適合海上低滲氣田水平井固井的柔性水泥漿體系研究

許明標(biāo)，王曉亮，宗孝生 （長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 荊州434023）

羅禮奎 （渤海鉆探第二固井公司完井工藝研究所，天津300280）

朱江林 （中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)事業(yè)部，北京101149）

適合海上低滲氣田水平井固井的柔性水泥漿體系研究

許明標(biāo)，王曉亮，宗孝生 （長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 荊州434023）

羅禮奎 （渤海鉆探第二固井公司完井工藝研究所，天津300280）

朱江林 （中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)事業(yè)部，北京101149）

海上低滲氣田利用常規(guī)手段難以有效開發(fā)，一般需采用水平井、分支井固井后射孔加大型壓裂技術(shù)進(jìn)行完井，其固井質(zhì)量直接影響后期增產(chǎn)的效果和氣田產(chǎn)量。為保證海上低滲氣田水平井段良好的固井質(zhì)量，設(shè)計(jì)了柔性水泥漿體系。室內(nèi)對(duì)該水泥漿體系進(jìn)行了試驗(yàn)評(píng)價(jià)研究，結(jié)果表明：柔性水泥漿體系較普通聚合物低密度水泥漿體系具有失水低、流變性好、體系穩(wěn)定、強(qiáng)度發(fā)展迅速、防竄性能強(qiáng)、韌性高的優(yōu)點(diǎn)，能夠有效滿足水平井、分支井固井作業(yè)，保證海上低滲氣藏后期開發(fā)對(duì)固井質(zhì)量的需要。

海上氣田；低滲透氣田；水平井；固井；柔性水泥漿

海上低滲氣田需采用水平井、分支井水平井進(jìn)行開發(fā)。低滲氣田水平井固井的關(guān)鍵在于以下幾點(diǎn)［1，2］：①保證水平段套管內(nèi)水泥環(huán)薄厚均勻，要求水泥漿的穩(wěn)定性要好；②保證水平井段的水泥漿零自由液存在，防止竄槽現(xiàn)象發(fā)生；③使用高效降失水劑，將水泥漿的失水量控制在50ml·6.9MPa－1·30min－1；④為了縮短水泥漿注入井內(nèi)后的凝固時(shí)間以防止地層流體向環(huán)空滲透形成竄槽，在保證施工安全的基礎(chǔ)上盡量縮短水泥漿的稠化時(shí)間，在保證安全施工的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)水平段的良好封固；⑤提高水泥漿的抗沖擊韌性，保證在射孔增產(chǎn)措施下水泥環(huán)的完整性。針對(duì)低滲氣田水平井固井的要求，設(shè)計(jì)了相配套的柔性水泥漿體系。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

所用試驗(yàn)材料如下：CGR66L丁苯膠乳；H21L－M緩凝劑；CJ51L膠乳穩(wěn)定劑；CG88L聚合物降失水劑；PF－2增強(qiáng)增韌劑；G級(jí)水泥；淡水；DWR普通漂珠；CX601L消泡劑等。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)所用設(shè)備如下：高溫高壓稠化儀；常壓稠化儀；高溫高壓水泥漿失水儀；高溫高壓養(yǎng)護(hù)釜；多功能壓力試驗(yàn)機(jī)；新型水泥石應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試儀；六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)；水泥石膠結(jié)強(qiáng)度拉伸剪切實(shí)驗(yàn)儀；巖心滲透率測(cè)試裝置。

1.3 試驗(yàn)的基本配方

1）聚合物體系 ①1.5g/cm3：100%JH/G＋22%減輕劑＋12%PF－2增強(qiáng)劑增韌劑＋55%淡水＋3.6%CG88L 降 濾 失 劑 ＋0.4%CF44L 分 散 劑 ＋0.7%H21L－M 緩 凝 劑 ＋0.8%CX601L 消 泡 劑。②1.6g/cm3：100%JH/G＋13%減輕劑＋10%PF－2增強(qiáng)劑增韌劑＋52%淡水＋3.6%CG88L降濾失劑＋0.4%CF44L分散劑＋0.6%H21L－M 緩凝劑＋0.8%CX601L 消泡劑。③1.7g/cm3：100%JH/G＋6%減輕劑＋6%PF－2增強(qiáng)劑增韌劑＋48%淡水＋3.6%CG88L降濾失劑＋0.4%CF44L分散劑＋0.5%H21L－M緩凝劑＋0.4%CG56L穩(wěn)定劑＋0.8%CX601L消泡劑。

2）柔性水泥漿體系 ①1.5g/cm3：100%JH/G＋22%減輕劑＋12%PF－2增強(qiáng)劑＋47%淡水＋3.6%CG88L降濾失劑＋0.4%CF44L分散劑＋0.7%H21L－M 緩凝劑＋0.4%CG56L穩(wěn)定劑＋0.8%CX601L消泡劑＋5%膠乳＋6%PF－2增強(qiáng)增韌劑。②1.6g/cm3：100%JH/G＋13%減輕劑＋10%PF－2增強(qiáng)增韌劑＋44%淡水＋3.6%CG88L降濾失劑＋0.4%CF44L分散劑＋0.6%H21L－M緩凝劑＋0.4%CG56L穩(wěn)定劑＋0.8%CX601L消泡劑＋5%膠乳 ＋6%PF－2增強(qiáng)增韌劑。③1.7g/cm3：100%JH/G＋6%減輕劑＋6%PF－2增強(qiáng)劑＋40%淡水＋3.6%CG88L降濾失劑＋0.4%CF44L分散劑＋0.5%H21L－M緩凝劑＋0.4%CG56L穩(wěn)定劑＋0.8%CX601L消泡劑＋5%膠乳＋6%PF－2增強(qiáng)增韌劑。

1.4 試驗(yàn)方法

水泥漿評(píng)價(jià)試驗(yàn)按照API SPEC 10A標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。滲透性能評(píng)價(jià)在制備膠乳水泥石巖心后，依據(jù)SY/T5336－2006滲透率測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試與計(jì)算。

2 低密度膠乳水泥漿性能研究

2.1 水泥漿的常規(guī)物理性能研究

室內(nèi)以聚合物水泥漿體系作為參照，考察在相同試驗(yàn)材料、相同水泥漿密度和稠化時(shí)間下低密度膠乳水泥漿的性能特點(diǎn)。通過(guò)表1的對(duì)比結(jié)果可以看出柔性水泥漿體系性能的優(yōu)異之處。

表1 聚合物水泥漿體系與低密度膠乳水泥漿體系性能對(duì)比

由表1可見，在相同條件下，柔性水泥漿體系擁有更好的流變讀數(shù)和更低的API失水量；另外，水泥漿的自由液量也得到了控制。相對(duì)聚合物水泥漿，柔性水泥漿體系中分散有一定量的膠乳，微米大小的球形膠乳顆粒能夠很好地鑲嵌在水泥顆粒中對(duì)水泥石空隙進(jìn)行有效的封堵。得益于膠乳顆粒的良好分散性能，柔性水泥石的抗壓強(qiáng)度相對(duì)聚合物水泥石未發(fā)生明顯降低的現(xiàn)象。

2.2 水泥漿的流變穩(wěn)定性以及自由液的控制

水泥漿的穩(wěn)定性在水平井固井中尤為重要。確定水泥漿穩(wěn)定性的2個(gè)主要參數(shù)為自由水和固相沉降（見表2）。自由水能夠浮在水平井眼的頂部形成一條橫向流道，地層流體可以通過(guò)這條橫向流道進(jìn)行滲竄。固相沉降會(huì)使井筒上部的水泥膠結(jié)疏松，降低強(qiáng)度。因此它們可能會(huì)導(dǎo)致地層封固失效和地層流體運(yùn)移，并減弱對(duì)儲(chǔ)層的控制能力。

表2 柔性水泥漿自由水與固相沉降穩(wěn)定性性能

由表2可見，養(yǎng)護(hù)溫度升高水泥漿上下密度差Δρ略有增大，而水泥漿密度差依然能夠控制在0.03 g/cm3內(nèi)。由于溫度升高水泥漿粘度變小，對(duì)于固相顆粒的懸浮性能略有變化。柔性水泥漿對(duì)于水泥漿固相穩(wěn)定性的控制方法主要從兩個(gè)方面著手。①適當(dāng)?shù)木酆衔镆约澳z乳加量。合適的聚合物加量能夠在保證水泥漿具有良好流變與濾失控制能力下，使水泥漿具有較好的粘度，表現(xiàn)出良好的懸浮性能。②固體顆粒材料的顆粒級(jí)配理論的應(yīng)用。水泥漿中加入的PF－2增強(qiáng)增韌劑為超細(xì)材料的混合物，混合物包含有惰性材料和活性材料，惰性材料能夠充填在水泥顆粒間隙，活性材料能夠較好地分散在水泥漿中提高水泥漿的粘度。在綜合作用下水泥漿的自由水以及固相沉降穩(wěn)定性都能夠得到較好的控制。

表3 同一配方不同溫度下的稠化性能

2.3 水泥漿稠化時(shí)間的控制

水泥漿注入油氣井環(huán)空后，由于環(huán)形空間液柱壓力與地層壓力平衡關(guān)系的變化，使地層中的流體進(jìn)入環(huán)形空間，產(chǎn)生縱向流動(dòng)，發(fā)生層間竄流。水泥漿在稠化過(guò)程中，其稠化轉(zhuǎn)化時(shí)間越長(zhǎng)，竄流的可能性就越大，造成的破壞也就越大?；诖耍覂?nèi)對(duì)不同溫度下柔性水泥漿的稠化性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)果見表3。由表3可見，柔性水泥漿體系稠化轉(zhuǎn)化時(shí)間均能控制在10min以內(nèi)。水泥漿迅速稠化，淺層氣流向井眼環(huán)空的時(shí)間變短，淺層氣的聚集強(qiáng)度和趨勢(shì)變緩，產(chǎn)生的危害變小，從而可極大地降低油氣水上竄的可能。

圖1 1.60g/cm3水泥漿在90℃時(shí)靜凝膠強(qiáng)度發(fā)展曲線

2.4 水泥漿防竄以及流體阻隔性能研究

隨著環(huán)空中水泥漿靜凝膠強(qiáng)度的發(fā)展增大，水泥漿柱將產(chǎn)生 “失重”現(xiàn)象，導(dǎo)致環(huán)形空間液柱壓力小于地層壓力，使地層中的流體進(jìn)入環(huán)形空間，產(chǎn)生縱向流動(dòng)，這種縱向流動(dòng)的現(xiàn)象稱為流體竄流，它包括油、水、氣流，簡(jiǎn)稱環(huán)空竄流。水泥漿的靜凝膠強(qiáng)度發(fā)展速度和凝膠強(qiáng)度大小是水泥漿防止地層流體侵入環(huán)空能力大小的另一個(gè)主要評(píng)價(jià)指標(biāo)。靜凝膠強(qiáng)度從48～240Pa之間的發(fā)展速度越快，水泥漿的防竄能力越強(qiáng)。室內(nèi)采用超聲波試驗(yàn)儀對(duì)1.60g/cm3水泥漿90℃下靜凝膠強(qiáng)度發(fā)展情況進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

由圖1所示曲線可見，水泥漿在靜凝膠強(qiáng)度從48～240Pa的時(shí)間僅有20min，充分說(shuō)明水泥漿具有較強(qiáng)的防竄能力。

水泥漿的流體阻隔性能是保證水泥漿免受地層流體腐蝕，改善水泥漿層間封隔效果的重要指標(biāo)。室內(nèi)通過(guò)對(duì)水泥漿的第1界面和第2界面的壁面膠結(jié)強(qiáng)度以及水泥石可滲透性能的測(cè)定，來(lái)考察水泥漿的流體阻隔性能［3］。對(duì)水泥漿的第1界面和第2界面的壁面膠結(jié)強(qiáng)度的測(cè)定結(jié)果如表4所示。

表4 柔性水泥漿與聚合物水泥漿壁面膠結(jié)性能對(duì)比

由表4可見，低密度膠乳水泥漿相對(duì)于聚合物水泥漿對(duì)于第1界面，第2界面的膠結(jié)強(qiáng)度均有很大的提升。

表5所示為柔性水泥石與聚合物水泥石滲透率對(duì)比數(shù)據(jù)，可見相同密度下柔性水泥石的滲透率均較聚合物水泥石有很大程度降低。這充分說(shuō)明，柔性水泥漿具有良好的降低滲透率的作用。從而印證了柔性水泥漿體系具有較好的流體阻隔作用。

表5 柔性水泥石與聚合物水泥石滲透率試驗(yàn)對(duì)比

2.5 水泥石的力學(xué)性能研究

海上低滲氣田多采用水平井、分支井水平井進(jìn)行開發(fā)，為提高油氣田產(chǎn)量需要進(jìn)行一系列的增產(chǎn)措施，如壓裂、酸化等。因此，固井水泥環(huán)的力學(xué)性能將直接影響后期增產(chǎn)的效果和氣田產(chǎn)量。室內(nèi)首先對(duì)水泥漿的強(qiáng)度發(fā)展情況進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果見表6。由表6可見，常壓下水泥漿在經(jīng)過(guò)8h養(yǎng)護(hù)就能夠形成一定強(qiáng)度，養(yǎng)護(hù)24h后水泥石已具有比較可觀的強(qiáng)度。

水平井封固段水泥環(huán)的力學(xué)性能是關(guān)系到油氣井增產(chǎn)措施順利實(shí)施的關(guān)鍵。而提高水泥石的抗沖擊韌性、降低水泥石彈性模量是改善水泥環(huán)力學(xué)性能的關(guān)鍵。只有具有較高韌性的水泥環(huán)才能在強(qiáng)力射孔以及高壓增產(chǎn)措施下保持油氣井水泥環(huán)的完整性。由表7所示結(jié)果可見，在水泥石抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度相差不大的情況下，柔性水泥漿的剪切強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、抗沖擊強(qiáng)度均較聚合物水泥石有著較大的提高，水泥石的彈性模量也有很大程度的改善。說(shuō)明柔性水泥石具有較好的韌性，能夠滿足低滲油氣田水平井固井要求。

表6 水泥漿不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下水泥漿抗壓強(qiáng)度

表7 韌性水泥漿體系的力學(xué)性能

3 結(jié) 論

1）相對(duì)聚合物水泥漿，柔性水泥漿體系擁有更好的流變讀數(shù)和更低的API失水量，另外水泥漿的自由液量也得到了更好的控制。

2）柔性水泥漿稠化時(shí)間可控，水泥漿稠化轉(zhuǎn)化時(shí)間較短，能一定程度上降低油氣水上竄的可能。

3）柔性水泥漿靜凝膠強(qiáng)度發(fā)展較為迅速，第1和第2界面較高的膠結(jié)強(qiáng)度以及較低的滲透率充分說(shuō)明水泥漿具有較好的防油、氣、水上竄的能力。

4）柔性水泥石優(yōu)異的力學(xué)性能能夠很好地滿足低滲油氣田水平井段的固井要求。

該文是 《海上低滲油氣田固井水泥漿技術(shù)研究》（CNOOCRC （LTD）－2010－ZHKY－024）項(xiàng)目的部分研究成果的產(chǎn)出論文。

［1］王毅，彭志剛，徐浩然.水平井復(fù)合水泥漿體系研究及應(yīng)用 ［J］.鉆采工藝，2009，34（2）：103～105.

［2］姜偉.渤海大位移水平井固井關(guān)鍵技術(shù)研究及其應(yīng)用 ［J］.中國(guó)海上油氣 （工程），2002，14（4）：28～34.

［3］許明標(biāo)，彭雷，張春陽(yáng)，等.聚合物膠乳水泥漿的流體阻隔性能研究 ［J］.油田化學(xué)，2009，26（1）：15～17.

Research on A Flexible Slurry System Suitable for Horizontal Well Cementing in Offshore Low Permeability Gas－fields

XU Ming－biao，WANG Xiao－liang，ZONG Xiao－sheng，LUO Li－qui，ZHU Jiang－ling（First Author's Address：College of Petroleum Engineering，Yangtze University，Jingzhou434023，Hubei，China）

It was difficult to effectively develop the low－permeability reservoirs in offshore oilfields by using conventional methods，perforation and fracturing technologies of horizontal wells and branched wells were generally adopted for completion.A low－density and impervious cement slurry system was designed to ensure a good quality of cementing，which would directly influence the production of gas field and stimulation effect.The laboratory evaluation results show that the slurry system has the characteristics of low filtration，good rheological property，stable performance，high strength in a short time，good anti－channeling performance，and high toughness.The cement slurry system can meet the requirements of cementing operation in horizontal wells and branched wells.It also can ensure the quality required by later development of offshore low permeability gas－fields.

offshore gas－field；low permeability gas－field；horizontal well；cementing；flexible cement slurry

TE254.3

A

1000－9752 （2012）03－0110－04

2011－11－03

許明標(biāo) （1962－），男，1983年大學(xué)畢業(yè)，博士，教授，現(xiàn)主要從事井下流體方面的研究工作。

［編輯］ 蕭 雨