活性低密度水泥材料主要由油井水泥、超细微硅、中空玻璃微珠、增强材料DRB-1S、膨胀增韧材料DRE-3S进行多元级配而成，其粒径分布图如图1所示：

图1 高活性低密度水泥材料粒径分布图

2.2 紧密堆积方法优化超低密度水泥浆配方

按照Dinger和Funk等人提出的Dinger-Funk 方程，见公式（1）：

（1）

公式（1）中：d为各分级粒径（μm）；D为体系中最大颗粒的粒径（μm）；DS为体系中最小颗粒的粒径（μm）；A为筛孔径为d时的筛析通过量(%)，n为分布模数^［^4-5］。

3 高活性低密度水泥浆体系性能评价

3.1 高活性低密度水泥浆体系配方

按照紧密堆积理论和颗粒级配原理，调整低密度水泥浆配方组成，对低密度配方组成进行不断优化调整，形成了油井水泥、超细微硅、中空玻璃微珠、增强材料DRB-1S、膨胀增韧材料DRE-3S五元级配为核心基础的高活性低密度水泥浆体系，如表1所示。

3.2 高活性低密度水泥浆体系综合性能

对不同密度活性低密度水泥浆体系配方沉降稳定性、API失水量、抗压强度、起强度时间等性能进行了评价，实验结果如表2所示。

实验结果表明：该高活性低密度水泥浆强度发展快，1.20g/cm³低密度水泥浆30℃温度条件下24h抗压强度可以达到4.3MPa，可以减少钻井队候凝时间至少24h（以往候凝时间72h，采用该体系只需候凝48h）。在总压10MPa，H2S分压1.5MPa、CO2分压1MPa，65℃腐蚀养护7d的实验条件下，密度1.20～1.50g/cm³的高活性低密度水泥浆腐蚀后抗压强度损失率均小于10%，说明本低密度水泥浆体系具有较好的耐腐蚀性能。

3.3 高活性低密度水泥浆体系的温度敏感性研究

为确保高活性低密度水泥浆体系在不同温度条件

表1 不同密度活性低密度水泥浆体系配方

配方	密度，g/cm³	材料名称
配方	密度，g/cm³	油井水泥	超细微硅	中空玻璃微珠	增强材料DRB-1S	膨胀增韧材料DRE-3S
1#	1.20	100	5	66	18	12
2#	1.30	100	5	46	18	10
3#	1.40	100	5	32	16	8
4#	1.50	100	5	22.5	15	7

表2 不同密度活性低密度水泥浆体系性能参数

配方	性能参数
配方	密度，g/cm³	液固比	65℃沉降稳定性，g/cm³	API失水量（65℃），mL	65℃稠化时间，min/40Bc	24h*30℃抗压强度，MPa	30℃起强度时间，h	腐蚀后抗压强度损失率（总压10MPa,H2S分压1.5MPa、CO2分压1MPa，65℃腐蚀7d），%
1#	1.20	0.510	0.01	42	277	4.3	12.6	9.5
2#	1.30	0.495	0.00	44	284	7.9	10.2	9.1
3#	1.40	0.471	0.00	40	288	10.3	9.0	8.8
4#	1.50	0.458	0.00	40	301	12.7	8.1	8.2

下均具备可靠的适应性，选取1.20g/cm³低密度水泥浆配方（1#配方）开展了其在不同温度条件下对稠化时间的敏感性研究，如图2所示。

图2 不同温度条件下稠化时间的敏感性研究

实验结果表明：随着温度的升高，高活性低密度水泥浆稠化时间呈线性缩短趋势，无稠化时间倒挂等突变现象，满足现场工程技术需求。

4 关键配套固井工艺研究

针对川东北高含硫气井三开技套低压易漏、漏溢同存，仅仅依靠水泥浆单方面技术难以提高整个井筒的水泥环密封完整性，为此研究了两项关键的配套固井工艺：预应力固井工艺和混浆见返降排量防漏工艺，通过该配套固井工艺的使用，有效地确保了川东北高含硫气井三开技套的固井质量。

4.1 低压易漏井预应力固井工艺研究

在候凝过程中，向环空施加压力或者管内顶替液采用低密度流体（如：清水），使得套管产生向内的变形。当环空界面出现微环隙，根据作用力与反作用力的原理，套管就会试图恢复原状态，产生向外的挤压力，该力使套管产生形变，从而弥补环空产生的环隙空间，始终保证水泥环与套管间的紧密接触，保持套管与水泥环之间的封隔效果，如图3所示。

图3 套管-水泥环界面受力状态

对套管来说，考虑外壁位移变化，套管外壁压力增加为环空憋压值Δpannulus，方向沿径向反方向，套管内壁压力变化为液柱压力变化值Δpmud，若降低则方向沿径向反方向，若增加则方向沿径向正方向。因此，降低套管内钻井液密度和进行环空憋压后，套管外壁位移变化为：

（2）

公式（2）中，R1为套管内壁半径；R2为套管外壁半径；A=R1²/(R2²-R1²)、B=R2²/(R2²-R1²)、C=AR2²，E和v分别为套管材料的弹性模量和泊松比。

对地层来说，考虑内壁位移变化，地层内壁压力增加为环空憋压值Δpannulus，方向沿径向方向，地层无穷远处应力变化为零，因此，进行环空憋压后，地层内壁位移变化为：

（3）

公式（3）中，R3为井眼半径；R4为地层外半径；A=R3²/(R4²-R3²)、B=R4²/(R4²-R3²)、C=AR4²，一般取地层外边界远大于井眼直径，则A=0，B=1，E和v分别为地层材料的弹性模量和泊松比。

4.2 混浆见返降排量防漏工艺研究

由于川东北高含硫气井三开技套地层承压能力低，固井前对施工过程进行全过程当量密度模拟，发现当水泥浆出技套鞋时，井底当量密度开始增加，至井口时井底当量密度达最高值。因此为了避免固井施工时发生井漏，在进行顶替作业时，先采用2.2～2.5m³/min大排量顶替钻井液，然后混浆见返降排量至1.2～1.5m³/min顶替清水，最后以0.5～0.8m³/min排量顶替清水进行碰压。通过采用该工艺，中石油川东北7口高含硫开发井均成功实现一次性返地面，确保了固井质量。

5 现场应用

5.1 铁山坡高含硫气田

坡005-X3井为2022年中石油西南油气田在铁山坡区块部署6口开发井的最后1口井，该井于2022年12月27日顺利完成三开技套固井施工，在钻井过程中发生过多次井漏失返，套管下到位后，开泵循环降密度期间发生了井漏，漏速最大25.2m³/h，漏失密度1.52～1.55g/cm³的聚磺钻井液42.5m³。按照固井设计要求进行一次性正注固井施工，施工过程顺利，水泥浆返地面15m³，施工结束采用分步逐级憋压预应力工艺，环空最高憋压9.8MPa，累计憋入量0.9m³。候凝48h后，电测固井质量显示：合格率98.2%，优质率91.3%，其中优质率创铁山坡6口开发井之最。

5.2 渡口河-七里北高含硫气田

渡004-X2井是2023年中石油西南油气田在渡口河-七里北区块部署的第1口高含硫开发井，于2023年3月1日顺利完成三开技套固井施工，该井中部井段沙一段、凉高山组存在5个漏失地层，中完时地层承压当量密度仅1.28g/cm³，下套管到位开泵循环发生井漏失返。通过采用“1.24g/cm³高活性超低密度水泥浆+全井清水顶替+环空憋压8MPa候凝”固井技术，最终实现了水泥浆一次性返地面和确保了该井全井封固质量。候凝48h后，电测固井质量显示：合格率97.6%，优质率82.6%。

6 结论

（1）川东北高含硫气井存在上部井段漏失、中部井段有油气等复杂地质工况，使固井施工面临易漏失、易窜流、高含硫、长封固等难点，为此研发了一套适用于该类低压易漏井的高活性低密度水泥浆体系，该体系具有起强度时间、抗压强度高、耐腐蚀性能强等性能特点，具备替代国外同类型先进技术的可能。

（2）研究了一套关键的配套工艺：预应力固井工艺和混浆见返降排量防漏工艺，该配套工艺已在川东北高含硫气井成功应用7井次，为川东北高含硫开发井体质增效、安全开发提供了技术支撑。

参考文献

[1]黎泽寒,李早元,刘俊峰,等.1.15g/cm3超低密度水泥浆的研究与应用[J],钻井液与完井液.2020,37(5):644-646.

[2]孙勤亮,付家文,杨远光,等.超低密度水泥浆的粒度级配模型及应用研究[J].石油化工应用,2017,36(6):93-96.

[3]冯茜,李明忠,王成文.高强低密度水泥浆体系及性能研究[J].钻采工艺,2013,36(2):93-95.

[4]刘慧婷,刘硕琼,齐奉忠.紧密堆积优化固井水泥浆体系研究进展[J].硅酸盐通报,2014,33(9):2270-2274.

[5]姚亮.低密度水泥浆体系在深层天然气井中的应用[J].西部探矿工程,2017,3:34-35.

高含硫气井高活性低密度水泥浆体系及关键配套固井工艺研究

张顺平[1],[4]1刘桓竭[2]1廖富国[3]1邓天安[2]1王贵富[1]1

张顺平[1],[4]¹刘桓竭[2]¹廖富国[3]¹邓天安[2]¹王贵富[1]¹