延長油田中西部水平井固井水泥漿配方優(yōu)化研究

牛萌，劉云，姬偉

（1.延長油田股份有限公司勘探開發(fā)技術(shù)研究中心，陜西延安716000；2.中國石油長慶油田分公司第一采油廠，陜西延安716000）

延長油田中西部水平井固井水泥漿配方優(yōu)化研究

牛萌1，劉云1，姬偉2

（1.延長油田股份有限公司勘探開發(fā)技術(shù)研究中心，陜西延安716000；2.中國石油長慶油田分公司第一采油廠，陜西延安716000）

延長油田中西部區(qū)塊水平井需要壓裂完井后投產(chǎn)，對(duì)固井水泥漿性能提出了更高的要求。結(jié)合水平井固井技術(shù)需求，通過室內(nèi)試驗(yàn)優(yōu)選水泥石脆性材料，對(duì)水泥漿體系外摻料及外加劑優(yōu)選，確定了該區(qū)塊水平井固井彈塑性水泥漿體系。室內(nèi)評(píng)價(jià)結(jié)果表明，該體系具有API失水小于50 mL，自由液0 mL，流性指數(shù)n值大于0.7等性能。吳平1井等多口水平井油層固井中的成功應(yīng)用表明，該體系可以滿足后期壓裂投產(chǎn)施工要求。

水平井；水泥漿脆性；固井；彈塑性水泥漿

延長油田中西部地區(qū)水平井開發(fā)，多數(shù)采用套管射孔完井，射孔是造成套管和水泥環(huán)損壞的主要原因，當(dāng)射孔彈引爆時(shí)，套管將承受射孔彈爆燃在套管內(nèi)擴(kuò)散的高壓氣體作用，引起套管壁迅速擴(kuò)張。在水泥環(huán)局部區(qū)域會(huì)形成拉、壓高應(yīng)變區(qū)，由于水泥石屬于脆性材料，當(dāng)套管擴(kuò)張引起的水泥環(huán)的環(huán)向應(yīng)力超過其強(qiáng)度極限時(shí)，水泥環(huán)就會(huì)破裂而形成徑向裂紋。裂紋將迅速擴(kuò)張，發(fā)生多重“層裂”，影響固井質(zhì)量。同時(shí)，壓裂對(duì)水泥環(huán)也有很大的破壞作用［1，2］。

因此，延長油田水平井固井不僅要求水泥環(huán)有一定的強(qiáng)度，而且還要具備較好的抗沖擊能力和耐久性。根據(jù)這個(gè)需求，筆者優(yōu)選了水泥漿體系外摻料及外加劑，通過實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)了脆性材料對(duì)水泥漿體系的影響，確定了該區(qū)塊水平井固井水泥漿配方，滿足水平井固井技術(shù)需求。

1　水泥漿體系外摻料及外加劑的優(yōu)選

1.1低密度減輕材料的優(yōu)選

本區(qū)塊水平井固井水泥漿主要選擇由改性粉煤灰、微硅、膨脹性材料、穩(wěn)定劑等按照一定的比例復(fù)配而成的新型復(fù)合低密度水泥漿體系。

1.2非滲透降失水劑的優(yōu)選

優(yōu)選了非滲透防竄型降失水劑YC-JSS，加量一般為1.5%～2.5%。本失水劑不僅使水泥漿具有較好的防竄效果，而且所形成的水泥石具有一定的彈性，提高了水泥石抗拉強(qiáng)度，降低了射孔時(shí)水泥石的破裂度［3-6］。

1.3膨脹劑的優(yōu)選

本體系優(yōu)選膨脹劑YC-PZJ，本膨脹劑加量一般在1%～3%的范圍內(nèi)。加入此膨脹劑后可使水泥石凝固后產(chǎn)生微膨脹，有效減少微環(huán)隙及油氣水竄的形成，并能夠補(bǔ)償水泥石收縮所造成的影響，降低氣竄的危險(xiǎn)性，提高膠結(jié)質(zhì)量。

1.4分散劑的優(yōu)選

優(yōu)選了分散劑YC-F，本分散劑加量較小，一般加量為0.5%～2.0%（BWOC），有利于水泥石早期抗壓強(qiáng)度發(fā)展，對(duì)水泥石后期抗壓強(qiáng)度無不利影響。YC-F的主要用途是改善水泥漿的流動(dòng)性能、減少失水量、提高頂替效率，便于水泥漿泵選。

1.5早強(qiáng)劑的優(yōu)選

早強(qiáng)劑YC-Z的加入不僅可提高水泥石的早期強(qiáng)度，還可用來調(diào)節(jié)水泥漿的稠化時(shí)間，以滿足施工的安全要求。

2　改善水泥石脆性材料的優(yōu)選及對(duì)水泥漿體系性能的影響

2.1纖維材料優(yōu)選

在水泥混凝土中摻加纖維能顯著地提高其抗彎強(qiáng)度和降低干縮率，并能提高水泥固化物的抗拉強(qiáng)度和變形能力，改善其韌性和抗沖擊性。本文選擇的碳纖維是由聚丙烯腈纖維、黏膠纖維等經(jīng)碳化而制得的纖維。強(qiáng)度和彈性模量相當(dāng)高，能耐1 000℃高溫且化學(xué)性能穩(wěn)定。

筆者通過實(shí)驗(yàn)優(yōu)選出綜合性能良好的纖維塑性膨脹水泥漿體系配方，并將纖維對(duì)水泥漿體系性能的影響進(jìn)行了分析研究（見表1）。

表1　加入纖維水泥漿性能

由表1可知，加入纖維的水泥漿體系無論低密度和常規(guī)密度都具有良好的流變性能；API失水小，小于50 mL；45°游離液析出0 mL；稠化過渡時(shí)間短，小于10 min；水泥石抗壓強(qiáng)度高，大于14 MPa；滿足水平井固井工程性能要求。

2.2纖維對(duì)稠化時(shí)間的影響

通過調(diào)整不同纖維的加量來考察對(duì)水泥漿稠化時(shí)間及漿體稠度的影響情況，典型的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（見表2）。

從表2可以看出：

（1）無論是低密度水泥漿體系還是常規(guī)密度水泥漿體系，加入纖維后，水泥漿稠化時(shí)間普遍縮短，基本在30 min左右，且隨著纖維加量的增加，其稠化時(shí)間縮短增幅不大；

（2）在纖維加量不變的情況下，改變調(diào)凝劑加量，其稠化時(shí)間延長，且對(duì)其他性能不影響；

表2　纖維水泥漿稠化時(shí)間情況

（3）加入纖維后的水泥漿漿體黏度普遍增大，增加10 Bc左右，但水泥漿仍有較好的可泵性，且漿體養(yǎng)護(hù)20 min左右，漿體稠度下降5 Bc～10 Bc；低密度水泥漿漿體稠度明顯低于常規(guī)水泥漿漿體稠度。

2.3纖維對(duì)水泥漿流變性能的影響

室內(nèi)實(shí)驗(yàn)考查了低密度和常規(guī)密度水泥漿加入纖維后的流變性能變化情況，具體（見表3）。

表3　水泥漿漿體流變性能

從表3可以看出：（1）對(duì)于常規(guī)密度水泥漿體系來說，加入纖維后，其水泥漿剪切應(yīng)力讀數(shù)增大，但其仍具有良好的流變性能，其流型指數(shù)n值大于0.7；（2）纖維不影響低密度水泥漿體系流變性能，且具有良好的流動(dòng)度，流動(dòng)度基本在20 cm～23 cm。

2.4纖維對(duì)水泥石韌性的影響

考查纖維加量對(duì)水泥石韌性的影響，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（見表4）。由表4可知，針對(duì)長度為5 mm和10 mm的纖維，在保證水泥漿體系具有較好的流變性能情況下，水泥石的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度隨著纖維摻量的增加而增大，水泥石具有較高的抗折強(qiáng)度，這說明纖維可提高水泥石的韌性。

表4　纖維加量對(duì)水泥石韌性的影響

3　水平井固井水泥漿體系綜合性能評(píng)價(jià)

3.1水平井彈塑性水泥漿體系優(yōu)選

經(jīng)過前期大量優(yōu)選試驗(yàn)后，依據(jù)水泥漿性能試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，開展了水泥漿基本性能的評(píng)價(jià)，通過改變加量和配方，對(duì)水泥漿的流變、失水、強(qiáng)度等進(jìn)行了調(diào)配與評(píng)價(jià)。另外通過在水泥中添加特殊彈性粒子橡膠粉，增加了水泥石抗沖擊破碎性能。其水泥漿綜合性能（見表5）。

3.2優(yōu)選的水泥漿水泥石彈韌性評(píng)價(jià)

通過對(duì)水泥石機(jī)械性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)分析可以發(fā)現(xiàn)，加入彈性材料的配方2水泥漿泊松比增加、彈性模量降低，抗折強(qiáng)度提高了44.8%以上（見表6）。

3.3優(yōu)選的水泥漿水泥石柔性評(píng)價(jià)

彎曲韌性系數(shù)是對(duì)水泥石柔性的評(píng)價(jià)系數(shù)（見表7），該數(shù)值越高，水泥石柔性、抗彎曲性能越好。從表7結(jié)果看出，彈塑性水泥石柔性明顯要好于常規(guī)水泥石柔性。

3.4水泥石膨脹收縮室內(nèi)評(píng)價(jià)研究

本實(shí)驗(yàn)選擇表5中的配方2作為測試配方，在膨脹劑YC-PZJ為2%加量的條件下測試水泥漿凝固過程的膨脹量，該體系在固結(jié)后沒有發(fā)生體積收縮現(xiàn)象，水泥石產(chǎn)生了微膨脹，膨脹率經(jīng)測定為0.81%，有利于提高膠結(jié)質(zhì)量和防止固井后發(fā)生氣竄。

3.5沉降穩(wěn)定性能

按照API規(guī)范程序進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，固結(jié)后的水泥石體積基本沒有收縮，該水泥漿體系具有較好的水泥漿沉降穩(wěn)定性能，其水泥石上下密度差均在0.03 g/cm3以內(nèi)。

表5　優(yōu)選的水泥漿基本性能

表6　優(yōu)選的彈塑性水泥體系綜合力學(xué)性能

表7　優(yōu)選水泥漿配方對(duì)比

4　現(xiàn)場應(yīng)用

本次優(yōu)選的水泥漿體系被應(yīng)用于延長油田中西部采油廠水平井，采用優(yōu)化過的水泥漿體系結(jié)合其他輔助手段進(jìn)行施工，如吳平1井，鉗平1井，蒲平2井。固井質(zhì)量均達(dá)到合格率100%。

5　結(jié)論

（1）本水泥漿體系具有較高強(qiáng)度和彈塑性，水泥漿密度1.40 g/cm3～1.90 g/cm3，API失水＜50 mL，流性指數(shù)n值＞0.7，24 h抗壓強(qiáng)度＞14 MPa，流動(dòng)度＞20 cm，零自由液，且具有微膨脹作用。

（2）彈韌性材料的加入使水泥石的抗折強(qiáng)度提高了30%以上，彈性模量降低27%以上，彈塑性水泥石柔性明顯要好于常規(guī)水泥石柔性；該水泥漿體系具有較好的水泥漿沉降穩(wěn)定性能。能夠有效滿足水泥石長期密封性要求，各項(xiàng)性能均滿足水平井固井技術(shù)需求。

（3）優(yōu)化的水泥漿體系在吳平1，鉗平1等井固井應(yīng)用的成功，說明該水泥漿在延長油田中西部水平井固井作業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用空間。

［1］孫展利，等.水泥漿在不同井斜的沉降失重和沉降-膠凝失重［J］.天然氣工業(yè)，1998，18（4）：55-58.

［2］孫展利.水泥漿的沉降失重研究［J］.石油鉆采工藝，1997，19（1）：31-36.

［3］劉崇建，等.油氣井注水泥理論與應(yīng)用［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2001.

［4］吳葉成.易漏地層防漏增韌水泥漿體系的研究和應(yīng)用［J］.鉆井液與完井液，2006，23（3）：20-26.

［5］賴金榮，等.增韌纖維水泥漿在勝利泊田小間隙井的應(yīng)用研究［J］.鉆井液與完井液，2006，23（5）：59-63.

［6］王顏車，羅云，曹景萍.纖維水泥增強(qiáng)增韌實(shí)驗(yàn)［J］.大慶石油學(xué)院報(bào)，2005，29（5）：24-28.

Optimization research of cement slurry formulations of horizontal well cementing in middle and western area of Yanchang oilfield

NIU Meng1，LIU Yun1，JI Wei2
（1.Oil Exploration and Development Technology Research Center of Yanchang Petroleum Group，Yan'an Shanxi 716000，China；2.Oil Production Plant 1 of PetroChina Changqing Oilfield Company，Yan'an Shanxi 716000，China）

The horizontal well in middle and western area of Yanchang oilfield need go into production after fracturing，which imposes higher demand for cement slurry formulation.According to cementing requirements of horizontal well，cement stone brittle material and admixture of cementing system were optimized through experiments，then elastic-plastic cement slurry system of horizontal well was definitely established for this area.Experimental results show that this system with features of API fluid loss less than 50 mL，free surface 0 mL and liquidity index n greater than 0.7.The successful application in cementing of well Wuping1 and several other horizontal wells show that this system can meet the requirements of the later fracturing operation.

horizontal well；cement slurry brittleness；cementing；elastic-plastic cement slurry

TE256.7

A

1673-5285（2016）09-0057-04

10.3969/j.issn.1673-5285.2016.09.014

2016－07-20

牛萌，女（1984-），工程師，2010年畢業(yè)于西安石油大學(xué)油氣田開發(fā)工程專業(yè)，碩士學(xué)位，現(xiàn)從事水平井鉆井工藝技術(shù)方面的研究與現(xiàn)場應(yīng)用工作，郵箱：moumou1115@163.com。