韌性防氣竄水泥漿體系在水平井中的研究與應(yīng)用

馬 駿，彭 松，鐘新新，劉景麗，王 綺，李立華，劉瀘萍，姜 鵬

（1.渤海鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院，河北任丘 062552；2.渤海鉆探工程有限公司第二鉆井工程分公司，河北廊坊 065007）

吐哈油田水平井?dāng)?shù)量逐漸增多，水平井因?yàn)榫圮壽E的特殊性，固井施工難度很大，很多井因?yàn)楣叹|(zhì)量不合格導(dǎo)致后期完井作業(yè)效果不理想，還有部分井雖然固井質(zhì)量合格，但因水泥環(huán)的力學(xué)性能不滿足要求，壓裂中發(fā)生環(huán)空竄流等問題，固井質(zhì)量問題嚴(yán)重影響吐哈油田水平井的開發(fā)效果。因此，針對水平井固井中存在的問題，研制了增韌防竄劑，形成了適合水平井固井的韌性防氣竄水泥漿體系。

1 增韌防竄劑的研發(fā)

增韌防竄劑的研發(fā)需要考慮水泥漿的防竄性能和水泥石韌性兩個(gè)方面。通過對防竄和增韌機(jī)理的研究[1，2]，通過加入有機(jī)高分子材料形成聚合物薄膜，提高水泥漿防竄性能。一般纖維增韌劑雖然能提高水泥石的延展性，但卻顯著降低了水泥石的阻裂性，使用鋼纖維和高彈模纖維能提高水泥石的阻裂性能，但水泥漿的流動(dòng)性和可泵性變差。通過對纖維材料進(jìn)行表面改性，使之能較容易的分散于藥液中，效果對比（見圖1）。

圖1 纖維改性實(shí)驗(yàn)側(cè)面圖

通過改性實(shí)驗(yàn)，可以看出改性后的纖維在水中具有很好的分散性，能均勻的分散在水中，在配制水泥漿時(shí)，就能夠均勻的分散在水泥漿中。把改性后的纖維材料與高分子材料進(jìn)行復(fù)配，形成了能夠同時(shí)提高水泥石的延展性和阻裂性而又能提高水泥漿的防竄性能的新型復(fù)合增韌防竄劑。

2 水泥漿體系設(shè)計(jì)

根據(jù)水平井固井的特點(diǎn)，水泥漿設(shè)計(jì)需重點(diǎn)考慮以下幾方面性能：零析水、低失水；具有良好的沉降穩(wěn)定性；水泥石具有較好的強(qiáng)度和彈韌性，有一定的微膨脹性能；具有較好的防竄性能。

通過大量室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，優(yōu)選出一套增韌微膨脹防竄水泥漿體系，該體系配方為：G 級水泥+1.5%降失水劑+0.7%分散劑+0.5%膨脹劑+1.0%消泡劑+2.0%復(fù)合型穩(wěn)定劑+4.0%增韌防竄劑+0.2%緩凝劑+44%水。

3 韌性防氣竄水泥漿體系室內(nèi)性能評價(jià)

3.1 防竄性能評價(jià)

該水泥漿體系防竄性能主要是在水泥漿中加入增韌防竄劑，形成抑制滲透的聚合物薄膜，防止流體、氣體侵入水泥漿柱中；還可以形成聚合物網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，縮短靜膠凝強(qiáng)度的過渡時(shí)間，減少氣竄發(fā)生的幾率。

3.1.1 靜膠凝強(qiáng)度 從圖2 可以看出，與原漿相比，韌性防氣竄水泥漿膠凝強(qiáng)度初期發(fā)展緩慢，中期加快，后期強(qiáng)度發(fā)展較快，有利于防止氣竄。而原漿前期強(qiáng)度大，傳壓效果差，容易導(dǎo)致氣竄。

圖2 靜膠凝強(qiáng)度發(fā)展曲線圖

3.1.2 氣竄測試 從圖3 可以看出，測試6 h 后，水泥漿的濾失量曲線趨于平衡，而氣竄量測試到6 h 一直保持為0。表明，該韌性防竄水泥漿體系在驗(yàn)竄壓差下，無竄流發(fā)生，能夠有效阻止氣體竄流。

圖3 韌性防竄水泥漿氣竄測試圖

3.1.3 滲透率測試 水泥漿從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)過渡期內(nèi)，地層中的氣體很容易滲透過水泥本體造成氣竄，影響水平井封固質(zhì)量。滲透率就是通過施加壓差來測定流體流過多孔介質(zhì)的能力[3-5]，使用達(dá)西定律來進(jìn)行計(jì)算。因此為防止氣竄，需要降低水泥石的滲透率。使用OFI 的120-87-DAS 型號滲透率儀水泥滲透率儀對原漿和韌性防氣竄水泥漿進(jìn)行了滲透率實(shí)驗(yàn)。將水泥樣品在黃銅模具中制取后裝入巖心套筒，然后放入測試器內(nèi)，通過氣體穿過試樣來測定滲透率（見表1）。

表1 不同水泥石滲透率實(shí)驗(yàn)對比

由表1 可以看出，韌性防氣竄水泥石滲透率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于原漿水泥石滲透率，有利于提高防氣竄能力。

3.2 力學(xué)性能評價(jià)

（1）室內(nèi)使用三軸應(yīng)力應(yīng)變測試儀對韌性水泥漿體系應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行分析（見圖4，圖5）。

從圖4、圖5 可以看出：常規(guī)水泥石應(yīng)變量達(dá)到1.6%時(shí)水泥石破裂，韌性水泥石應(yīng)變量達(dá)到5.0%時(shí)仍未破裂，該體系水泥石具有較好的變形能力。

圖4 常規(guī)水泥石應(yīng)力應(yīng)變測試圖

圖5 韌性防氣竄水泥石應(yīng)力應(yīng)變測試圖

（2）韌性防竄水泥漿體系與常規(guī)水泥漿進(jìn)行力學(xué)性能對比。對韌性防竄油井水泥體系與常規(guī)水泥漿體系48 h 抗壓強(qiáng)度、7 d 抗拉強(qiáng)度、7 d 楊氏模量、7 d 泊松比等力學(xué)性能進(jìn)行了對比實(shí)驗(yàn)（見表2）。

從表2 數(shù)據(jù)可以看出，與常規(guī)水泥漿相比，該體系水泥石的抗拉強(qiáng)度增加33.3%，水泥石的48 h 抗壓強(qiáng)度降低僅為1.3%，同時(shí)使水泥石具有降低的楊氏模量及較高的泊松比，在同等應(yīng)力狀態(tài)下變形能力大于普通油井水泥。

表2 韌性防竄水泥漿體系與常規(guī)水泥漿力學(xué)性能對比

3.3 膨脹性能評價(jià)

常規(guī)水泥漿凝固過程中發(fā)生體積收縮，在井下各種應(yīng)力作用下可能引起水泥環(huán)產(chǎn)生微裂縫，嚴(yán)重影響固井質(zhì)量。為此，在該體系中加入膨脹劑來補(bǔ)償水泥漿凝固時(shí)的這種體積收縮，在不同溫度下對原漿與韌性防竄水泥漿的膨脹性能進(jìn)行了對比實(shí)驗(yàn)（見圖6）。

由圖6 可見，與常規(guī)水泥漿相比，韌性防竄水泥漿具有一定的微膨脹性能，膨脹率隨著時(shí)間的延長而增大。說明該體系水泥漿能夠補(bǔ)償水泥石的體積收縮，可以有效的避免水泥漿凝固時(shí)的體積收縮而產(chǎn)生的微環(huán)隙、微裂縫問題，改善膠結(jié)狀況，實(shí)現(xiàn)有效的層間封隔，提升固井質(zhì)量。

圖6 膨脹率對比線性圖

3.4 沉降穩(wěn)定性評價(jià)

由于重力作用，水泥漿在水平井段和斜井段徑向沉降嚴(yán)重，一旦沉降就會造成水泥環(huán)強(qiáng)度和密度極度不均勻影響封固質(zhì)量，因此水平井固井必須有效提高水泥漿的穩(wěn)定性[6-8]。

將配制好的韌性防氣竄水泥漿裝倒入沉降穩(wěn)定管內(nèi)，在實(shí)驗(yàn)溫度下養(yǎng)護(hù)24 h 后脫模，將水泥石切割成5段后，分別測定每一節(jié)水泥試塊的密度（見圖7）。ρ=m空/m水，式中，ρ 為水泥試塊的相對密度；m空為水泥試塊在空氣中的質(zhì)量，g；m水為水泥試塊在水中的質(zhì)量，g。全部試塊的測定結(jié)果用于說明整個(gè)試樣的密度分布情況。測試結(jié)果（見表3）。

圖7 水泥石試塊

表3 各段試塊水泥石密度

通過表3 可以看出，該水泥漿體系上下密度差僅為0.006 g/cm3，具有較好的沉降穩(wěn)定性。

3.5 水泥漿體系綜合性能評價(jià)

水平井固井對水泥漿體系綜合性能要求較高，對韌性防氣竄水泥漿體系的綜合性能進(jìn)行了室內(nèi)實(shí)驗(yàn)（見表4）。

從表4 可以看出，該韌性防氣竄水泥漿體系具有良好的基本性能，API 失水量可以控制在50 mL 以內(nèi)，無游離液，水泥石強(qiáng)度較高，水泥漿呈直角稠化，過渡時(shí)間短，總體性能能夠滿足水平井固井安全施工要求。

表4 韌性防氣竄水泥漿體系的基本性能

4 現(xiàn)場應(yīng)用

（1）紅臺XX 井是位于吐哈油田紅臺區(qū)塊一口水平井，該井Φ139.7 mm 油層套管固井時(shí)應(yīng)用韌性防氣竄水泥漿體系。

①固井難點(diǎn)：該井為水平井，套管居中度難以保障，影響頂替效率；可能存在比預(yù)測壓力值更高的壓力，水泥漿候凝失重期間有發(fā)生竄槽的風(fēng)險(xiǎn)；下套管時(shí)遇阻，考慮到井眼軌跡復(fù)雜，需適當(dāng)調(diào)整套管扶正器數(shù)量，保證下套管安全順利到底。

②固井工藝措施：下套管前做地層承壓實(shí)驗(yàn)；下套管前認(rèn)真通井，并注入高黏度鉆井液攜帶井底沉砂，充分循環(huán)沖洗井眼，砂子攜帶干凈后再下套管；下套管過程中，及時(shí)灌滿泥漿，平衡壓力，確保套管安全順利下入；套管到位后先小排量頂通，再緩慢上升至正常排量循環(huán)2～3 周，充分循環(huán)沖洗井眼；注入高效前置液10 m3，降低環(huán)空液柱壓力，起到高效沖洗作用；采用韌性防竄水泥漿體系；水平段套管內(nèi)替清水，增加浮力，提高水平段套管居中度。

③室內(nèi)復(fù)合實(shí)驗(yàn)：該井采用韌性防竄水泥漿體系固井，水泥漿綜合性能良好（見表5），現(xiàn)場大樣復(fù)合稠化時(shí)間曲線呈直角，過渡時(shí)間較短。

表5 紅臺XX 井水泥漿綜合性能

④現(xiàn)場施工：紅臺XX 井現(xiàn)場施工順利，注灰時(shí)，水泥漿平均密度為1.88 g/cm3，該井固井質(zhì)量優(yōu)質(zhì)。

（2）馬XX 井是位于吐哈油田三塘湖區(qū)塊一口水平井，該井Φ139.7 mm 油層套管固井時(shí)應(yīng)用韌性防氣竄水泥漿體系。

①固井難點(diǎn)：該井可能存在比預(yù)測壓力值更高的壓力，水泥漿候凝失重期間有發(fā)生竄槽的風(fēng)險(xiǎn)；該井為水平井，套管居中度難以保障，影響頂替效率；該井沒有井徑數(shù)據(jù)，容易出現(xiàn)水泥返高不夠或者高返的情況；該井在1 864 m 處發(fā)生漏失，地層承壓能力低，水泥漿返高可能無法滿足要求。

②固井工藝措施：下套管前做承壓實(shí)驗(yàn)，井口承壓3 MPa，30 min 壓降不超過0.5 MPa，若不能滿足要求，則加入中細(xì)顆粒堵漏劑堵漏，繼續(xù)承壓至滿足施工要求；下套管前通井，打15～20 m3稠塞攜帶井底沉砂，充分循環(huán)沖洗井眼，砂子攜帶干凈后再下套管；下套管過程中，及時(shí)灌滿泥漿，平衡壓力，確保套管安全順利下入；套管到位后先小排量頂通，再緩慢上升至正常排量循環(huán)2～3 周，充分循環(huán)沖洗井眼；保證造斜段和水平段套管居中度；采用韌性防竄防漏水泥漿體系。

③室內(nèi)復(fù)合實(shí)驗(yàn)：該井采用韌性防竄水泥漿體系固井，水泥漿綜合性能良好（見表6），現(xiàn)場大樣復(fù)合稠化時(shí)間曲線呈直角，過渡時(shí)間較短。

表6 馬XX 井水泥漿綜合性能

④現(xiàn)場施工：馬XX 井現(xiàn)場施工順利，注灰時(shí)，水泥漿平均密度為1.90 g/cm3，該井固井質(zhì)量優(yōu)質(zhì)。

（3）吉XX 井是位于吐哈油田吉木薩爾區(qū)塊一口水平井,該井Φ139.7 mm 油層套管固井時(shí)應(yīng)用抗鹽韌性防氣竄水泥漿體系。

①固井難點(diǎn)：該井水平段長達(dá)1 758 m，水平位移達(dá)到2 000 m，最大狗腿7.81°，下鉆摩阻較大，下套管至設(shè)計(jì)位置難度大；水平井固井套管居中度低，鉆井液中混入3%白油，影響二界面固井質(zhì)量；致密頁巖油水平井需要體積壓裂，對水泥漿析水、失水、防竄性能及水泥石完整性要求高，水泥漿配方調(diào)整有難度。

②固井工藝措施：下套管前采用單雙扶通井，對起下鉆遇阻段、摩阻較大段，反復(fù)短拉，重點(diǎn)井段2500-2850、2960-3015、降低下鉆摩阻至20 t，確保套管下入順利；通井時(shí)稠塞分段清掃井筒，確保井筒清潔；起鉆前在打鉆井液封閉液，建議在鉆井液封閉液加入潤滑劑降低套管下入摩阻（石墨粉和白油）；水泥漿采用抗鹽防竄增韌體系和低密早強(qiáng)水泥漿體系，防止井漏，提高固井質(zhì)量；優(yōu)化隔離液及油污沖洗液性能及加量，提高二界面固井質(zhì)量。

③室內(nèi)復(fù)合實(shí)驗(yàn)：該井采用抗鹽韌性防竄水泥漿體系固井，水泥漿綜合性能良好（見表7），現(xiàn)場大樣復(fù)合稠化時(shí)間曲線呈直角，過渡時(shí)間較短。

表7 吉XX 井水泥漿綜合性能

④現(xiàn)場施工：吉XX 井現(xiàn)場施工順利，注灰時(shí)，水泥漿平均密度為1.89 g/cm3，該井固井質(zhì)量優(yōu)質(zhì)。

5 結(jié)論與建議

（1）研發(fā)的增韌防竄劑一方面可以形成聚合物膜，提高水泥漿防竄性能，另一方面可以改善水泥石的力學(xué)性能。

（2）所形成的韌性防氣竄水泥漿體系具有較好的穩(wěn)定性、防竄性、膨脹性和水泥石力學(xué)性能，水泥漿體系綜合性能良好。

（3）通過現(xiàn)場應(yīng)用情況，該水泥漿體系能夠滿足射孔和體積壓裂對水泥漿性能的要求，能夠符合現(xiàn)場施工需要，能夠提高水平井固井質(zhì)量。