低滲透油氣藏水平井固井用增韌防竄劑的研發(fā)和應(yīng)用

滕兆健，郭文猛，饒辰威，鄒建龍

(1中國(guó)石油海洋公司渤星公司 2中國(guó)石油集團(tuán)鉆井工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 3中國(guó)石油渤海鉆探第一固井公司 4中國(guó)石油川慶鉆探固井公司)

中國(guó)非常規(guī)油氣資源豐富，發(fā)展?jié)摿Υ蟆Ｆ渲械蜐B透氣可采資源量為(8.8～12.1)×1012m3，低滲透油可采資源量為(13～14)×108t。未來(lái)10～20年，中國(guó)低滲透油氣產(chǎn)量將顯著增長(zhǎng)，在彌補(bǔ)常規(guī)油氣產(chǎn)量短缺中扮演日益重要的角色[1]。

低滲透油氣低孔、低滲、低壓特征突出，為實(shí)現(xiàn)低滲透油氣的規(guī)模效益開發(fā)，采用包括“一體化”設(shè)計(jì)、“平臺(tái)式”長(zhǎng)水平井鉆井、“規(guī)?；斌w積壓裂、“控制式”采油、“工廠化”作業(yè)等開發(fā)技術(shù)。低滲透油氣復(fù)雜的地質(zhì)條件、水平井多級(jí)體積壓裂以及工廠化作業(yè)等特殊的開發(fā)方式，給固井提出了更高的要求和挑戰(zhàn)，具體表現(xiàn)在固井水泥漿方面主要為：①低失水、零游離液、適度的膨脹性能，避免在井眼上側(cè)形成竄槽；②水泥石必須具有良好的韌性，滿足水平井后期投產(chǎn)要進(jìn)行大規(guī)模多級(jí)壓裂改造的需求和長(zhǎng)期有效的層間封隔；③為提高采收率，前期的高壓注水，形成了地下高壓層與低壓層共存的多壓力體系，層間壓差大、產(chǎn)層水淹嚴(yán)重，地下流體活躍，固井施工存在水泥頂替到位及候凝期間竄槽現(xiàn)象；④為滿足工廠化作業(yè)要求，所有固井外加劑盡可能為可干混的粉體材料，一次混配大批量灰樣，實(shí)現(xiàn)批量固井作業(yè)，提高施工時(shí)效，同時(shí)也可避免普通配水固井施工作業(yè)時(shí)的藥液浪費(fèi)和傷害環(huán)境[2-7]。

要達(dá)到以上要求，關(guān)鍵在于需要利用功能型固井外加劑，提高水泥漿的防竄性能，改善水泥石的韌性。本文開發(fā)了一種油井水泥用高分子聚合物類增韌防竄劑，可同時(shí)提高水泥漿防竄性能，改善水泥石力學(xué)性能，其形成的水泥漿體系，可適用于低滲透油氣藏水平井開發(fā)。

一、增韌防竄劑的研發(fā)

1. 研發(fā)思路

利用小分子單體合成體型高分子聚合物，加入到水泥漿中后形成網(wǎng)狀三維結(jié)構(gòu)，提高水泥漿的內(nèi)聚力，降低滲透率，防止油、水、氣侵入水泥漿中，使水泥漿具有良好的防竄性能。通過(guò)選用柔性單體，并調(diào)節(jié)高分子聚合物的聚合度和粒徑大小，形成納米級(jí)的彈性粒子，加入到水泥漿中后，降低水泥石彈性模量，提高水泥石抗沖擊性能，改善水泥石的韌性。

2. 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

G級(jí)高抗硫油井水泥，硅粉，緩凝劑BCR-201S，降失水劑BCF-200S，減阻劑CF40S，消泡劑G603，單體醋酸乙烯酯Vac，甲基丙烯酸酯MMa，pH調(diào)節(jié)劑，引發(fā)劑過(guò)硫酸鉀等。

三口燒瓶，攪拌器，水浴鍋，增壓稠化儀，千德樂(lè)7150型竄流分析儀，三軸試驗(yàn)機(jī)，壓力機(jī)，常壓稠化儀，5265靜膠凝強(qiáng)度儀，抗沖擊功試驗(yàn)機(jī)，TREOS激光光散射與凝膠色譜系統(tǒng)等。

3. 增韌防竄劑的合成

取一定量Vac，加入三口燒瓶中，同時(shí)加入200 mL水，加入pH調(diào)節(jié)劑，保持pH在2.0～3.0之間，攪拌加熱到75℃，然后加入MMa，通氮?dú)獬?，緩慢加入引發(fā)劑，繼續(xù)通氮?dú)?，恒溫度聚?～5 h，冷卻至室溫，調(diào)節(jié)pH至7.0，烘干、研磨，得到體型高分子聚合物增韌防竄劑。

4. 分子量表征

體型高分子聚合物分子量的大小直接影響水泥漿中三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的形成，當(dāng)分子量過(guò)小時(shí)，不足以形成高內(nèi)聚力的水泥漿，對(duì)水泥漿的防竄性能改善不大；當(dāng)分子量太大了，會(huì)造成水泥漿的黏度和初始稠度過(guò)高，直接影響施工安全。通過(guò)室內(nèi)大量試驗(yàn)，本文最終確定了高分子體型聚合物的最佳分子量范圍(80～120)×104之間。本文利用TREOS激光光散射與凝膠滲透色譜儀，測(cè)定了增韌防竄劑分子量分布增韌防竄劑重均分子量在1.10×106g/mol。

5. 粒徑表征

該增韌防竄劑可再分散于水中，可形成均勻溶膠體系。通過(guò)粒徑測(cè)試，粒度分布在50～145 nm之間，中值粒徑98 nm(D50)，與油井水泥的粒徑15 μm(D50)相差較大，易于填充在水泥顆粒之間的空隙，有利于降低水泥石的滲透率和提高水泥石致密性，提高水泥漿防竄性能。

二、增韌防竄劑水泥漿性能評(píng)價(jià)

1.增韌防竄水泥漿失水和游離液性能

增韌防竄劑在水泥漿中形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高了水泥漿的穩(wěn)定性，降低了水泥漿游離液，同時(shí)其粒徑為納米級(jí)，有利于水泥漿實(shí)現(xiàn)緊密堆積，降低水泥漿失水，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 增韌防竄水泥漿游離液和失水性能

2. 水泥漿防竄性能評(píng)價(jià)

根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《油井水泥外加劑評(píng)價(jià)方法第5部分：防氣竄劑SYT 5504.5-2010》，利用水泥漿竄流分析儀器，在50℃和80℃下，進(jìn)行了水泥漿防竄試驗(yàn)，如表2。

表2 增韌防竄劑水泥漿防竄試驗(yàn)結(jié)果

注：水泥漿組成：水泥/100 g+水/44 g+降失水劑BCF-200S/2 g+增韌防竄劑。

為對(duì)于常規(guī)密度水泥漿，增韌防竄劑加量為3%BWOC時(shí)，可明顯縮短靜膠凝過(guò)渡時(shí)間在15 min內(nèi)。在2.8 MPa的壓差下，水泥漿竄流分析儀竄流體積為一直為0 mL，水泥漿防竄性能得到明顯提高，如圖1所示。

圖1 增韌防竄劑水泥漿防竄曲線

三、增韌防竄劑水泥石力學(xué)性能評(píng)價(jià)

1. 水泥石彈性模量評(píng)價(jià)

增韌防竄劑本身為一種彈性粒子顆粒材料，分散到水泥漿中后可起到應(yīng)力集中點(diǎn)的作用，在受到?jīng)_擊載荷作用時(shí)，大量能量充分耗散，從而降低了水泥石的脆性，如圖2所示。同時(shí)彈性粒子作為水泥石的骨架結(jié)構(gòu)，是沖擊力的傳遞介質(zhì)，沖擊力傳到填充于其間的彈性粒子，彈性粒子產(chǎn)生緩沖作用并吸收部分能量，從而改善了水泥石的韌性。

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。利用巖石三軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)，測(cè)定了增韌防竄劑不同摻量下的水泥石彈性模量，結(jié)果如表3所示。

圖2 增韌防竄水泥石SEM圖

表3 增韌防竄水泥石抗壓強(qiáng)度與彈性模量試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)表3的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨增韌防竄劑加量的提高，水泥石彈性模量逐漸降低，增韌防竄劑摻量為10%BWOC時(shí)，彈性模量可達(dá)4.68 GPa，水泥石形變能力得到較大提高，水泥石韌性明顯改善。

2. 水泥石抗沖擊性能評(píng)價(jià)

水泥石的抗沖擊功的大小能夠直接反映其抗沖擊韌性的大小，在鉆井及射孔等施工作業(yè)中都有可能對(duì)水泥石產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊，一般的水泥石抗沖擊能力有限，采用了擺錘法對(duì)摻入增韌防竄劑的水泥石進(jìn)行了抗沖擊試驗(yàn)評(píng)價(jià)，結(jié)果如表4所示。

表4 增韌防竄水泥石抗沖擊功試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)表4實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，增韌防竄劑在2.0%～6.0% BWOC的摻量范圍內(nèi)，水泥石抗沖擊功明顯提高，增韌防竄劑改善了水泥石的韌性，但是當(dāng)摻量在8.0%BWOC以上時(shí)，水泥石強(qiáng)度下降較大，沖擊功增加幅度反而減小。

3. 水泥石膨脹性能評(píng)價(jià)

增韌防竄劑在水泥石中形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可有效防止水泥漿塑性收縮和水泥石硬化體收縮，同時(shí)增韌防竄劑中的羥基OH，能與水分子形成氫鍵，具有較強(qiáng)的吸水性。在水泥水化過(guò)程中，吸水溶脹，與水泥水化物共同形成含有大量水的凝膠狀物質(zhì)，使得水泥石本身表現(xiàn)出了一定的膨脹性，如表5。

表5 增韌防竄水泥石膨脹試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)表5的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，摻有增韌防竄劑的水泥石具有明顯的膨脹，防止水泥漿塑性收縮，有利于改善水泥環(huán)與套管、地層的界面膠結(jié)狀況，進(jìn)一步提高了水泥漿整體的防竄能力。

四、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

長(zhǎng)慶油田隴東區(qū)塊為更有效開發(fā)低滲透油氣藏，目前主要采用超前注水方式開發(fā)，完井方式采用水平井。固井前由于超前注水，目的層原始?jí)毫Ρ黄茐模瑢娱g水竄嚴(yán)重；固井后試采及井下增產(chǎn)措施容易造成水泥環(huán)破壞及一二界面二次竄流，導(dǎo)致層間封隔失效，直接影響油氣井的開采和使用壽命。

針對(duì)這些問(wèn)題，以增韌防竄劑為基礎(chǔ)，配套粉體降失水劑BCF-200S，粉體緩凝劑BCR-210S等固井外加劑，形成了具有防竄、增韌、微膨脹、低失水、零游離液等綜合性能滿足低滲透油氣藏開發(fā)水平井固井水泥漿體系。

2013年以來(lái)在長(zhǎng)慶油田合水、馬嶺、華池等區(qū)域的24口井的水平段固井作業(yè)中采用了該技術(shù)，對(duì)水平段水泥膠結(jié)質(zhì)量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)：一、二界面平均優(yōu)良率為93.99%和60.95%，同周圍區(qū)塊固井質(zhì)量相比，分別提高15%和30%以上；在后期改造過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)水竄，與周圍鄰井相比由原來(lái)含水率30%～60%，降低到5%左右，有效抑制了井底壓裂后的油氣水竄問(wèn)題，產(chǎn)油量明顯增大。

長(zhǎng)慶固平28-21井超低滲透油藏2 000 m水平段，采用增韌防竄水泥漿體系固井后，成功進(jìn)行了18段66簇壓裂，該井投產(chǎn)第一個(gè)月平均日產(chǎn)油25.5 t，創(chuàng)造了低滲透油藏水平井單井產(chǎn)量最高紀(jì)錄。

五、結(jié)論

(1)針對(duì)低滲透油氣藏水平井開發(fā)對(duì)固井水泥漿體系的要求，開發(fā)了高分子體型聚合物類增韌防竄劑，對(duì)其分子量和粒徑進(jìn)行了表征，對(duì)其水泥漿和水泥石性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，當(dāng)增韌防竄劑摻量大于3%BWOC時(shí)防竄性能可滿足防氣竄劑行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求，有效提高了水泥漿防竄性能；可降低水泥石彈性模量10%以上，可提高水泥石抗沖擊功高達(dá)16%，明顯改善水泥石膨脹性能。

(2)以增韌防竄劑為基礎(chǔ)，配套其他功能外加劑，形成了具有防竄、增韌、微膨脹、低失水、零游離液等綜合性能滿足低滲透油氣藏開發(fā)水平井固井技術(shù)，在長(zhǎng)慶油田隴東區(qū)塊采用該技術(shù)進(jìn)行固井作業(yè)后，同周圍區(qū)塊固井質(zhì)量相比，一界面和二界面固井質(zhì)量分別提高15%和30%以上；在后期壓裂改造過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)水竄，與周圍鄰井相比由原來(lái)含水率30%～60%，降低到5%左右，有效抑制了井底壓裂后的油氣水竄問(wèn)題。