韌性水泥漿在長慶儲氣庫固井中的研究與應(yīng)用

羅長斌，李　治，胡富源，夏修建，劉子帥

（1.長慶油田儲氣庫管理處，陜西靖邊718500；2.長慶油田分公司工程技術(shù)管理部，陜西西安710000；3.天津大學(xué)化工學(xué)院，天津300072；4.中國石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院，北京102206）

韌性水泥漿在長慶儲氣庫固井中的研究與應(yīng)用

羅長斌*1，李治1，胡富源2，夏修建3，4，劉子帥4

（1.長慶油田儲氣庫管理處，陜西靖邊718500；2.長慶油田分公司工程技術(shù)管理部，陜西西安710000；3.天津大學(xué)化工學(xué)院，天津300072；4.中國石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院，北京102206）

針對儲氣庫注、采氣過程中產(chǎn)生的交變應(yīng)力作用致使水泥石完整性發(fā)生破壞、形成微裂縫的問題，對水泥石進(jìn)行韌性改造研究，使其具有“低彈性模量—高強(qiáng)度”的特性。利用緊密堆積理論對水泥漿體系中的活性礦物摻料（增強(qiáng)材料、彈性材料等）進(jìn)行設(shè)計(jì)，以提高水泥石的致密性及其抗射孔沖擊能力；開發(fā)了增韌材料DRE-100S和乳膠粉DRT-100S兩種增韌主劑，形成了一套適用于儲氣庫固井技術(shù)的韌性水泥漿體系，并對其性能進(jìn)行了評價(jià)。結(jié)果表明，當(dāng)DRE-100S和DRT-100S加量分別為4%和6%時(shí)，韌性水泥石的彈性模量較普通水泥石降低30%以上，24h抗壓強(qiáng)度大于20MPa，7d強(qiáng)度高于30MPa，實(shí)現(xiàn)了水泥石“低彈性模量—高強(qiáng)度”的韌性改造，綜合性能良好，提高了水泥環(huán)在循環(huán)注采過程中的層間封隔能力及結(jié)構(gòu)完整性。該韌性水泥漿體系在長慶儲氣庫固井中已成功應(yīng)用3口井次，固井質(zhì)量優(yōu)質(zhì)。

韌性水泥漿；儲氣庫；緊密堆積；彈性模量；固井

儲氣庫建設(shè)是國家級能源安全戰(zhàn)略項(xiàng)目，在保障天然氣安全供應(yīng)、季節(jié)性調(diào)峰及提高管輸效率等方面發(fā)揮著重要作用［1］。在儲氣庫完井作業(yè)中，需對氣儲層進(jìn)行射孔以提供注采通道，但射孔力對水泥環(huán)有很大的沖擊作用，易造成水泥環(huán)結(jié)構(gòu)破壞［2］；此外，儲氣庫井每年要進(jìn)行一個(gè)周期或多個(gè)周期的注采過程，井筒始終處于反復(fù)交變載荷的變化過程中，因此水泥石完整性易發(fā)生破壞，產(chǎn)生微裂縫，破壞水泥石的層間封隔作用，縮短儲氣庫井的使用壽命，而儲氣庫需要滿足50年的使用要求，這些對水泥漿固井技術(shù)提出了非常高的要求［3］。

為解決上述問題，在常規(guī)水泥漿中摻入增韌材料以改善水泥石韌性性能（彈性模量）、抗壓強(qiáng)度及加入相應(yīng)的添加劑形成一種具有極低失水、良好抗沖擊韌性和流變性的韌性水泥漿，可有效地消除水泥環(huán)在射孔、壓裂及注采過程中交變應(yīng)力引起的裂縫和膨脹—收縮引起的界面封隔失效，可提高水泥環(huán)對射孔等作業(yè)的抗破壞能力，延長油井壽命。研究表明［4］，韌性水泥漿較常規(guī)水泥漿抗沖擊韌性增加20%，彈性模量降低約20%，可抵御射孔及交變應(yīng)力對水泥環(huán)的沖擊破壞作用。因此，本文利用緊密堆積理論，對水泥漿體系中的活性礦物摻料進(jìn)行設(shè)計(jì)，開發(fā)了一套以DRE-100S和DRT-100S為主劑的韌性水泥漿體系，其彈性模量較普通水泥石降低25%以上，24h強(qiáng)度為24.2MPa，7d強(qiáng)度高于30MPa，實(shí)現(xiàn)了水泥石“低彈性模量—高強(qiáng)度”的韌性改造，增強(qiáng)水泥環(huán)在注采交變載荷作用下的層間封隔及保證水泥環(huán)的密封完整性能。該韌性水泥漿體系在長慶油田應(yīng)用了3口井次，固井質(zhì)量優(yōu)質(zhì)。

1　韌性水泥漿的研制

目前，主要通過在水泥中加入纖維、膠乳等對水泥石進(jìn)行改造，提高水泥石韌性及二界面的膠結(jié)質(zhì)量［5-6］。針對儲氣庫井射孔及注采過程中對水泥環(huán)結(jié)構(gòu)完整性以及水泥石力學(xué)性能的要求，利用韌性材料本體的低彈性模量特性，通過在水泥漿中加入顆粒狀韌性材料降低外界作用力的傳遞系數(shù)，實(shí)現(xiàn)對水泥石的韌性改造；此外，利用不同粒徑水泥外摻料間的顆粒級配作用，提高水泥石致密性，從而實(shí)現(xiàn)水泥石“低彈性模量—高強(qiáng)度”的目標(biāo)。

1.1韌性材料的開發(fā)

（1）增韌材料DRE-100S是一種密度為1.70g/cm3的白色惰性顆粒狀材料，具有較強(qiáng)的親水性、分散性和較高的韌性。與其它外摻料共同均勻鑲嵌在水泥石內(nèi)部，當(dāng)水泥石受到外部沖擊力作用時(shí)，力將傳遞到充填其間的DRE-100S顆粒上，增韌顆粒發(fā)生彈性形變，吸收部分能量和降低應(yīng)力傳遞速度，以避免水泥石內(nèi)部裂紋的形成和發(fā)展，從而提高水泥石的韌性和保證水泥石結(jié)構(gòu)的完整性［7］。

（2）乳膠粉DRT-100S是一種密度為1.70g/cm3的可再分散聚合物粉末，與水混合后，可恢復(fù)到其原始乳液狀態(tài)，具有極突出的粘結(jié)強(qiáng)度，水溶性與再分散性強(qiáng)。在水泥漿中，隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，水化產(chǎn)物增多，DRT-100S逐漸聚集在毛細(xì)孔中，并在凝膠體表面和未水化的水泥顆粒上形成緊密堆積層。由于水化使水分進(jìn)一步減少，在凝膠體上和孔隙中堆積的聚合物顆粒便凝聚成連續(xù)的薄膜，形成與水化水泥漿體互傳基質(zhì)的混合體，并使水化產(chǎn)物之間相互膠結(jié)，改善了水泥石的物理組織結(jié)構(gòu)，緩解內(nèi)應(yīng)力，減少了微裂縫的產(chǎn)生，使水泥石達(dá)到“低彈性模量—高強(qiáng)度”的特性［8］。

1.2水泥外摻料的緊密堆積

根據(jù)儲氣庫井循環(huán)注、采氣以及長使用壽命的需求，在射孔完井及交變載荷作用下應(yīng)保持水泥環(huán)密封完整性，有效改善儲層。采用緊密堆積理論優(yōu)化水泥與充填材料間的粒度分布，在保證水泥漿流變性的情況下，增加單位體積水泥漿的堆積率PVF（干混合物中所有顆粒絕對體積之和除以干混成分的散裝體積的值），PVF越大，緊密堆積的程度越高，水泥石孔隙度和滲透率越小，性能越好［9-10］。

韌性水泥漿體系主要由增強(qiáng)材料、微硅、增韌材料、乳膠粉等礦物摻料構(gòu)成，其中，增強(qiáng)材料是由礦渣、超細(xì)水泥、微硅等不同粒徑的多種活性無機(jī)材料組成，故，通過進(jìn)一步優(yōu)化各組分配比，水泥及外摻料間相互填充而形成最緊密堆積。此外，乳膠粉在水中乳化后形成均勻分布的乳狀液，可進(jìn)一步填充緊密排列顆粒構(gòu)成的孔隙中，達(dá)到最優(yōu)緊密堆積。同時(shí)，增強(qiáng)材料、微米級硅灰以及可分散性乳膠粉在水泥漿體系中可參與水泥水化的過程，使水泥石結(jié)構(gòu)和界面結(jié)構(gòu)更為致密，降低水泥石滲透率，提高水泥石強(qiáng)度和抗介質(zhì)腐蝕能力。因此，通過緊密堆積優(yōu)化可使水泥石具有良好的“低彈性模量—高強(qiáng)度”特性以及良好的防氣竄能力。表1是韌性水泥漿體系經(jīng)顆粒級配后的水泥漿性能。從表1可知，不同密度的韌性水泥漿具有良好的流動(dòng)性能，水泥石滲透率較低、彈性模量較小，且后期強(qiáng)度較高。

1.3韌性水泥漿配方研究

表1　顆粒級配后水泥漿配方及性能

1.3.1增韌材料加量優(yōu)選

以水泥漿配方（G級水泥+7%增強(qiáng)材料DRB-1S+ 3%微硅+DRE-100S+DRT-100S+0.8%分散劑DRS-1S+2.5%降失水劑DRF-300S+水，密度1.88g/cm3）為基礎(chǔ)，考察了韌性材料加量對水泥石性能的影響，如表2所示。

由表2可知，DRT-100S和DRE-100S對水泥石抗壓強(qiáng)度有一定影響，但24h強(qiáng)度大于20MPa，且7d抗壓強(qiáng)度明顯高于24h強(qiáng)度，無強(qiáng)度衰退現(xiàn)象；水泥石抗拉強(qiáng)度降低，且降低率在6%～20%之間；水泥石抗折強(qiáng)度明顯提高，但加量6%以上時(shí)，抗折強(qiáng)度有降低的趨勢，這是由于惰性的增韌材料DRE-100S過多地填充于水泥石空隙中，將一定程度影響水泥石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)；水泥石彈性模量降低，泊松比升高，抗沖擊功也明顯升高，但DRE-100S抗沖擊韌性貢獻(xiàn)率大于DRT-100S；DRE-100S對水泥石抗壓強(qiáng)度的影響低于DRT-100S，但對韌性改善作用強(qiáng)于DRT-100S。綜合考慮，DRT-100S和DRE-100S加量分別為4%、6%時(shí)，水泥石彈性模量降低30%左右，抗沖擊韌性好，抗壓強(qiáng)度較高，滿足儲氣庫固井技術(shù)要求。

表2　不同DRE-100S、DRT-100S加量對水泥石性能的影響（60℃、0.1MPa）

1.3.2韌性水泥漿體系力學(xué)性能研究

相同溫度下水泥石強(qiáng)度發(fā)展情況，如圖1所示；不同溫度下水泥石的力學(xué)性能（圖2），其三軸力學(xué)性能如表3所示。由圖1可知，韌性水泥石強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間逐漸增加，且無強(qiáng)度衰退現(xiàn)象。由圖2和表3可知，韌性水泥石和原漿水泥石抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)溫度升高而逐漸增加，7d抗壓強(qiáng)度明顯大于24h；當(dāng)試驗(yàn)溫度高于80℃時(shí)，原漿水泥石強(qiáng)度發(fā)揮正常，但韌性水泥石抗壓強(qiáng)度有下降的趨勢，這可能是因?yàn)槎栊缘脑鲰g材料在高溫下結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化所致，但其性能也均能滿足儲氣庫完井技術(shù)要求。此外，韌性水泥石具有較低彈性模量和較高泊松比，較普通水泥石彈性模量降低了30%以上，且抗壓強(qiáng)度隨圍壓增加而逐漸增大，能夠?qū)崿F(xiàn)“低彈性模量—高強(qiáng)度”的韌性改造。水泥漿配方如下：

1#：G級水泥+7%增強(qiáng)材料DRB-1S+3%微硅+ 2.5%降失水劑DRF-300S+0.8%分散劑DRS-1S+水；

2#：1#配方+4%乳膠粉DRT-100S+6%增韌材料DRE-100S；

3#：1#配方+4%乳膠粉DRT-100S+6%增韌材料DRE-100S+0.6%緩凝劑DRH-100L。

1.3.3韌性水泥石抗沖擊性能評價(jià)

圖1　水泥石抗壓強(qiáng)度發(fā)展曲線（60℃）

圖2　水泥石不同溫度下抗壓強(qiáng)度

表3　水泥石三軸力學(xué)性能（60℃）

為了模擬儲氣庫井循環(huán)注采氣過程中，交變應(yīng)力對水泥環(huán)力學(xué)性能的影響，對韌性水泥石進(jìn)行了交變應(yīng)力循環(huán)加載實(shí)驗(yàn)（交變載荷為6.9MPa），對比水泥石變形能力，結(jié)果如圖3和圖4所示。從圖3、圖4可知，韌性水泥石塑性變形能力遠(yuǎn)強(qiáng)于原漿水泥石；且前者軸向最大應(yīng)變也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于后者，由此說明：在交變載荷作用下，韌性水泥石中的增韌材料可吸收大量沖擊功以避免應(yīng)力集中，從而阻止水泥石在交變應(yīng)力作用下的循環(huán)加載破壞，保證水泥環(huán)力學(xué)和結(jié)構(gòu)完整性以及保障了儲氣庫井的長期使用壽命。

圖3　水泥石塑性變形對比

1.4韌性水泥漿綜合性能評價(jià)

對不同溫度下的韌性水泥漿的綜合性能進(jìn)行考察，如表4所示。從表4中可知，該韌性水泥漿（1.88g/cm3）在40℃～80℃范圍內(nèi)具有良好的漿體穩(wěn)定性和流變性能，流動(dòng)度在20～23cm范圍內(nèi)，且隨試驗(yàn)溫度增加水泥漿流變性能基本不變，利于現(xiàn)場施工；水泥漿API失水量控制在50mL以內(nèi)，具有良好的控濾失性能；稠化時(shí)間可通過緩凝劑加量進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，以滿足現(xiàn)場施工要求；水泥石24h抗壓強(qiáng)度大于20MPa，7d強(qiáng)度無衰退，且水泥石彈性模量小于7GPa，能滿足儲氣庫對水泥石“高強(qiáng)低模”要求。綜上，DRE韌性水泥漿體系具有良好的現(xiàn)場施工性能以及保證水泥環(huán)結(jié)構(gòu)完整性能力，可有效保護(hù)儲層。

圖4　水泥石軸向最大應(yīng)變對比

2　現(xiàn)場應(yīng)用成果

表4　韌性水泥漿的綜合性能評價(jià)（1.88g/cm3）

DRE系列韌性水泥漿體系在長慶儲氣庫中已成功應(yīng)用3井次，如蘇203-6-9H井、靖平22-4-2井等，固井質(zhì)量優(yōu)質(zhì)。以蘇203-6-9H井?244.2 mm技術(shù)套管固井為例［11］，該井位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡中部的蘇203井區(qū)儲氣庫的第一口試采試驗(yàn)井。完鉆井深5303m，水平段長1128m，封固段長4175m，分級箍位置2799.75～2791.75m，井底循環(huán)溫度88℃。

2.1主要技術(shù)難點(diǎn)

（1）地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地層壓力系數(shù)低，易垮、易塌、易漏，候凝期間水泥漿易受地層流體干擾；（2）井斜大，井底位移較大，井徑不規(guī)則，頂替效率無法保證；（3）需壓穩(wěn)氣層段，防止氣侵、氣竄及水竄發(fā)生，要求水泥漿具有較高的強(qiáng)度、良好的防竄性能以及流動(dòng)性能；（4）儲氣庫注采氣井后期進(jìn)行周期循環(huán)式的強(qiáng)注強(qiáng)采，要求水泥環(huán)必須承受強(qiáng)交變載荷的影響，保證水泥環(huán)結(jié)構(gòu)完整性和良好的膠結(jié)性能。

2.2主要技術(shù)措施：

（1）采用三扶通井以及40m3稠漿進(jìn)行循環(huán)攜砂，保證井眼清潔，提高頂替效率；（2）優(yōu)化扶正器使用；（3）使用前導(dǎo)低粘切抗鈣鉆井液，環(huán)空高度1348m，以稀釋鉆井液、沖洗管壁和井壁虛泥餅，降低摩阻；（4）優(yōu)選沖洗隔離液體系；（5）采用DRE膨脹韌性水泥漿體系，通過調(diào)整緩凝劑加量實(shí)現(xiàn)三段階梯式凝固，以實(shí)現(xiàn)階梯壓穩(wěn)，防止因失重引起地層流體竄流；（6）水泥漿體系中加入彈性材料，增加水泥石在注采過程中的抗彎曲抗沖擊能力，滿足儲氣庫后期注采對水泥石的要求。

2.3現(xiàn)場施工及固井質(zhì)量

該井技術(shù)套管中，一級注入35m3前置液后，注入69.7m3DRE韌性水泥漿（平均密度1.88g/cm3）；二級注入25m3前置液和97.2m3DRT膠乳水泥漿，施工正常，水泥漿返至地面。測井結(jié)果表明：目的層和蓋層固井質(zhì)量優(yōu)質(zhì)，優(yōu)質(zhì)率82%，蓋層以上固井質(zhì)量好—中等，對馬家溝儲層具有良好封蓋能力，全部達(dá)到和超過儲氣庫固井質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求。

一級韌性水泥漿性能見表5，采用雙凝水泥漿技術(shù)，其配方如下：

一級1#：G級水泥+6%DRT-100S+4%增韌材料DRE-100S+0.6%分散劑DRS-1S+降失水劑DRF-100L+1.2%緩凝劑DRH-100L+水+0.2%消泡劑DRX-1L（密度1.88g/cm3）；

一級2#：G級水泥+6%乳膠粉DRT-100S+4%增韌材料DRE-100S+0.6%分散劑DRS-1S+降失水劑DRF-100L+水+0.2%消泡劑DRX-1L（密度1.88g/cm3）。

3　結(jié)論

表5　韌性水泥漿的綜合性能評價(jià)（88℃）

（1）利用緊密堆積理論，以增韌材料DRE-100S和乳膠粉DRT-100S為基礎(chǔ)，結(jié)合配套外加劑，研制了一套韌性水泥漿體系，并確定了DRE-100S、DRT-100S的最優(yōu)加量分別為4%和6%。

（2）韌性水泥石較常規(guī)水泥石彈性模量降低30%，且24h抗壓強(qiáng)度高于20MPa，7d強(qiáng)度高于30MPa （60℃），能實(shí)現(xiàn)“低彈性模量—高強(qiáng)度”特性。

（3）韌性水泥漿體系在長慶儲氣庫已成功應(yīng)用3井次，水泥漿綜合性能良好，固井質(zhì)量優(yōu)質(zhì)，故該韌性水泥漿體系可在儲氣庫固井中推廣應(yīng)用。

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TE254

A

1004-5716（2016）01-0072-05

2015-01-28

2015-01-28

羅長斌（1972-），男（回族），寧夏固原人，工程師，現(xiàn)從事儲氣庫鉆完井工藝研究及項(xiàng)目建設(shè)管理工作。