委內(nèi)瑞拉Faja區(qū)塊固井用耐高溫增韌防竄水泥漿體系

宋本嶺，　張乃夫，　張維濱，　魏紀(jì)軍，　盧海川，　孫曉杰

委內(nèi)瑞拉Faja區(qū)塊固井用耐高溫增韌防竄水泥漿體系

宋本嶺1，張乃夫1，張維濱1，魏紀(jì)軍2，盧海川1，孫曉杰1

（1.中國石油集團(tuán)海洋工程有限公司渤星公司，天津300451；2.長城鉆探工程有限公司固井公司，遼寧盤錦124010）

宋本嶺等.委內(nèi)瑞拉Faja區(qū)塊固井用耐高溫增韌防竄水泥漿體系［J］.鉆井液與完井液，2016，33（4）：92-96.

分析了委內(nèi)瑞拉Faja區(qū)塊影響固井質(zhì)量及后續(xù)稠油開發(fā)的地質(zhì)因素：地層以砂巖為主，膠結(jié)疏松，井壁易垮塌；存在油田伴生氣；地層非均質(zhì)性強(qiáng)，不利于后續(xù)稠油開采；開發(fā)周期長，對(duì)水泥環(huán)的力學(xué)完整性要求很高。針對(duì)以上固井難題，形成了一套耐高溫增韌防竄水泥漿體系。通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)，該水泥漿在稠化時(shí)間、失水量、沉降穩(wěn)定性等常規(guī)性能方面表現(xiàn)良好，UCA過渡時(shí)間在20 min以內(nèi)，防竄能力強(qiáng)；水泥石彈性模量能夠大幅降低至2.6 GPa，抗拉強(qiáng)度大于1 MPa，熱傳導(dǎo)系數(shù)分別為0.65和1.13，水泥石的整體熱力學(xué)性能良好；形成的水泥石在315 ℃條件下養(yǎng)護(hù)5 d強(qiáng)度不衰退，性能滿足蒸汽驅(qū)開發(fā)要求，具有推廣應(yīng)用前景。

固井；水泥漿；稠油熱采；重油帶；委內(nèi)瑞拉；力學(xué)完整性

Faja地區(qū)位于委內(nèi)瑞拉東部盆地的南部邊緣地帶，原始石油地質(zhì)儲(chǔ)量為1.908×1011m3，儲(chǔ)量呈層狀圈閉分布在中新世河流及濱海相儲(chǔ)集層中［1］，截至目前還沒有大規(guī)模開發(fā)。儲(chǔ)層巖性以砂巖為主，并伴隨少量氣體；隔層則以泥巖、頁巖為主。原油的相對(duì)密度為0.85～0.95 g/cm3，屬于超重油。儲(chǔ)層的復(fù)雜性和稠油資源給該區(qū)塊固井帶來了巨大挑戰(zhàn)，影響該區(qū)塊固井的地質(zhì)因素主要體現(xiàn)在以下3方面：疏松砂巖、油田伴生氣及非均質(zhì)地層。針對(duì)委內(nèi)瑞拉Faja區(qū)塊的固井難題，采取正確的工藝措施和水泥漿方案，對(duì)提高固井質(zhì)量具有重要意義。

1　Faja區(qū)塊地質(zhì)特點(diǎn)

1.1地層以砂巖為主，膠結(jié)疏松，井壁易垮塌

Faja區(qū)塊位于盆地最南端，PDVSA（委內(nèi)瑞拉國家石油公司）把Faja區(qū)塊細(xì)分為4個(gè)區(qū)域（Boyaca，Junin，Ayacucho，Carabobo），如圖1所示。漸新統(tǒng)Mere-cure組和中新統(tǒng)Oficina組河流三角洲砂巖是Faja區(qū)塊主要的含油氣層段，上中新統(tǒng)Freites組泥巖構(gòu)成較穩(wěn)定的區(qū)域性蓋層，3者構(gòu)成了一個(gè)由河流相為主逐漸向海相過渡的海侵沉積層序［2］。除在北部邊緣見底、邊水外，主體部位油藏為無邊、底水的地層-巖性或構(gòu)造-巖性復(fù)合超重油砂巖油藏。

儲(chǔ)層巖性主要為石英砂巖，未固結(jié)，其次為黏土和其他礦物，地層疏松、易坍塌，這給建井及后續(xù)稠油開發(fā)帶來了不小挑戰(zhàn)，需要在鉆井中加入穩(wěn)定劑以穩(wěn)定井壁。

圖1　Faja區(qū)塊分布圖

1.2存在伴生氣

在砂巖和粉砂巖中存在有少量氣體。含氣砂巖通常很薄，但可以通過測(cè)井利用中子-密度曲線上的交叉點(diǎn)確定，有些氣體靠近煤層，地球化學(xué)分析表明氣體很可能來自煤層［3］。伴生氣的存在對(duì)固井水泥漿防竄性能有著很高的要求。

1.3地層非均質(zhì)性強(qiáng)

通過調(diào)研該區(qū)域相關(guān)地質(zhì)資料，重油帶分布全區(qū)的主要蓋層多為含油層段中的互層泥巖，此外，儲(chǔ)層段中的固化瀝青和煤也可對(duì)油氣運(yùn)移形成有效的遮擋。

砂巖儲(chǔ)集層在平面上呈大面積連片狀分布，表面看似均質(zhì)，而實(shí)際的鉆井結(jié)果卻顯示，儲(chǔ)層內(nèi)部具有復(fù)雜的非均質(zhì)性［3］。錄井結(jié)果幾乎都是砂巖顯示的層位，卻突然鉆遇到了厚層泥巖，并且該泥巖的發(fā)育規(guī)律不明確，延伸方向和距離也都難以判斷。地層的非均質(zhì)性對(duì)后續(xù)鉆井及開發(fā)工作造成了極大阻力。

1.4稠油資源給建井、開發(fā)帶來了很大挑戰(zhàn)

Faja區(qū)塊的平均滲透率為4.760 μm2，平均孔隙度為33.4%，屬于特高滲油氣藏［4］。該區(qū)塊主要采用多分支水平井出砂冷采和315 ℃蒸汽驅(qū)熱采相結(jié)合的開發(fā)方式。多分支水平井冷采可以利用多分支井增加油藏接觸面積的方式來提高油藏采收率，而蒸汽吞吐及蒸汽驅(qū)開采在重油帶及鄰近油田有成功實(shí)例［5-6］。蒸汽驅(qū)通過注入井連續(xù)注入高干度蒸汽，一方面補(bǔ)充地層能量，另一方面加熱油層降低原油黏度。

2　稠油熱采井固井水泥漿研究

2.1固井難點(diǎn)及對(duì)策

Faja區(qū)塊的儲(chǔ)層垂直深度為518～762 m，平均地層溫度為50 ℃，井型多為水平井，井身結(jié)構(gòu)見表1，完鉆井深在2 500 m左右，其中三開水平段采用篩管完井，派生的多分支水平井則采用裸眼完井。因此，二開產(chǎn)層固井質(zhì)量的好壞是關(guān)鍵所在。

表1　委內(nèi)瑞拉Faja區(qū)塊典型三開井身結(jié)構(gòu)表

1）針對(duì)地層疏松和伴生氣，在固井工藝措施方面可以考慮下入封隔器，對(duì)疏松地層進(jìn)行有效封隔，并使用防竄水泥漿體系固井，防止層間互竄。

2）為滿足315 ℃蒸汽驅(qū)要求，固井工藝方面需采用預(yù)應(yīng)力固井，并在水泥漿中加入60%～100%的高溫穩(wěn)定劑，使鈣硅比維持在0.7～0.8之間，保證強(qiáng)度不衰退。

3）針對(duì)側(cè)鉆分支水平井要求，可以采取降低泵壓、嚴(yán)控水泥漿性能、提高頂替效率等工藝措施。

4）為保證稠油的開采周期，PDVSA對(duì)水泥環(huán)的力學(xué)完整性提出了很高要求，對(duì)彈性模量、抗拉強(qiáng)度、黏聚力等指標(biāo)均有要求。為了提高水泥環(huán)的力學(xué)性能，考慮采用增韌水泥漿體系，以降低水泥石的彈性模量、提高抗拉強(qiáng)度，滿足后續(xù)稠油熱采的開發(fā)需求。

2.2水泥漿組成

根據(jù)固井難點(diǎn)，確定了高、低密度的增韌防竄水泥漿體系，并考慮使用BCE-200S纖維、BCY-200S自愈合劑和BCG-300S增韌防竄劑作為備選增韌材料，氧化硅作為高溫穩(wěn)定劑。

2.2.1增韌材料的優(yōu)選

如表2所示，通過對(duì)比BCE-200S纖維、BCY-200S自愈合劑和BCG-300S增韌防竄劑的耐溫點(diǎn)、混拌方式和水泥石彈性模量等數(shù)據(jù)得到，BCG-300S的最高耐溫達(dá)285 ℃，水泥石的彈性模量低且有一定的防竄效果，并作為干混材料，利于施工。因此選擇BCG-300S為增韌材料。

表2　增韌材料性能對(duì)比表

2.2.2高溫穩(wěn)定劑加量的確定

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)介紹，在280 ℃以上的稠油熱采固井作業(yè)中，選取0.7左右的鈣硅比較為合適［7-8］。因此針對(duì)高低密度分別選擇不同鈣硅比的水泥漿，如表3所示。

表3　高溫穩(wěn)定劑在不同加量下的水泥石強(qiáng)度對(duì)比表

經(jīng)過對(duì)比可以看出，領(lǐng)漿1和尾漿1在315 ℃養(yǎng)護(hù)5 d強(qiáng)度無衰退，且尾漿1在養(yǎng)護(hù)后水泥石抗壓強(qiáng)度提升明顯。最終確定領(lǐng)漿中高溫穩(wěn)定劑加量為100%，尾漿中高溫穩(wěn)定劑加量為60%。

通過增韌防竄劑BCG-300S中的韌性材料能夠有效降低彈性模量，而加入高溫穩(wěn)定劑一方面可以吸收水泥水化時(shí)析出的Ca（OH）2，另一方面與水泥中的α-C2SH反應(yīng)生成低硅鈣酸鹽，從而提高硅酸鹽水泥在高溫下的強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性?？紤]到BCG-200L基體抗侵防氣竄劑也可作為降失水劑，可降低水泥石的滲透率，于是選擇BCG-200L作為主劑并配套緩凝劑BXR-200L、減阻劑BCD-210L等，最終確定了以BCG-200L和BCG-300S為主體的耐高溫增韌防竄水泥漿體系，領(lǐng)尾漿配方如下。

領(lǐng)漿100%G級(jí)水泥+100%硅石粉+增強(qiáng)材料PZW-A+微珠+防竄降失水劑BCG-200L+增韌防竄劑BCG-300S+緩凝劑BXR-200L+G603消泡劑+水

尾漿100%G級(jí)水泥+60%硅石粉+防竄降失水劑BCG-200L+增韌防竄劑BCG-300S+減阻劑BCD-210L+緩凝劑BXR-200L+消泡劑G603+水

在68 ℃養(yǎng)護(hù)后，領(lǐng)漿的流變數(shù)據(jù)為13、18、92、146、201，尾漿的流變數(shù)據(jù)為15、21、99、166、220。

2.3性能評(píng)價(jià)

2.3.1水泥漿常規(guī)性能

通過對(duì)水泥漿進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)，結(jié)果顯示水泥漿漿體穩(wěn)定、失水量小、稠化時(shí)間可調(diào)，領(lǐng)尾漿的UCA過渡時(shí)間分別為20和13 min，水泥漿的常規(guī)性能良好，如表4、圖2～圖4所示。

表4　水泥漿常規(guī)性能

圖2　領(lǐng)漿稠化曲線圖

圖3　尾漿稠化曲線圖

注：1 lb/100 ft2=0.48 Pa

圖4　領(lǐng)漿UCA曲線圖

2.3.2水泥石熱力學(xué)性能評(píng)價(jià)

考慮到后續(xù)稠油熱采的需求，水泥環(huán)要滿足周期性注入蒸汽的交替應(yīng)力變化，對(duì)于水泥環(huán)的滲透率、高溫養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度等都有所要求；熱學(xué)性能主要是比熱容、熱傳導(dǎo)、熱膨脹系數(shù)等方面。水泥石熱力學(xué)性能見表5。

表5　水泥石熱力學(xué)性能表

對(duì)于水泥環(huán)的力學(xué)完整性主要是評(píng)價(jià)彈性模量、泊松比、抗拉強(qiáng)度等幾個(gè)方面。彈性模量作為油井水泥石韌性評(píng)價(jià)重要指標(biāo)之一，一般認(rèn)為彈性模量越低，水泥石形變能力越好，其韌性越好，越有利于水泥環(huán)完整性的保持。通過三軸試驗(yàn)機(jī)測(cè)得的結(jié)果如表6所示。從表6可以看出，領(lǐng)漿的彈性模量能夠低至2.6 GPa；隨著圍壓的增大，水泥石的抗壓強(qiáng)度逐漸增大，彈性模量則有減小的趨勢(shì)，這符合巖石的各項(xiàng)壓縮效應(yīng)規(guī)律；且在同等圍壓條件下，水泥石的抗壓強(qiáng)度越低，彈性模量越小。軸向應(yīng)力應(yīng)變?nèi)鐖D5、圖6所示。

表6　三軸力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果表

圖5　領(lǐng)漿水泥石軸向應(yīng)力應(yīng)變曲線圖（13.8 MPa圍壓）

圖6　尾漿水泥石軸向應(yīng)力應(yīng)變曲線圖（0 MPa圍壓）

通過巴西試驗(yàn)評(píng)價(jià)抗拉強(qiáng)度，由公式δ0=2P/ πDL（式中，P為破壞載荷，D為試樣直徑，L為試樣長度）得到水泥石的抗拉強(qiáng)度。根據(jù)摩爾-庫倫準(zhǔn)則，通過軟件繪制在6.9 MPa及13.8 MPa圍壓下的破壞包絡(luò)線（見圖7），經(jīng)過處理計(jì)算得到內(nèi)摩擦角、摩擦系數(shù)和黏聚力的數(shù)值，如表7所示。

圖7　領(lǐng)漿破壞包絡(luò)線

表7　三軸力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

通過對(duì)水泥漿和水泥石進(jìn)行的常規(guī)性能和熱力學(xué)性能評(píng)價(jià)，水泥漿在稠化時(shí)間、失水量、沉降穩(wěn)定性等常規(guī)性能方面表現(xiàn)良好，作為評(píng)價(jià)防竄性能指標(biāo)的UCA過渡時(shí)間在20 min以內(nèi)，可定性評(píng)價(jià)為防竄能力強(qiáng)。而水泥石的力學(xué)性能如彈性模量能夠大幅降低至2.6 GPa，抗拉強(qiáng)度大于1 MPa，熱傳導(dǎo)系數(shù)分別為0.65和1.13，水泥石的整體熱力學(xué)性能良好。

3　結(jié)論

1.Faja區(qū)塊地層條件的多變性和水泥基材料的固有缺陷，構(gòu)成了長期影響固井質(zhì)量的主要技術(shù)難點(diǎn)——水泥環(huán)脆裂、地層疏松、稠油熱采和二界面膠結(jié)問題。正確認(rèn)識(shí)地質(zhì)特點(diǎn)和開發(fā)方式，把握好地層條件對(duì)固井的影響是做好固井工作的前提。

2.針對(duì)Faja區(qū)塊存在的地層疏松、伴生氣及稠油熱采等固井難題，形成了一套耐高溫增韌防竄水泥漿體系。通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)，該水泥漿體系的稠化、失水、沉降穩(wěn)定性、UCA過渡時(shí)間等性能良好，形成的水泥石在315 ℃條件下養(yǎng)護(hù)5 d強(qiáng)度不衰退，彈性模量、抗拉強(qiáng)度、滲透率、熱傳導(dǎo)系數(shù)等性能滿足蒸汽驅(qū)開發(fā)要求，具有推廣應(yīng)用前景。

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Cement Slurry Used in Block Faja Venezuela

SONG Benling1， ZHANG Naifu1， ZHANG Weibin1， WEI Jijun2， LU Haichuan1， SUN Xiaojie1
（1. Tianjin CNPC Boxing Engineering ScienTec Company Ltd.， Tanggu， Tianjin 300451；2. The Cementing Branch of the Great Wall Drilling Company， Panjin， Liaoning 124010）

Geological factors affecting the cementing job quality and heavy oil production in block Faja， Venezuela， include: unconsolidated sandstone formations that are easy to collapse， associated gases， formation， heterogeneity that is disadvantageous to subsequent heavy oil production， long production time that imposes rigorous requirements on the mechanical integrity of cement sheaths. A high temperature anti-channeling cement slurry with enhanced toughness has been developed to solve these problems. Laboratory evaluation demonstrated that the cement slurry had good thickening performance， filtration behavior and sedimentation stability. The cement slurry had UCA transition time that is less than 20 min， and good anti-channeling performance. The elastic modulus of the set cement was greatly reduced to 2.6 GPa， the tensile strength was greater than 1 MPa， and the coefficient of heat transfer is 0.65 and 1.13，meaning that the set cement had good thermodynamic property. The set cement， after aging 5 d at 315 ℃， was not decreasing. All in all，the cement slurry has the potential to satisfy the needs for steam flooding， and is worth applying in other areas.

Well cementing； Cement slurry； Thermal recovery of heavy oil； Heavy oil zone； Venezuela； Mechanical integrity

TE256.6

A

1001-5620（2016）04-0092-05

10.3696/j.issn.1001-5620.2016.04.019

宋本嶺，高級(jí)工程師，現(xiàn)任中國石油集團(tuán)海洋工程有限公司渤星公司副總工程師，主要從事固井技術(shù)研究工作。電話 （022）66316830；E-mail：songbl001@cnpc.com.cn/zhangwb01@cnpc.com.cn。

（2016-5-16；HGF=1604N2；編輯王小娜）