【转贴】新型超低密度水泥技术

来源：石油经济技术研究院 作者： 发布时间：2007.01.04

在历史上，石油工业界曾通过在水泥浆中注氮和添加飘珠来生产低密度水泥浆。据认为这两种技术都极有价值而且已经成功应用了很多年。这两种水泥各有优缺点，每一种水泥只能适应一定的条件，没有一种能适应各种复杂情况。
1．低密度水泥浆
有3种方法配制低密度水泥浆，即加水、加飘珠或使之产生泡沫。第一种方法是最常用的方法，但这种方法不能配制超低密度水泥浆。如果单独采用加水来降低水泥浆的密度，那么水泥浆将被稀释，在短期内不能凝固，从而产生了加飘珠或使水泥泡沫化两种配制低密度水泥浆的方法。
使用飘珠，可使水泥浆的密度降低到9～10lbm/gal。已有使用飘珠使水泥浆密度降低到7.5～8.5lbm/gal的实例。当水泥浆的密度下降时，飘珠的含量增加，从而使成本上升。
泡沫水泥可以调节到任何密度。因为利用气体来降低水泥浆密度，所以随着密度的降低其成本也在下降。
2．后勤供应
为了有效地配制和泵送，低密度水泥浆需要专门的配制方法。当使用干混水泥时（低密度固相）必须使用定量控制方法以保证混合的效率和满足设计的要求。低密度组份可能与水泥粉末各成体系，而且通常难以再混合。当加水进行混合时，如果水泥浆是流动的，那么水泥浆中轻组份可能会上窜，是很难控制的。
3.优点和缺点
低密度水泥浆中的水泥通常较少而水/灰比较高。因此，水泥固结后抗压缩强度较低。高水/灰比可能导致水泥浆失稳和过量的自由水。高水/灰比的水泥浆凝固的时间较长而且可能发生气窜/水窜。
飘珠主要用于压力敏感地区，在注水泥期间较小的飘珠体积可以有效地降低水泥浆的密度。不同类型的飘珠，具有特定的最低密度。
井底压力上升时，通常要使用强度较大的飘珠来减少被压碎的飘珠量。但是强度较大的飘珠其密度也较大，所以也限制了水泥浆的井下密度。
通常，最有效的飘珠也是最贵的。当希望降低井下密度（或降低井下压力上升时），要增加飘珠的浓度，而水泥浆的成本也随之增加。
泡沫水泥的特性取决于气体的体积百分比（泡沫质量）。当泡沫质量只有很小的百分比时，泡沫水泥的凝固特性与基浆相似。当泡沫质量增加时，凝固后水泥石的强度下降，而渗透率、弹性和压缩系数上升。强度和渗透率的改变是有害的，但可以控制这两种参数的变化。弹性和压缩系数的改变是有益的。弹性的增加有助于维持长期密封。压缩系数的增加反而会降低静水压力，更容易控制水泥浆的流体迁移问题。在通常情况下，只要泡沫水泥浆的质量低于35%，水泥浆凝固后的渗透率将低于地层的渗透率，可以提供有效密封。
4．水泥浆设计
配制具有理想弹性的低密度水泥浆的配方很多。如果需要12lbm/gal的具有弹性和可压缩性的水泥浆，常规的泡沫水泥浆就可满足需求。配制10lbm/gal的泡沫水泥浆，需要13～13.5lbm/gal的低密度水泥。当设计超低密度水泥浆时，需要考虑地层的敏感性和现场的混合问题，因为水泥浆的室内性能与现场性能是不一样的。
5．新的挑战
为了克服日益增长的钻井复杂情况，要求使用现行的水泥浆配方配制出性能良好的水泥浆。下面是在配制水泥浆时所遇到的一些挑战：
（1）密度为9～10lbm/gal的高强度或低渗泡沫水泥浆；
（2）密度低于9lbm/gal的泡沫水泥浆；
（3）弹性更好的飘珠水泥浆；
（4）具有压缩性能的飘珠水泥浆；
（5）比超低密度飘珠水泥浆更经济的水泥浆；
（6）密度为5～7lbm/gal，能形成有效密封的任何类型的水泥浆。
6．实例
在阿曼，注蒸汽采油存在下列3种棘手的问题：
（1）各种套管柱在注水泥后水泥浆从未返到井口。要求水泥浆返到井口以防止套管伸长或挤毁。
（2）水泥环要具有弹性而且其活化水的含量要低于70%。模拟预测表明，为使水泥浆顺利循环，需要密度为10.6lbm/gal的水泥浆。
（3）泡沫水泥浆是最佳选择，但是阿曼没有低排量的注氮设备。
用13.6lbm/gal的基浆配制10.6lbm/gal泡沫水泥浆没有太大的问题。但是对于注蒸汽和低活性水含量的要求来说，若使用飘珠水泥浆则需要水泥浆必须达到各种所需要的特性。但因火山灰飘珠在高温下会发生降解，所以选择了玻璃球飘珠。
这口注蒸汽井的结构是，20in套管下到542ft，133/8in加固衬管下到1387ft，95/8in技术套管下到1545ft，7in油层套管下到2756ft。在固上部套管时使用的是常规固井技术。固技术套管和油层套管需要密度为10.6lbm/gal的水泥浆。使用中等强度玻璃球飘珠设计了密度为13.6lbm/gal的水泥浆。泡沫的质量为20%～25%。使用密度为0.38lbm/gal的玻璃球可以配制出固油层套管的水泥浆，这种水泥浆既可以作为前导浆也可以作为尾浆。
在固95/8in套管时，使用了267.3bbl、密度为13.6lbm/gal的无泡沫前导浆和22.6bbl的尾浆。
使用计算机模拟技术设计了回压和注氮程序。由于把注氮量减少了4～5倍，所以施工队在多数井中能把泡沫的密度控制在1.2～1.3之间。
用泡沫飘珠水泥浆固了7口井，其中6口井的水泥浆返到井口。第7口井水泥浆的上返高度离井口还有几百英尺。确认这种方法固井是成功的，后来又打了3口井并用这种方法成功地完井。
7．结论
（1）利用飘珠配制的水泥基浆可以通过泡沫化使其达到极低的井下密度；
（2）往飘珠水泥浆中注氮，在降低密度的同时可以提高水泥石的弹性和压缩系数；
（3）泡沫化的飘珠水泥浆可以用于固注蒸汽井；
（4）超低密度水泥浆在井下条件下可以循环。