高強(qiáng)微彈水泥漿在延長(zhǎng)油田致密油水平井中的應(yīng)用

王 濤 ， 申 峰， 展轉(zhuǎn)盈， 馬振鋒， 劉 云， 侯云翌

（1. 陜西延長(zhǎng)石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司研究院，陜西西安 710075；2. 陜西省陸相頁巖氣成藏與開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（籌），陜西西安710075；3. 延長(zhǎng)油田股份公司勘探開發(fā)技術(shù)研究中心，陜西延安 716000）

隨著延長(zhǎng)油田開發(fā)規(guī)模不斷增大，經(jīng)濟(jì)可采儲(chǔ)量、技術(shù)可采儲(chǔ)量越來越少，難采儲(chǔ)量成為下一步的開發(fā)目標(biāo)。延長(zhǎng)油田總面積5 282 km2，累計(jì)探明地質(zhì)儲(chǔ)量達(dá)8.0×108t 以上，其中致密儲(chǔ)層難采儲(chǔ)量約6.2×108t。致密儲(chǔ)層難采儲(chǔ)量大量分布在延長(zhǎng)油田的南部和西部。延長(zhǎng)油田南部區(qū)域致密油儲(chǔ)層孔隙度小，常規(guī)單井控制儲(chǔ)量低，難以經(jīng)濟(jì)有效開發(fā)。為此，近年來開始采用水平井進(jìn)行開發(fā)，并根據(jù)同類油藏開發(fā)經(jīng)驗(yàn)及區(qū)域內(nèi)水平井開發(fā)實(shí)踐，采用多級(jí)縫網(wǎng)壓裂進(jìn)行后期儲(chǔ)層改造，以增加單井產(chǎn)量，提高開發(fā)效果[1]。但是，多級(jí)縫網(wǎng)壓裂的高壓反復(fù)沖擊對(duì)環(huán)空水泥石的密封能力提出了更高的要求，除了需要滿足常規(guī)水平井固井質(zhì)量要求，水泥環(huán)還需要有一定的彈性或超高強(qiáng)度以抵抗破壞。對(duì)于該問題，前人主要從在水泥漿中加入纖維、膠乳等形成高韌性、高彈性水泥漿進(jìn)行研究[2-5]，但該類水泥漿在增強(qiáng)水泥石彈韌性的同時(shí)，也會(huì)相應(yīng)地降低水泥石的強(qiáng)度[6]。因此，對(duì)于不同工況，在增強(qiáng)水泥石彈韌性的同時(shí)，還要保證水泥石的強(qiáng)度達(dá)到要求，但目前對(duì)此尚無系統(tǒng)的研究，且對(duì)于高強(qiáng)度、微彈性水泥石能否滿足中淺層水平井的分段壓裂需求也缺乏足夠的認(rèn)識(shí)。為此，筆者基于延長(zhǎng)油田南部致密油儲(chǔ)層特征、水平井井身結(jié)構(gòu)和多級(jí)縫網(wǎng)壓裂對(duì)固井水泥漿性能的要求，建立了套管-水泥環(huán)-地層受力模型和水泥石楊氏模量與界面壓力的關(guān)系圖版，并以此為基礎(chǔ)，通過功能化改性，設(shè)計(jì)、研制了滿足力學(xué)和工程性能要求的高強(qiáng)微彈水泥漿，并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了成功應(yīng)用。

1 性能需求及高強(qiáng)微彈水泥漿設(shè)計(jì)

1.1 儲(chǔ)層特征、井身結(jié)構(gòu)及水泥石性能需求

延長(zhǎng)油田南部致密油井區(qū)位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡西南部，儲(chǔ)層主要有以下特點(diǎn)：1）主力油藏為下組合的長(zhǎng)6 油組—長(zhǎng)8 油組，埋深1 200.00～1 800.00 m，儲(chǔ)層溫度40～60 ℃，壓力系數(shù)平均為0.8；2）儲(chǔ)層泥質(zhì)含量高、孔滲條件差，滲透率普遍低于0.1 mD，直井常規(guī)壓裂采出效率低，達(dá)不到工業(yè)油流標(biāo)準(zhǔn)；3）儲(chǔ)層致密，后期主要采用水平井分段多簇縫網(wǎng)壓裂模式開發(fā)（一般為6～10 級(jí)）。該區(qū)域致密油水平井的典型井身結(jié)構(gòu)（以W 平12 井為例）如圖1 所示，鉆井中自上而下依次鉆遇新生界第四系，侏羅系洛河組—直羅組、延安組和富縣組，三疊系延長(zhǎng)組地層。

圖 1 典型的致密油水平井井身結(jié)構(gòu)Fig. 1 Casing program of typical tight oil horizontal well

在上述儲(chǔ)層特征、井身結(jié)構(gòu)條件下進(jìn)行多級(jí)縫網(wǎng)壓裂時(shí)，除了常規(guī)水平井固井要求的水泥漿具有45°傾角下游離液含量為0、濾失量低、直角稠化和沉降穩(wěn)定性好等性能外[7]，還要求固井水泥石能抵抗壓裂可能帶來的破壞。固井水泥石屬于脆性材料，進(jìn)行射孔和多級(jí)縫網(wǎng)壓裂時(shí)會(huì)在水泥環(huán)局部區(qū)域形成高壓應(yīng)變區(qū)，當(dāng)引起的應(yīng)力變化超過其強(qiáng)度極限時(shí)，水泥環(huán)就會(huì)破裂形成裂紋，影響壓裂效果和生產(chǎn)安全。因此，需要固井水泥石具有一定的彈性。但是，不同于其他致密油藏或頁巖氣藏，延長(zhǎng)油田致密油藏普遍埋深較淺，水泥環(huán)所處的應(yīng)力環(huán)境及施工強(qiáng)度具有特殊性，主要表現(xiàn)是儲(chǔ)層巖石楊氏模量（15～20 GPa）、地應(yīng)力（垂向應(yīng)力30～45 MPa）和壓裂施工壓力（40～55 MPa）均遠(yuǎn)小于深層致密油和頁巖氣藏[8]。因此，為科學(xué)合理地設(shè)計(jì)水泥漿，需建立套管-水泥環(huán)-地層受力模型，得到滿足施工條件的水泥石楊氏模量與界面壓力關(guān)系的圖版。

1.2 受力模型和關(guān)系圖版

1.2.1 套管-水泥環(huán)-地層受力模型

將套管-水泥環(huán)-地層作為一個(gè)整體建立模型。由于模型不存在彎曲失穩(wěn)的問題，可以采用厚壁圓筒理論對(duì)其受力狀況進(jìn)行計(jì)算分析[9]，計(jì)算公式為[10]：

式中： U 為徑向位移，mm； pi為內(nèi)壓力，MPa； po為外壓力，MPa； r為討論點(diǎn)的半徑，mm； μ為泊松比； rH為筒外徑，mm； tn為筒的外半徑和內(nèi)半徑之比； E為楊氏模量，GPa。

水平井井眼延伸方向?yàn)樽钚≈鲬?yīng)力方向，因此，水泥環(huán)主要受上覆巖層壓力和最大主應(yīng)力的共同作用。延長(zhǎng)油田致密油水平井垂深較淺，上覆巖層壓力與水平最大主應(yīng)力相差不大，可以假設(shè)模型為受力均勻的彈性體；另外，分析水平井水泥環(huán)的受力情況可知，厚壁筒理論模型中水泥環(huán)所受圍壓的方向?yàn)樗骄垩由旆较?，固井施工前測(cè)試水泥漿抗壓強(qiáng)度時(shí)多數(shù)情況下無圍壓，因此模擬研究時(shí)視為無圍壓，下述室內(nèi)研究中進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試時(shí)也視為無圍壓。

分別將套管、水泥環(huán)、地層的受力及特性參數(shù)代入式（1），根據(jù)連續(xù)位移條件，三者受力時(shí)不同厚壁筒模型中同一點(diǎn)的徑向位移相等，推導(dǎo)出水泥環(huán)第一界面和第二界面處的接觸壓力：

式中： p21為 第一界面壓力，MPa； p22為為第二界面壓力，MPa； p0為套管所受內(nèi)壓力，MPa； pD為地應(yīng)力，MPa； r1為 套管內(nèi)半徑，mm； r2為套管外半徑（即水泥環(huán)內(nèi)半徑），mm； r3為水泥環(huán)外半徑，mm； E1為套管楊氏模量，GPa； μ1為套管泊松比； E2為水泥石楊氏模量，GPa； μ2為水泥石泊松比； E3為地層巖石楊氏模量，GPa； μ3為地層巖石泊松比。

1.2.2 水泥石楊氏模量與界面壓力的關(guān)系圖版

延長(zhǎng)油田南部致密油水平井及地層基本參數(shù)為[11]：壓裂施工壓力（套管內(nèi)壓）40～55 MPa，地應(yīng)力30～45 MPa（按垂深1 200.00～1 800.00 m 計(jì)算）；套管內(nèi)半徑65.99 mm，套管外半徑69.85 mm，水泥環(huán)外半徑102.55～118.75 mm（按φ215.9 mm 鉆頭、縮徑5%至擴(kuò)徑10%計(jì)算）；套管楊氏模量取210 GPa，套管泊松比取0.3；水泥石楊氏模量取2～20 GPa，水泥石泊松比取0.25；地層巖石楊氏模量取15～20 GPa，地層巖石泊松比取0.23。在此基礎(chǔ)上，采用上述模型分別模擬不同地層巖石楊氏模量、不同井徑擴(kuò)大率、不同垂深、不同壓裂施工壓力下的水泥石界面壓力隨楊氏模量的變化，模擬結(jié)果如圖2 所示。

由圖2 可知，不同地層條件下第一界面壓力均大于第二界面壓力，水泥石楊氏模量越低（彈性增強(qiáng)）、地層楊氏模量越高、壓裂施工壓力越低、井眼擴(kuò)大率越小，則水泥環(huán)第一、第二界面的壓力均越小。為防止水泥環(huán)被破壞，此界面壓力值即為一定工況下滿足壓裂需求的最低水泥石抗壓強(qiáng)度值，兩者正相關(guān)，但并非線性關(guān)系。圖2 所示圖版可為致密油水平井固井中的水泥石力學(xué)性能設(shè)計(jì)提供依據(jù)，即在一定楊氏模量下，水泥石抗壓強(qiáng)度大于第一界面壓力即可滿足壓裂改造需求。另外，對(duì)于該區(qū)域致密油水平井工況來說，當(dāng)水泥石抗壓強(qiáng)度足夠高（大于45 MPa）時(shí)，即使楊氏模量較大（微彈），其對(duì)井筒完整性的影響也比較小。

1.3 高強(qiáng)微彈水泥漿設(shè)計(jì)

由以上模擬結(jié)果可知，除強(qiáng)彈韌性水泥漿、柔性水泥漿外[12]，高強(qiáng)微彈水泥漿也可滿足延長(zhǎng)油田南部致密油水平井固井需求。為此，根據(jù)延長(zhǎng)油田致密油水平井多級(jí)縫網(wǎng)壓裂對(duì)水泥石性能的要求，提出了通過功能化改性設(shè)計(jì)高強(qiáng)微彈水泥漿的思路。

目前，多在水泥漿中加入膠乳增強(qiáng)水泥石的彈性[13]，但膠乳也會(huì)大幅度降低水泥石抗壓強(qiáng)度，且膠乳加量大、易破乳、成本高[14]。增強(qiáng)水泥石強(qiáng)度的主要途徑是添加早強(qiáng)劑，但早強(qiáng)劑會(huì)大幅度降低水泥石的彈性。丁苯膠粉是具有一定彈性的合成橡膠，填充于水泥石骨架支撐結(jié)構(gòu)的孔隙及孔洞中，會(huì)對(duì)壓力的傳遞起到緩沖作用，可減緩塑性破壞，其小粒徑顆?？梢蕴岣邼{體的密實(shí)度，從而增大水泥石強(qiáng)度，且丁苯膠粉的成本較低。但是，丁苯膠粉作為水泥填充材料也有其缺點(diǎn)，主要是顆粒表面表現(xiàn)為憎水性，影響了其在漿體內(nèi)的均勻分布。摻入未處理橡膠顆粒（粒徑分別為180，150 和120 μm）的混凝土抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，橡膠顆粒加量越大，混凝土的抗壓強(qiáng)度越低；其粒徑過大或過小都會(huì)影響混凝土的抗壓強(qiáng)度[15]。但油井水泥與水泥砂漿相比，組分差別較大，養(yǎng)護(hù)的溫度壓力條件不同，且對(duì)抗壓強(qiáng)度的齡期要求也不同。額日德木等人[16]的研究結(jié)果表明，橡膠顆粒粒徑優(yōu)選后仍未解決橡膠顆粒與水泥的融合問題，因此需對(duì)其表面進(jìn)行處理，并對(duì)其合理粒徑重新進(jìn)行優(yōu)選。此外，為提高水泥漿的早期強(qiáng)度，還需引入中低溫下提高水泥水化速率的外加劑。

圖 2 致密油水平井水泥石楊氏模量與界面壓力的關(guān)系圖版Fig.2 Relationship chart between the Young’s modulus of cement paste and the interfacial pressure of the tight oil horizontal wells

2 高強(qiáng)微彈水泥漿的研制及性能評(píng)價(jià)

依據(jù)高強(qiáng)微彈水泥漿的設(shè)計(jì)思路，優(yōu)選丁苯膠粉的粒徑，對(duì)其表面進(jìn)行處理，解決了丁苯膠粉與水泥顆粒融合的難題，研制了新型高強(qiáng)微彈劑。根據(jù)水平井水泥石楊氏模量與界面壓力的關(guān)系圖版，優(yōu)化了高強(qiáng)微彈劑的加量，形成了高強(qiáng)微彈水泥漿，并測(cè)試了其常規(guī)性能及水泥石的力學(xué)性能，觀察了水泥石的微觀形態(tài)，并與空白樣進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了通過功能化改性后研制的高強(qiáng)微彈水泥漿的基本性能。

2.1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用水泥為G 級(jí)油井水泥，分散劑為甲醛丙酮縮合物，降濾失劑和緩凝劑分別選用AMPS 共聚物類和有機(jī)膦酸類。水泥石養(yǎng)護(hù)采用0720 型增壓養(yǎng)護(hù)釜，游離液、稠化、抗壓強(qiáng)度測(cè)試采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《油井水泥試驗(yàn)方法》（GB/T 19139—2012）中相關(guān)方法，水泥石的滲透率（氣測(cè)滲透率）采用HK-4型滲透率自動(dòng)測(cè)定儀測(cè)定。

水泥石抗折強(qiáng)度、楊氏彈性模量和抗拉強(qiáng)度的測(cè)試采用石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《油井水泥石性能試驗(yàn)方法》（SY/T 6466—2016）中的相關(guān)方法。楊氏模量測(cè)試采用RTR-1000 型三軸巖石力學(xué)伺服測(cè)試系統(tǒng)，無圍壓，試件為直徑25.0 mm、長(zhǎng)度50.0 mm的圓柱體?？拐蹚?qiáng)度測(cè)試采用50 t 級(jí)萬能試驗(yàn)機(jī)，試件為40.0 mm×40.0 mm×160.0 mm 長(zhǎng)方體塊。霍普金森壓桿試驗(yàn)中桿件直徑為37.0 mm，試樣為直徑30.0 mm、長(zhǎng)度20.0 mm 的圓柱體，兩個(gè)端面的不平行度小于0.01 mm；因水泥石為高脆性材料，外力作用時(shí)應(yīng)變普遍小于0.5%，為盡量延長(zhǎng)加載時(shí)間，試驗(yàn)應(yīng)變率為10～100 s-1。水泥石宏觀裂紋觀測(cè)采用深度體視顯微鏡，該顯微鏡最大放大倍率為250倍；采用Quanta450 掃描電鏡觀察水泥石微觀形態(tài)。

2.2 高強(qiáng)微彈劑的制備與加量?jī)?yōu)化

2.2.1 高強(qiáng)微彈劑的制備

選取粒徑分別為109，120，150，180，250 和380 μm的丁苯膠粉顆粒，對(duì)其表面進(jìn)行潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)處理。將丁苯膠粉加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%的KH550 溶液，浸泡24 h 后沖洗、過濾，在溫度105 ℃下烘烤24 h 將其烘干；然后引入含5.0%甲酰胺的無機(jī)鹽，與丁苯膠粉復(fù)配制劑。無機(jī)鹽可提高中低溫下水泥漿的水化速度；甲酰胺不僅可以提高水泥石的強(qiáng)度，還可在一定程度上緩解因水化過快導(dǎo)致的稠化時(shí)間縮短的問題[17]。

分別測(cè)試不同粒徑丁苯膠粉顆粒處理前后和復(fù)配制劑對(duì)水泥石24 h 抗壓強(qiáng)度的影響（水泥石養(yǎng)護(hù)溫度為40 ℃）。丁苯膠粉加量較小時(shí)，宏觀表現(xiàn)為水泥石抗壓強(qiáng)度增大，因此設(shè)計(jì)試驗(yàn)加量為2.0%，以便更好地觀察效果，測(cè)試結(jié)果見圖3。

由圖3 可知，未處理的丁苯膠粉顆粒顯示出疏水性，其與水泥水化產(chǎn)物之間的結(jié)合力較小，水泥石抗壓強(qiáng)度較低，且粒徑越大，抗壓強(qiáng)度越低。丁苯膠粉顆粒表面進(jìn)行潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)處理后加入水泥漿中，水泥石的抗壓強(qiáng)度均有所增大，隨著丁苯膠粉顆粒粒徑變小，抗壓強(qiáng)度逐漸增大，但其粒徑小于120 μm 時(shí)，由于顆粒過細(xì)造成團(tuán)聚，抗壓強(qiáng)度反而降低。丁苯膠粉與甲酰胺及無機(jī)鹽復(fù)配后，水泥石的早期強(qiáng)度更高，其中粒徑為120～150 μm 丁苯膠粉的復(fù)配效果最好。因此，按5∶1 的質(zhì)量比[18]，將粒徑120～150 μm 的丁苯膠粉與甲酰胺及無機(jī)鹽復(fù)配，得到了高強(qiáng)微彈劑J86-S。

圖 3 丁苯膠粉粒徑和處理方式對(duì)水泥石抗壓強(qiáng)度的影響Fig. 3 Effects of particle size and treatment method on cement paste strength

2.2.2 高強(qiáng)微彈劑加量?jī)?yōu)選

測(cè)試J86-S 不同加量下水泥石的楊氏模量和抗壓強(qiáng)度，同時(shí)考察溫度對(duì)其的影響規(guī)律，養(yǎng)護(hù)溫度分別為40，50 和60 ℃，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為48 h，結(jié)果如圖4 所示。

圖 4 高強(qiáng)微彈劑加量對(duì)水泥石力學(xué)性能的影響Fig.4 Effect of high-strength micro-elastic agent dosage on mechanical performance of cement paste

由圖4 可知，加入J86-S 后水泥石的滲透率顯著降低，內(nèi)部更為致密，宏觀表現(xiàn)為抗壓強(qiáng)度增大；但其加量較低時(shí)，水泥石的楊氏模量變化不大，隨著其加量增大，楊氏模量逐漸降低，抗壓強(qiáng)度也隨之降低。分析認(rèn)為，這主要是由于分散在水泥漿中的大量丁苯顆粒的增彈效果開始顯現(xiàn)，水泥石的楊氏模量降低幅度較大。J86-S 的加量超過4%之后，水泥石的楊氏模量顯著降低（降幅超過20%），但抗壓強(qiáng)度降幅也達(dá)25%以上；溫度變化對(duì)J86-S 的增彈效果影響不大。

將測(cè)試的楊氏模量作為自變量，代入水泥石楊氏模量與界面壓力的關(guān)系圖版計(jì)算抗壓強(qiáng)度。如果樣品的實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度大于模擬抗壓強(qiáng)度，說明 J86-S的加量滿足要求。以延長(zhǎng)油田長(zhǎng)8 組地層（壓裂壓力50 MPa、井徑擴(kuò)大率5%）為例計(jì)算了抗壓強(qiáng)度，結(jié)果見圖4 中虛線。從圖4 可以看出，J86-S 的加量大于2%時(shí)，不同溫度區(qū)間的水泥石性能均可達(dá)標(biāo)；加量達(dá)5%時(shí)，水泥石的彈性模量可降至8 GPa。考慮綜合成本，確定J86-S 加量為2%～3%，該加量的高強(qiáng)微彈水泥漿即可滿足延長(zhǎng)油田南部致密油水平井的固井需求。

2.3 水泥漿綜合性能

2.3.1 常規(guī)性能

在G 級(jí)水泥中加入0.70%分散劑、3.00%降濾失劑和0.08%緩凝劑，同時(shí)加入2.00%高強(qiáng)微彈劑J86-S，配制成高強(qiáng)微彈水泥漿。測(cè)試密度為1.88 kg/L的高強(qiáng)微彈水泥漿在40 和60 ℃下的常規(guī)性能及其在60 ℃下的稠化曲線，結(jié)果見表1 和圖5。

由表1 和圖5 可知，高強(qiáng)微彈水泥漿的常規(guī)性能良好，稠化過渡時(shí)間短，穩(wěn)定性好，且濾失量較低、48 h 抗壓強(qiáng)度高。

表 1 高強(qiáng)微彈水泥漿的常規(guī)性能Table 1 Conventional properties of high-strength micro-elastic cement slurry

圖 5 60 ℃下高強(qiáng)微彈水泥漿的稠化曲線Fig. 5 Thickening curve of high strength microelastic cement slurry at 60 °C

2.3.2 力學(xué)性能

評(píng)價(jià)水泥石力學(xué)性能的通用的方法是測(cè)試水泥石的抗折強(qiáng)度和楊氏模量[19]，但與纖維、膠乳不同的是，橡膠顆粒除增彈外，還有一定的孔洞充填作用，因此還要測(cè)試高強(qiáng)微彈水泥石的滲透率。另外，拉應(yīng)力破壞對(duì)水泥環(huán)完整性影響較大[20]，因此需要測(cè)試高強(qiáng)微彈水泥石的抗拉強(qiáng)度。水泥漿加入高強(qiáng)微彈劑前后在60 ℃、20.7 MPa 條件下養(yǎng)護(hù)48 h 形成水泥石后，分別測(cè)試其抗折強(qiáng)度、楊氏模量、滲透率和抗拉強(qiáng)度，結(jié)果見表2 和圖6。

由表2 和圖6 可知，與未加入高強(qiáng)微彈劑的水泥石相比，加入高強(qiáng)微彈劑的水泥石的滲透率降低78.6%，抗壓強(qiáng)度提高51.8%，楊氏模量降低10.5%，水泥石抗折、抗拉強(qiáng)度分別提高75.0%和81.8%，水泥石總體上呈現(xiàn)出高強(qiáng)微彈屬性。

2.3.3 水泥石動(dòng)態(tài)瞬時(shí)響應(yīng)

上述測(cè)試均為靜態(tài)條件下的測(cè)試，但實(shí)際射孔壓裂對(duì)水泥環(huán)的作用往往是動(dòng)態(tài)瞬時(shí)過程，如壓裂加砂前的地層破裂瞬時(shí)壓力一般是施工壓力的1.5 倍以上。因此，對(duì)高強(qiáng)微彈劑加入水泥后的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程進(jìn)行了表征?；羝战鹕瓑簵U試驗(yàn)是通過彈性波導(dǎo)桿高速?zèng)_擊測(cè)試動(dòng)態(tài)條件下試件的變形和斷裂特性[21]，可以評(píng)價(jià)井下水泥石在射孔壓裂等高應(yīng)變率載荷下的力學(xué)響應(yīng)特性，為此，筆者利用該方法對(duì)高強(qiáng)微彈水泥石見和常規(guī)水泥石的力學(xué)響應(yīng)特性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)果見圖7。

表 2 水泥石力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果Table 2 Cement paste mechanical performance test results

圖 6 水泥石楊氏模量測(cè)試結(jié)果Fig. 6 Young's modulus test results for cement paste

由圖7 可知：在高加載速率瞬時(shí)破壞力作用下，高強(qiáng)微彈水泥石和常規(guī)水泥石的抗壓強(qiáng)度及楊氏模量均變大，表現(xiàn)為應(yīng)力增強(qiáng)特性。由于高強(qiáng)微彈水泥石中高強(qiáng)微彈劑對(duì)沖擊功的吸收，使其楊氏模量（15.5 GPa）變化幅度較小，為常規(guī)水泥石（18.4 GPa）的69%；其抗壓強(qiáng)度增至58.0 MPa，是常規(guī)水泥石的1.45 倍。該試驗(yàn)結(jié)果表明高強(qiáng)微彈水泥石抵抗瞬時(shí)破壞的能力較強(qiáng)。

圖 7 霍普金森壓桿試驗(yàn)所得應(yīng)變-應(yīng)力曲線Fig. 7 Strain-stress curve obtained from the Hopkinson pressure bar test

2.4 水泥石微觀形貌分析

使用掃描電鏡觀察高強(qiáng)微彈水泥石和常規(guī)水泥石的微觀形貌，使用體視顯微鏡觀察2 種水泥石抗壓強(qiáng)度測(cè)試破型后的斷裂面，結(jié)果如圖8 所示。

圖 8 高強(qiáng)微彈水泥石和常規(guī)水泥石的微觀形態(tài)Fig.8 Micro-morphology of high-strength micro-elastic cement paste and blank cement paste sample

從圖8 可以看出：常規(guī)水泥石斷裂后裂紋向水泥體內(nèi)部擴(kuò)展，而高強(qiáng)微彈水泥石斷面并無裂紋延伸，止裂效果較好。高強(qiáng)微彈水泥石更加致密，水化產(chǎn)物均勻，無明顯微裂紋；而常規(guī)水泥石微裂紋發(fā)育，水化產(chǎn)物分布雜亂。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

高強(qiáng)微彈水泥漿體系在延長(zhǎng)油田南部10 余口致密油水平井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，水平段固井質(zhì)量?jī)?yōu)良率為80%（以前為60%），水平段固井質(zhì)量合格率達(dá)到95%，為該區(qū)域致密油水平井多級(jí)縫網(wǎng)壓裂提供了良好的井筒條件。

W 平12 井目的層為延長(zhǎng)組長(zhǎng)8 段，二開采用φ215.9 mm 鉆頭鉆至井深2 872.00 m 完鉆，垂深1 640.00 m，水平段長(zhǎng)1 170.00 m，鉆井液密度為1.09 kg/L。該井φ139.7 mm 套管下至井深2 867.00 m，采用雙密度水泥漿固井，先注入8 m3隔離液和沖洗液，再注入密度1.40 kg/L 的粉煤灰水泥漿50 m3，最后注入密度1.88 kg/L 的高強(qiáng)微彈水泥漿28 m3，施工排量1.2 m3/min，頂替清水33.05 m3后碰壓，卸壓后回水?dāng)嗔?。該井施工連續(xù)順利，水泥返至井口無漏失。依據(jù)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《固井質(zhì)量評(píng)價(jià)方法》（SY/T 6592—2016），對(duì)W 平12 井高強(qiáng)微彈水泥漿封固段的固井質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果見表3。

表 3 W 平12 井高強(qiáng)微彈水泥漿封固段固井質(zhì)量評(píng)價(jià)Table 3 Cementing quality evaluation of high-strength microelastic cement slurry sealing section in Well W Ping 12

W 平12 井水泥漿候凝72 h 后進(jìn)行聲波變密度測(cè)試，結(jié)果顯示高強(qiáng)微彈水泥封固段（水平段及儲(chǔ)層以上300.00 m）固井質(zhì)量?jī)?yōu)良率為90%。該井分10 級(jí)進(jìn)行分段縫網(wǎng)壓裂，各段施工壓力平穩(wěn)，均維持在48 MPa左右，無竄流情況發(fā)生，表明壓裂后水泥環(huán)具有良好的密封性，最終該井產(chǎn)油量15 t/d。可見，高強(qiáng)微彈水泥漿可為該油田增儲(chǔ)上產(chǎn)提供技術(shù)支撐。

4 結(jié) 論

1）結(jié)合延長(zhǎng)油田南部致密油儲(chǔ)層特征和水平井井身結(jié)構(gòu)和多級(jí)縫網(wǎng)壓裂對(duì)固井水泥漿性能的要求，建立了套管-水泥環(huán)-地層受力模型，模擬得出了水泥石楊氏模量與界面壓力的關(guān)系圖版，為該類井水泥漿性能設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

2）以丁苯膠粉為原料，通過粒徑優(yōu)選、表面處理并與甲酰胺及無機(jī)鹽復(fù)配，制成了新型高強(qiáng)微彈劑J86-S，J86-S 在低加量下可使水泥石具有高強(qiáng)微彈的宏觀特性，能滿足水泥石楊氏模量與界面壓力關(guān)系圖版的要求。

3）以J86-S 為主劑的高強(qiáng)微彈水泥漿濾失量低、45°傾角下游離液少、沉降穩(wěn)定性好，與常規(guī)水泥漿相比，水泥石抗壓強(qiáng)度提高51.8%、滲透率降低78.6%、楊氏模量降低10.5%、抗拉抗折強(qiáng)度提高75.0%以上，水泥石致密均勻，具有較高的抵抗瞬時(shí)破壞的能力。

4）高強(qiáng)微彈水泥漿適用性強(qiáng)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果好，大幅度提高了延長(zhǎng)油田致密油水平井的固井質(zhì)量和環(huán)空封隔能力，為同類油氣藏的開發(fā)提供了技術(shù)借鑒。