侧钻井易钻塞、微膨性堵剂的研制及应用
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收稿日期：2010-08-03；修回日期：2010-09-17
作者简介：李广喜：生于1967年，男，高级工程师。1988年毕业于西南石油大学油田化学专业，获本科学历与学士学位，毕业后一直在胜利油田从事油田化学与采油工艺工作。现任东营鲁明富林石油科技有限责任公司总经理。地址(257068)：山东省东营市垦利县黄河口镇东营鲁明富林石油科技开发有限责任公司.
摘要：水泥作为最早的油井堵水材料在世界各油田被广泛应用，针对水泥颗粒小、水化速度快、初终凝时间短、施工过程难以控制的问题，对水泥进行复配改性，使其具有初终凝时间可调、堵得住、易钻塞等特点。同时对复配水泥进行了性能评价及现场应用研究。结果表明：该复配G级高抗水泥堵剂(GFD-1)具有显著的低密度、易钻塞、微膨胀性、流变性好的特点，有利于后期钻塞，最大限度地避免钻塞过程中磨损套管，达到保护套管的目的，并为后续层的开发留下可操作余地，经济效益显著。
关键词：水泥堵水剂 低硬度 微膨性 应用
Preparation and Application of the Complex Water Plugging Agent GFD-1 on Low Hardness for Sidetracking Well
Outline:
Luming Fulin Oil Technology Company, Dongying 257068, Shandong
Abstract: Cement as the first plugging agent in oilfields is widely used. Aim at these problems that cement particles are small, cohesive time is short and the construction process is difficult to control, cement is formulated with additive for modification in order to make the cohesive time adjusting and easily drilling removal. Meanwhile, the capability evaluation and field application are carried out. The result shows that GFD-1 has the characteristics of low-density, easy drilling, micro expansion and better rheological behaviour, which can protect annular tube and exploit easily in later period. The economic benefits are significant in oil fields development.
Key words:
water plugging agent low hardness micro expansion application
水泥作为最早的堵水材料，在世界上各油田被广泛应用[1]。但水泥封堵工艺存在着一次成功率低，封堵效果不是很理想，且水泥不具备可解性，易在井筒内沉积固化形成水泥塞造成施工风险，尤其是斜度变化大的井及深井，水泥堵剂存在钻塞难或钻不动封井的情况[2]。目前侧钻井改层钻塞难的问题比较突出，很多井需要多次改换钻头，平均钻塞时间在3天以上。而且钻塞容易磨损套管，增加了作业成本，延长了施工周期。在高温状态下水泥堵剂体积易收缩，容易出现裂缝，严重影响封堵效果。
胜利油田经过多年滚动开发，部分主力断块已进入特高含水开发期；油层套管发生破损、窜槽现象呈明显上升趋势[3]；由于单井射开小层多，层间距小，给卡封工作带来困难，增大了纵向上的剩余油开采难度。为解决这一问题，研发了适用于侧钻井的易钻塞、微膨性的新型堵剂，使其具有初、终凝时间可调、堵得住、易钻塞等特点，现场应用取得了很好的效果。
1 试剂与仪器
1.1 试剂
G级高抗水泥，450目水泥，600目水泥(山东华银特种水泥股份有限公司)；
碳酸钙(AR, 淄博天德精细化工研究所)；
氯化钙(AR，上海美兴化工有限公司)；
细沙粉，细硅粉，缓凝剂(均为中石化胜利油田钻井研究院提供)。
1.2 仪器
HTD7720高温高压稠化仪：青岛海通达专用仪器厂；
HQG-1000混凝土强度测定仪：浙江中科仪器有限公司；
LDY32-180岩心流动实验仪：南通市飞宇石油科技开发有限公司；
HS-19A肖氏硬度计：青岛金诺机械有限公司。
2 室内试验
2.1 水泥种类对堵剂析水量、初终凝时间的影响
水泥堵剂一般采用G级高抗水泥、450目超细水泥、600目超细水泥三类。实验中选用水灰比为2:3，在60 ℃下考察不同堵剂的析水量、初终凝时间等性能，结果见表 1。由表 1可知，同一温度、同一水灰比下，600目水泥的初终凝时间最短，450目水泥次之，G级水泥的初终凝时间最长，且600目、450目水泥价格较高，因此选用G级高抗水泥为基础堵剂原料。
表 1
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表 1 不同种类水泥的性能指标
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2.2 水灰比对堵剂初终凝时间的影响
水灰比是影响水泥堵剂性能的另一个重要因素，以G级高抗水泥为原料，考察在不同水灰比条件下的初终凝时间，以适用于不同井况的需求，其关系见表 2。
表 2
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表 2 水灰比对G级水泥初凝时间的影响
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由表 2可以看出，随着水灰比的增大，不同温度下的初凝时间都逐渐延长，因此现场施工应严格控制水灰比的大小。并且发现温度高、水灰比小时，初凝时间小于2 h，为保证施工安全需要加入外加剂来延长初终凝时间。
2.3 外加剂的选择
针对现场水泥封堵后再钻塞除去水泥塞困难的问题，采用添加外加剂的方法来改善水泥塞的抗压强度和硬度，达到保护套管的目的，结果见表 3。
表 3
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表 3 外加剂对G级水泥性能的影响
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由表 3可知，添加碳酸钙的水泥浆体系出现分层现象，不能均匀凝固；添加氯化钙的体系强度和硬度较高，但初凝时间短，不满足使用要求；添加细粉的体系初凝时间适当，析水率小，但抗压强度较小；添加天然土的体系的初凝时间和硬度适当，但抗压强度太低，不能承压；添加细粉砂的水泥浆体系抗压强度高，但掺杂量高于50%时体系分层；细硅粉体系的初凝时间和硬度合适，但抗压强度稍低，综合以上因素, 选择细硅粉作为改善水泥塞强度的添加剂。
2.4 外加剂的加入量对堵剂性能的影响
以G级水泥为基础原料，细硅粉为外加剂，水灰比为2:3，考察不同mG级水泥:m细硅粉对水泥塞性能的影响, 结果见表 4。
表 4
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表 4 降强外加剂对G级水泥性能的影响
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由表 4可知，随着细硅粉比例的增加，堵剂的初终凝时间延长、硬度逐渐降低，抗压强度显著降低。抗压强度下降过快，表明细硅粉的加入量不宜过多，不能单纯提高细硅粉的比例来改善钻塞性能，加入细硅粉的堵剂的抗压强度较小，需要采用其他助剂来提高强度。综合以上因素，G级水泥和细硅粉的质量比应在(3:2)~(2:3)之间。
2.5 微膨剂用量对堵剂性能的影响
水泥堵剂水化硬化时体积会发生收缩，容易出现裂缝，降低水泥石结构的密实性，影响水泥石的强度和抗渗能力。通过加入微膨剂使体积不会发生收缩，还略有膨胀，可以解决由于收缩带来的不利后果[4]。
以G级水泥为基础原料，细硅粉为降强外加剂(其质量比1:1)，水灰比为2:3，考察微膨剂的加入量(w)对堵剂性能的影响，结果见表 5。
表 5
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表 5 微膨剂的加入量与堵剂性能的关系
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由表 5可知，1#样品初终凝时间合适(3 h~5 h)，抗压强度略低于G级水泥，线性膨胀率0.06%，但硬度较低(38.5 HSD)，综合以上因素选择微膨剂的加入量为1%(w)。
2.6 缓凝剂对堵剂性能的影响
选用两种最常用的缓凝剂(液体缓凝剂与固体缓凝剂)，在60℃，水灰比为2:3条件下进行试验，其质量浓度与性能的关系见表 6与表 7。
表 6
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表 6 液体缓凝剂对水泥堵剂初终凝时间的影响
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表 7
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表 7 固体缓凝剂对水泥堵剂初终凝时间的影响
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由表 6和表 7可以看出，液体缓凝剂浓度的增加对450目水泥和600目水泥的初凝时间影响不大。固体缓凝剂对水泥的初终凝时间影响较大，对450目水泥固体缓凝剂加药浓度为0.3%~0.5%；对G级水泥加药浓度为0.1%~0.2%。不同类型不同厂家的缓凝剂对初终凝时间的影响大不相同，施工前应做预实验，然后再进入现场施工。通过加入缓凝剂，可以使初终凝时间做到可调。
3 堵剂的优化配方
考虑现场施工的实际情况，在上述体系中还应添加多种添加剂，主要是降失水剂、减阻剂和消泡剂等。通过大量室内实验，优化了易钻塞、微膨性堵剂的配方: mG级水泥: m细硅粉(3:2~2:3)+1%晶格微膨剂+2%早强剂+2%增强剂+(0.2%~0.4%)降失水剂+(0.2%~0.3%)消泡剂+(0.2%~0.3%)减阻剂+(0~0.5%)缓凝剂，密度为1.5 kg/L~1.7 kg/L。经过优化的水泥堵剂即GFD-1，其性能明显优于G级水泥，结果见表 8。
表 8
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表 8 优化配方的堵剂与G级水泥性能对比
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4 堵剂的性能评价
4.1 堵剂的耐温、耐盐试验
试验以优化的堵剂配方进行投料，分别在60 ℃、80 ℃时进行，对比考察堵剂的耐温性能。同时选用不同矿化度的水质为原料，考察堵剂的耐盐性能。选用史3-18-斜10井的污水，其总矿化度为51 658 mg/L。自来水矿化度为415 mg/L。试验结果见表 9。
表 9
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表 9 温度、矿化度与水泥堵剂性能的关系
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由表 9可以看出，随着温度和矿化度的升高，初终凝时间逐渐缩短，抗压强度和硬度逐渐增大，因此在施工时还应考虑温度、水质矿化度的影响。
4.2 岩心试验
由于地层的高温(120 ℃)、高压(15 MPa)条件对堵剂的封堵效果影响很大，因此采用岩心试验模拟地层的高温、高压条件考察水泥堵剂的性能[5]，结果见表 10。
表 10
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表 10 高温、高压与水泥堵剂性能的关系
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岩心试验结果表明，在高温、高压条件下，新配方堵剂满足封堵改层的突破压力要求，并且未出现由于体积收缩而造成的渗漏现象。
5 现场应用实例
5.1 侧钻井改层封堵
以河3-侧14井为例，对该井进行PND测井，通过了解各层的剩余油分布情况，确定对沙二55-91层进行封堵后，合采沙二92-107层。该井封堵段沙二55-91层(2 154.0 m~2 311.9 m)井斜较大，平均斜度为45.22°，同时封堵层较多(4套层)，层间跨度近160 m，加上小套管的特殊结构，钻塞难度大。2009年6月应用易钻塞微膨性新型堵剂(GFD-1)封堵，封堵成功率100%，最后全井试压18 MPa不降。由于封堵成功率100%，钻塞时间短，施工效率较高，13天就完成了三次封堵施工。按照2008年-2009年封堵井的作业时间统计，平均封堵三次的施工井时间为19.9天。该井节省作业占产时间6.9天。根据以上的侧钻井封堵数据统计，G级油井水泥钻塞时率29 min/m，平均40 m更换钻头一次。该井GFD堵剂钻塞时率9 min/m，钻塞115 m未更换钻头。统计累计钻塞作业时间，较原用的水泥大大缩短。仅4 h钻塞26 m，比水泥钻塞时率提高3倍。开抽后，日产油13.3 t，在未补孔的情况下，含水由原来的94%下降到1.6%。截止到2009年12月，累计增油877 t，有效期191天，且继续有效。
5.2 多层段大跨度封堵
2009年在河100-斜24运用GFD新型堵剂进行了多层段封堵，封堵一次性成功，取得了较好的生产效果。针对该井多层段(18个层)、大跨度(近700 m)、高井斜(52.6°)的特殊井况，为避免出现一次性封堵易导致的“水泥瘤”和多次分层封堵占产时间长投入大难题。现场钻塞时间仅4.5天，节省作业投入11.8万元。该井目前日产油12.2 t，累计增油616 t。该井例的封堵成功对今后治理大跨度多层段封堵具有积极的意义。
5.3 效果与分析
优化的新型堵剂现场施工实施10井次，封堵成功率100%，累计增油4370.6 t。同时堵剂具有低密度、易钻塞、流变性好等特点，并且价格比使用水泥堵剂降低1340元/t，降低了46.2%。
表 11
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表 11 现场施工井情况表
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现场应用10口井，试验表明比水泥等同类堵剂的钻塞时率提高了2~3倍，同时延长了钻塞工具的使用寿命，保护了套管，取得了很好的应用效果。
6 结论
(1) 优化的侧钻井易钻塞、微膨性堵剂配方为：mG级水泥:m细硅粉(3:2~2:3)+1%晶格微膨剂+2%早强剂+2%增强剂+(0.2%~0.4%)降失水剂+(0.2%~0.3%)消泡剂+(0.2%~0.3%)减阻剂+(0~0.5%)缓凝剂，水灰比为2:3，密度为1.5 kg/L~1.7 kg/L。
(2) 通过对该堵剂的初凝终凝时间、析水率、抗压强度、硬度进行的测定表明，该堵剂具有显著的低密度、易钻塞、微膨胀性、流变性好等特点，该类堵剂有利于后期钻塞，能最大限度地避免钻塞过程中磨损套管，达到保护套管的目的，并为后续层的开发留下了可操作余地。
(3) 采用岩心试验评价水泥堵剂在高温、高压下的性能和封堵效果，试验结果表明，封堵率为100%，研制的堵剂满足现场需要。
(4) 现场实施效果好，采用新水泥堵剂，钻塞时率提高了2~3倍，单井费用降低1.7万元。每吨堵剂可节约成本1340元，成本降低46%，经济效益显著。
(5) 根据查阅资料，发现目前胜利油田尚没有侧钻井改层专用堵剂，国内也没有相关的技术。因此该技术的出现，填补了封堵工艺的空白，对治理其他油田的侧钻井改层具有积极的意义，是具有工业发展和推广前景的一种新型堵剂。
2011, Vol. 40