【正文】 止溫度超過 149℃，孔隙壓力需要泥漿密度超過 。通過超過 40口井的作業(yè)，使用這種高密度彈性水泥體系并聯(lián)合診斷軟件已成為一種常用的方法 [8]。哈利伯頓公司通過對(duì)高密度水泥進(jìn)行機(jī)械性能改進(jìn)，使其具有彈性，并使用先進(jìn)的診斷軟件預(yù)測需要用到這種水泥的井況。 斯倫貝謝公司使用最優(yōu)化設(shè)計(jì)堆積體積分?jǐn)?shù)技術(shù)干混形成的水泥漿體系為高溫高壓井提供了一個(gè)節(jié)約成本的高溫高壓井解決方案。 在科威特的勘探活動(dòng)中，為了尋找侏羅系地層高品質(zhì)的原油和三疊系 /二疊系地層的天然氣，這些勘探區(qū)由于有高溫高壓地層、大尺寸的套管、油基泥漿、高含量的 CO2/H2S，窄地層 /破裂壓力窗口使作業(yè)變得具有挑戰(zhàn)性。 過去使用的傳統(tǒng)高密度水泥漿通過損失抗壓強(qiáng)度、滲透性和孔隙度來使水泥漿達(dá)到穩(wěn)定、可混合和可泵送。 表 1 1國外高密度水泥漿使用實(shí)例 油田（區(qū)塊） 井深 m 井底溫度 ℃ ρ g/cm3 面臨問題 解決方法 德克薩斯州南部 — 167（ BHCT） 高溫高壓井完井后壓裂 高密度彈性水泥（ HDEC） 德克薩斯州南部 — 121（ BHST） — 高壓氣井由于使用長襯管，造成襯管頂部的溫度基于最優(yōu)化堆積體積分?jǐn)?shù)的流動(dòng)混凝超高密度水泥漿 體系室內(nèi)研究及現(xiàn)場應(yīng)用 4 遠(yuǎn)低于井底循環(huán)溫度，但同時(shí)要確保襯管頂部水泥石早期強(qiáng)度 發(fā)展。需要用高密度的水泥漿平衡地層壓力，并滿足一定的稠化時(shí)間、失水、沉通過加入在水可分散的加重劑來避免提前干混造成的水泥運(yùn)輸途中密度分離。 新 疆油田利用優(yōu)選赤鐵礦粉和配套的外加劑研制了密度高達(dá) 系解決了準(zhǔn)噶爾盆地腹部及南緣山前構(gòu)造帶異常高壓油氣夾層和鹽水侵固井難題[1, 18]。目前 利用緊密堆積和研制的水分散加重劑BXW1，配制出密度高達(dá) ，它具有良好的流動(dòng)性，較高的強(qiáng)度，以及較低的失水 [1]。研究表明采用 BXF200L 降失水劑、 BCW500S 加重劑和赤鐵礦粉可配出密度高達(dá)[22]。 天津中油渤星公司依據(jù)緊密堆積理論開發(fā)了高密度加重材料 BCW500S以及相應(yīng)地高性能高密度水泥漿體系 [23]，密度可達(dá) ，已在四川、肯尼亞等油氣田得到推廣應(yīng)用。試驗(yàn)結(jié)果表明：高密 度礦渣水泥漿的流變性和穩(wěn)定性滿足現(xiàn)場施工要求。該高密度水泥漿體系已成功應(yīng)用于勝坨地區(qū)坨 720等井以及勝利油田、新疆等高壓油氣層地區(qū)固井作業(yè)中，現(xiàn)場應(yīng)用表明，該體系的流變性能、初始稠度、失水量、稠化時(shí)間、抗壓強(qiáng)度等指標(biāo)均能滿足施工要求，固井質(zhì)量優(yōu)良，可進(jìn)一步推廣應(yīng)用 [14]。根據(jù)顆粒級(jí)配模型，利用室內(nèi)優(yōu)選出的加重劑鐵礦粉的不同粒度顆粒進(jìn)行了級(jí)配加重試驗(yàn)，利用復(fù)配后的加重劑所配置的高密度緊密堆積水泥漿體系性能優(yōu)良，現(xiàn)場固井質(zhì)量優(yōu)良，驗(yàn)證了所建立的緊密堆積模型的可靠性 [25]。動(dòng)態(tài)特性主要包括水泥漿的稠度、稠化時(shí)間和流變性能等指標(biāo) [28]，而靜態(tài)特性則主要包括水泥漿的凝固特性、穩(wěn)定性 、防氣竄和抗壓強(qiáng)度性能等指標(biāo) [29]。通過不同特性的水泥漿外加劑和外摻料，調(diào)節(jié)出適合于井下情況的優(yōu)質(zhì)綜合性能的水泥漿，是研究水泥漿類型和性能的主要目標(biāo) [21]。 國 內(nèi)目前密度在 ，有個(gè)別體系密度達(dá)到了要求，這些高密度水泥漿體系基本都存在著使用溫度普遍較低（使用溫度范圍不高于 160℃），或者性能難以達(dá)到工程需要，或者外加劑體系不配套的問題 [3136]。 因此針對(duì)高溫或者更高壓井的固井水泥漿體系需開發(fā)：高溫外加劑（目前這方面的材料主要引進(jìn)國外固井服務(wù)公司）；高效分散劑；高性能廉價(jià)的加重劑（目前水分散加重劑價(jià)格過于昂貴） [4143]；與固井水泥漿體系、工藝相配套的隔離液或沖洗液體系。 超高密度水泥漿體系是基于高壓 地 層固井提出的，而且迄今為止國內(nèi)入井水泥漿西南石油大學(xué)工程碩士研究生學(xué)位論文 7 的最高密度不超過 ，所以對(duì)配制更高密度水泥漿的配制和施工工藝提出了更高的要求。 本文主要從以下幾個(gè)方面對(duì)超高密度水泥漿體系及現(xiàn)場應(yīng)用進(jìn)行了研究， 針對(duì)四川盆地川南低褶帶官渡構(gòu)造上官深 1 井尾管固井施工過程中面臨的高壓水層問題，通過先期超高密度水泥漿體系室內(nèi)試驗(yàn)，兩次現(xiàn)場試混配試驗(yàn)， 后期水泥漿性能室內(nèi)調(diào)整研究，形成了一套適用于川南低褶帶官渡構(gòu)造高地層壓力系數(shù)的超高密度水泥漿體系。具體步驟如下： 第一步：超高密度水泥漿先期室內(nèi)實(shí)驗(yàn) 采用現(xiàn)場的油井水泥、加重材料以及外加劑，針對(duì) g/cm3～ g/cm3密度范圍的超高密度水泥漿進(jìn)行室內(nèi)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，以了解現(xiàn)場的這些材料是否能夠滿足超高密度水泥漿的性能要求。另外由于混配所在地離井場距離很遠(yuǎn)，而且有一些路段較差，所以混配質(zhì)量難以保證。所以需要模擬這些因素，尋找一種最佳的混配工藝，以消除這些因素的影響。最終獲得一種可以進(jìn)行現(xiàn)場施工的超高密度水泥漿配方。顆粒的尺寸、形狀及粒徑分布對(duì)顆粒的堆積有直接影響 [44]。 早期顆粒級(jí)配研究主要有最緊密排列理論 [45]，其建立在球形顆粒的基礎(chǔ)之上，是一種連續(xù)級(jí)配方式。常用 的級(jí)配方式，主要采用間斷級(jí)配法，一般是通過實(shí)驗(yàn)方法來確定，工作量較大 [47]。按最緊密排列理論，在大尺寸顆粒堆積的體系中，填充粒徑較小的顆粒，再在大、小顆粒間余下的空隙中，填充更小粒徑的顆粒 —— 直至顆粒間的空隙率達(dá)到最小，體系的堆積密度 ?堆 為最大。 圖 2 1顆粒緊密排列示意圖 顯然，顆粒級(jí)配問題實(shí) 質(zhì)就是要求出大小粒徑的顆粒分?jǐn)?shù)之和為 1的最佳粒級(jí)組合，包括最佳級(jí)配數(shù)、體積分?jǐn)?shù) (即級(jí)配比例 )和顆粒的尺寸。 對(duì)理想的均一球形顆粒，堆積主要有兩種排列模型，即三角體型和正方體型，通過理論計(jì)算可得到均一球形顆粒堆積的空隙率 0? ，緊密排列時(shí) 0? = 25. 95%，自由排列 039。 雙級(jí)配顆粒填充體系中，假設(shè)大顆粒直徑為 1d ，在緊密排列時(shí)，允許自由填入大顆粒之間空隙的小顆粒直徑為 ? ，而大顆粒自由排列時(shí)可自由填入空超高密度水泥漿 體系室內(nèi)研究及現(xiàn)場應(yīng)用 10 隙的小顆粒直徑為 ，這種不緊密的排列情況實(shí)際上就存在了干涉現(xiàn)象。 但由于實(shí)際顆粒形狀均為非球形，所以顆粒排列一般介于緊 密排列和自由排列之間，假設(shè) 12? ? ???，取 ? =40%，那么代入式 (22） 可得到大、小顆粒體積分?jǐn)?shù)的理論估算值 : 1 22 21 1 1 71%1 1 1 0 . 4( 1 ) 0 . 4 29%1 1 1 0 . 4????? ? ?????? ? ? ?? ? ??? ? ? ?? ? ? （ 2 3） 由此，可以得到雙級(jí)配顆粒填充體系的空隙率 m? =%。 實(shí)際中多級(jí)配顆粒模型的理論求解十分復(fù)雜，一般由實(shí)驗(yàn)法確 定，可用下面模型 式 24來表示 [48]: 101=1=iniixx????max堆≤ ≤ （ 2 4） 西南石油大學(xué)工程碩士研究生學(xué)位論文 11 式中， ix 為第 i 粒級(jí)顆粒的體積分?jǐn)?shù)； n為級(jí)配數(shù)； ?堆 為顆粒級(jí)配后的堆積密度。根據(jù)干涉論 [46]:相鄰兩級(jí)顆粒的粒徑之比大于 時(shí)，小顆粒的填充才不會(huì)對(duì)大顆粒的排列造成干涉 ,使 堆密度 ?堆 降低。因而在實(shí)際應(yīng)用中一般采用間斷級(jí)配方式。 [49] 在由固相顆粒和液相載體組成的懸浮體系中，體系粘度的大小與流動(dòng)形變時(shí)的能量耗散有關(guān)。在懸浮體受外力作用流 動(dòng)時(shí)，顆粒之間存在不能流動(dòng)的液體區(qū) (如 圖 2 2，顆粒間的陰影部分 )，這部分體積相當(dāng)于增加了固液懸浮體系的固相含量，所以單一顆粒填充體系的空隙率較大，組成懸浮體的粘度也較大。采用三級(jí)配模型時(shí)，體系空隙率 m? 進(jìn)一步減小， eff? 進(jìn)一步增大， a? 更低。 在實(shí)際應(yīng)用中，由于顆粒尺寸分布范圍較窄，又要滿足相鄰兩級(jí)配粒徑比的要求，無法得到較多的顆粒粒級(jí)來，另一方面，顆粒的形狀也不規(guī)則，級(jí)配數(shù)過多時(shí)，較小粒徑的顆粒就會(huì)將較大粒徑顆粒排擠開，產(chǎn)生所謂干涉現(xiàn)象，反而使填充體系的空隙率 m? 增大，從而造成不能流動(dòng)的陰影區(qū)增大，有效流動(dòng)相體積分?jǐn)?shù) eff? 降低，懸浮體粘度增大的現(xiàn)象。 懸浮體系的粘度預(yù)估公式 [50] 0 1 1asmK??????????????? (2 6) 式中， a? 為液相的粘度； K為界面作用參數(shù)，與顆粒形狀和表面狀況等有關(guān)；m? 為填充體系的最大體積分?jǐn)?shù)， 1mm???? ； m? 為填充體系的空隙率。 顆粒級(jí)配不僅使固體填料獲得緊密的排列，即高的堆積密度，而且 會(huì)顯著影響由固液相組成的懸浮體系的流變性能，在一定固相含量下，固相的合理級(jí)配，可使表觀粘度明顯降低，而在一定表觀粘度下，采用顆粒級(jí)配可獲得高固相含量的懸浮體系。 PVF其實(shí)就是堆積密度與比重 (絕對(duì)密度 )的比值 [21]。同一球形顆粒之間任意堆積的 PVF為 。由于小尺寸顆?？梢猿涮钣诖蟪叽珙w粒之間的孔隙，從而使 PVF接近于 1。 設(shè)計(jì)高性能的超高密度油井水泥正是利用 PVF最大化原理，采用不同粒徑的加重劑進(jìn)行顆粒級(jí)配，使單位體積水泥漿內(nèi)的固相顆粒增加，盡量降低其水灰比，并且提高水泥石的抗壓強(qiáng)度，降低其孔隙度和滲透率 k，使水泥漿體系的密度增加和性能優(yōu)化 [52]。每 4個(gè) 1級(jí)粒徑球形顆粒構(gòu)成 1個(gè)空隙空間，這其中能填入的最大次級(jí)小球同時(shí)與 4個(gè)大球相切，小球的球心位于 4個(gè)大球構(gòu)成的四面體幾何中心，四面體中心與四面體頂點(diǎn)的距離為大球半徑與小球半徑之和。同理，當(dāng)在半徑為 r2小球與半徑為 r1 大球相切的孔隙中引入半徑為 r3 的小球時(shí)，則達(dá)到 3 級(jí)級(jí)配的效果，如 圖 24 所示。 超高密度水泥漿 體系室內(nèi)研究及現(xiàn)場應(yīng)用 14 圖 2 3 二級(jí)顆粒級(jí)配示意圖 圖 2 4 三級(jí)顆粒級(jí)配示意圖 在上述的模型中，通過增加次級(jí)粒度的小球，實(shí)現(xiàn)空隙的填充，達(dá)到了較緊密的堆積效果。但事實(shí)上各種粉末材料的粒徑是在一定范圍內(nèi)按統(tǒng)計(jì)規(guī)律分布。 先期工作主要是結(jié)合早期超高密度課題室內(nèi)超高密度水泥漿體系室內(nèi)研究，對(duì)現(xiàn)場用加重材料及外加劑進(jìn)行復(fù)核實(shí)驗(yàn)。性能如下： 表 21 超高密度水泥漿性能表 序號(hào) 溫度 （℃） 密度 (g/cm3) 流變性能 API失水（ml） 稠化時(shí)間（ min） 80℃頂部強(qiáng)度（ MPa） 140 ℃高溫強(qiáng)度（ MPa） 流動(dòng)度（cm） 1 93 2.60 196/110/71/38/3/2 43 25 2 93 2.65 276/163/118/67/5/2 40 411 3d 未起 24 西南石油大學(xué)工程碩士研究生學(xué)位論文 15 3 93 2.70 300/156/112/63/4/2 38 23 4 93 2.74 300/237/153/92/8/4 266 a 23 5 93 2.80 300/233/169/90/7/5 38 225 22 6 93 2.87 300/300/199/119/10/9 364 a 20.5 7 93 2.90 300/300/245/144/11/6 20 8 93 2.99 300/300/288/176/14/12 37 19 備注： （級(jí)配加重材料占水泥基本比例 :還原鐵粉 Fe(400目 )：鐵礦粉（ 1200目）：微硅 = X： 30： 7） 配方 1： G水泥 +187%級(jí)配加重材料 +7%DZJY+% DZH1+%DZS+68%水 配方 2： G水泥 +197%級(jí)配加重材料 +7%DZJY+% DZH1+%DZS+67%水 配方 3： G水泥 +207%級(jí)配加重材料 +7%DZJY+% DZH1+%USZ+73%水 配方 4： G水泥 +217%級(jí)配加重材料 +7%DZJY +% DZH1+%USZ+73%水 配方 5： G水泥 +227%級(jí)配加重材料 +7%DZJY+% DZH1+%USZ+73%水 配方 6： G水泥 +247%級(jí)配加重材料 +7%DZJY+% DZH1+%USZ+73%水 配方 7： G水泥 +