合川001-84-H1井固井水泥漿體系研究與應(yīng)用

宋偉賓，盧海川，周 雪，滕兆健，劉 勇，李建華

（中國石油集團(tuán)海洋工程有限公司渤星公司，天津 300451）

位于四川盆地的合川區(qū)塊地處川渝交界，天然氣資源儲(chǔ)量豐富，是我國非常規(guī)油氣資源的重要組成部分，主力含氣層系為須家河二段。合川001-84-H1井位于四川省廣安市武勝縣，構(gòu)造位置處于合川須三底界構(gòu)造西端，屬合川區(qū)塊。該區(qū)塊漏失層系多，沙溪廟至須家河組孔隙裂縫發(fā)育，該層位滲透性漏失與裂縫性漏失并存，特別是馬鞍山—珍珠沖層段為區(qū)域性惡性漏層，井漏失返頻繁[1]。合川構(gòu)造氣層活躍，該區(qū)塊單井平均日產(chǎn)氣約40×104m3[2]，對(duì)防氣竄提出了很高要求，同時(shí)該井后續(xù)要進(jìn)行壓裂等增產(chǎn)措施，要求水泥石有較好的韌性。

1 固井難點(diǎn)分析

（1）該區(qū)塊地層承壓能力低，漏失層系多，固井施工時(shí)存在較大的漏失風(fēng)險(xiǎn)；

（2）氣層活躍，水泥漿在候凝過程中存在氣竄風(fēng)險(xiǎn)；

（3）水平段長1532m，下套管難度大。下套管摩阻大，易遇卡，對(duì)固井工具及附件的可靠性要求非常高；

（4）多層系氣層活躍且地層承壓能力差，一次上返封固段長，安全密度串口窄，壓穩(wěn)和防漏矛盾突出；

（5）固井后，頁巖產(chǎn)層需要大型壓裂改造，對(duì)水泥石性能（韌性）要求高。

2 固井方法和主要技術(shù)措施

2.1 固井方法

本井?215.9mm 鉆頭鉆深3855m，?139.7mm 套管下深3853m。A點(diǎn)2323m,B點(diǎn)3855m，水平段長1532m，最大垂深2089m。上層?244.5mm 套管下深2193m。

采用一次上返方式固井，水泥漿采用雙凝雙密度水泥漿體系，井底到2000m采用1.90g/cm3的增韌防竄水泥漿體系，2000m 到井口采用1.55g/cm3的納米基低密度水泥漿體系。

2.2 主要技術(shù)措施

本次?139.7mm 生產(chǎn)套管固井，固井封固段、水平段長，全井段承壓能力低，多層系，尤其是目的層氣層活躍，為保證固井施工順利完成，采取如下措施：

（1）調(diào)整好洗井鉆井液性能，為井眼替凈提供條件，在下套管前，雙扶通井，對(duì)阻卡井段認(rèn)真做好劃眼工作，消除井壁臺(tái)階，確保井眼圓滑、無阻卡；

（2）下套管前進(jìn)行地層承壓實(shí)驗(yàn)，要求鉆井隊(duì)進(jìn)行地層承壓能力實(shí)驗(yàn)時(shí)，緩慢增加壓力，使井底當(dāng)量密度達(dá)到1.62g/cm3，滿足固井施工安全需要，確保下套前井底安全方可進(jìn)行下套管作業(yè)，下套管前如發(fā)生井漏，堵漏成功后進(jìn)行固井；

（3）在下套管過程中，控制下套管速度，分段循環(huán)，減小后期循環(huán)阻力，降低井漏風(fēng)險(xiǎn)；

（4）下完套管后，小排量頂通，循環(huán)30min以上，后采用1.6m3/min排量循環(huán)2周以上，鉆井液粘度調(diào)整到80s以下，進(jìn)出口密度差小于0.02g/cm3。循環(huán)過程中，如果出現(xiàn)漏失，測(cè)好漏失速度，水泥量按漏失速度考慮附加量；

（5）保證水平段套管居中度，水平段1 根套管安放1個(gè)整體彈性扶正器，為套管順利下入和提高固井頂替效率創(chuàng)造條件；

（6）優(yōu)化水泥漿設(shè)計(jì)，提高氣層封固效果和水泥環(huán)質(zhì)量，固井前按照最大施工排量充分循環(huán)排除后效。領(lǐng)漿使用納米基低密度水泥漿體系，滿足產(chǎn)層壓穩(wěn)和防漏固井需要；水平段使用增韌防竄水泥漿體系，實(shí)現(xiàn)水泥漿低失水、零自由水、短過渡、韌性強(qiáng)等目標(biāo)，有效解決氣層封固質(zhì)量問題。

3 水泥漿體系

3.1 納米基低密度水泥漿體系

低密度水泥漿體系包括需水類、空心微珠類和泡沫類等三種類型[3]。需水類低密度水泥漿主要包括膨潤土、水玻璃和粉煤灰等，其優(yōu)點(diǎn)是成本低且耐壓，缺點(diǎn)是稠化時(shí)間和失水等性能不易調(diào)節(jié)、強(qiáng)度發(fā)展緩慢和滲透率大等?？招奈⒅轭惖兔芏人酀{體系優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)度較高、密度易調(diào)節(jié)，缺點(diǎn)是不耐壓，或者耐壓的成本較高。泡沫類低密度水泥漿體系分為機(jī)械發(fā)泡和化學(xué)發(fā)泡兩種水泥漿體系，機(jī)械發(fā)泡類設(shè)備，工藝都較復(fù)雜，化學(xué)發(fā)泡類水泥漿的密度不易控制。

為克服現(xiàn)有低密度水泥漿體系的缺點(diǎn)，研制了新型納米基減輕增強(qiáng)材料BCE-680S。并以BCE-680S為核心形成了納米基低密度水泥漿體系，該體系具有高強(qiáng)度、高耐壓和穩(wěn)定性良好等特點(diǎn)。根據(jù)BCE-680S 和水的加量不同，可設(shè)計(jì)出不同密度的納米基低密度水泥漿體系，

分別從以BCE-680S為核心形成的納米基低密度水泥漿體系的抗壓強(qiáng)度、穩(wěn)定性和耐壓性能等方面進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3.1.1 抗壓強(qiáng)度性能

以BCE-680S為核心形成的納米基低密度水泥漿體系雖然液固比大，但是納米材料高反應(yīng)活性使得水泥石抗壓強(qiáng)度較高。評(píng)價(jià)結(jié)果見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，相同緩凝劑加量條件下，水泥石抗壓強(qiáng)度隨水泥漿密度和養(yǎng)護(hù)溫度的升高而增大，1.35g/cm3以上密度的納米基低密度水泥漿體系48h抗壓強(qiáng)度大于14MPa，與常規(guī)密度水泥漿的抗壓強(qiáng)度相當(dāng)，滿足固井技術(shù)要求。

表1 水泥石抗壓強(qiáng)度評(píng)價(jià)

3.1.2 沉降穩(wěn)定性性能

由于油井水泥外加劑的部分降解或高溫剪切稀釋作用等因素，水泥漿穩(wěn)定性變差，易造成環(huán)空憋堵。因此，水泥漿沉降穩(wěn)定性是保證固井安全施工的關(guān)鍵之一。對(duì)不同溫度和密度下的水泥漿沉降穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果見表2。

評(píng)價(jià)方法：將制備好的水泥漿倒入常壓稠化儀中，在目標(biāo)溫度下攪拌20min，然后倒入500mL量筒，在目標(biāo)溫度養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)靜置2h。取出測(cè)上部、中部、下部密度。水泥漿上下密度差=水泥漿下部密度-上部密度。

表2實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該水泥漿體系養(yǎng)護(hù)后上下密度差小于0.03g/cm3，具有良好的沉降穩(wěn)定性，這主要是由于該體系中的納米材料的尺寸特性和表面特性起到了良好的懸浮作用，進(jìn)一步保證了漿體持續(xù)穩(wěn)定。

表2 納米基低密度水泥漿沉降穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

3.1.3 耐壓性能

耐壓性能是納米基低密度水泥漿體系的一大特點(diǎn)，該體系以水作為減輕劑，故而耐壓性能良好。評(píng)價(jià)結(jié)果見表3。

表3 60MPa條件下水泥漿耐壓評(píng)價(jià)

評(píng)價(jià)方法：測(cè)量制備好的水泥漿的密度，然后將其倒入高溫高壓稠化儀中，按照升溫升壓方案將溫度和壓力升至目標(biāo)溫度和壓力后恒溫恒壓繼續(xù)攪拌30min，然后停機(jī)，取出水泥漿，測(cè)量養(yǎng)護(hù)后的水泥漿密度。水泥漿加壓前后密度差=養(yǎng)護(hù)后水泥漿密度-養(yǎng)護(hù)前水泥漿密度。

表3實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，溫度對(duì)該水泥漿體系耐壓性能影響不大，隨著水泥漿密度的升高，耐壓性能有所增強(qiáng)。該水泥漿體系在60MPa壓力下加壓前后密度差小于0.03g/cm3，具有良好的耐壓性能。

3.2 增韌防竄水泥漿體系

增韌防竄水泥漿體系是一種聚合物柔性水泥漿體系。其機(jī)理是通過在水泥漿中引入高分子柔性聚合物（BCG-300S），形成抑制滲透的柔性聚合物薄膜，防止流體侵入水泥漿，起到防竄的效果；同時(shí)當(dāng)水泥石受到外部沖擊時(shí)，該柔性聚合物可以分散一定的應(yīng)力，增加了水泥石的變形能力，從而改善了水泥石的韌性。

3.2.1 防竄性能

根據(jù)SY/T 5504.5-2010行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行了水泥漿防竄試驗(yàn)，結(jié)果見圖1。圖1 表明，增韌防竄水泥漿體系防竄性能優(yōu)良。

圖1 增韌防竄水泥漿體系防竄實(shí)驗(yàn)

3.2.2 增韌防竄水泥漿體系水泥石力學(xué)性能

增韌防竄水泥漿體系的水泥石力學(xué)性能見圖2。

從圖2可以看出，增韌防竄水泥漿體系在較高抗壓強(qiáng)度下隨BCG-300S 摻量增加彈性模量明顯下降，說明該體系有較好的韌性。

圖2 增韌防竄水泥漿體系彈性模量

3.2.3 膨脹性能

增韌防竄水泥漿體系中聚合物與水泥水化產(chǎn)物相互作用，使得水泥石表現(xiàn)出一定的膨脹性能，有利于改善水泥石界面膠結(jié)。結(jié)果如表4所示。

表4 膨脹性能

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

合川001-84-H1 井設(shè)計(jì)井深3818m，實(shí)際完鉆井深3855m，垂深2078m，鉆進(jìn)采用?215.9mm 鉆頭，下入?139.7mm套管進(jìn)行固井。該井在3651m鉆進(jìn)過程發(fā)生井漏，漏失密度1.50g/cm3，漏失量12m3，經(jīng)橋漿堵漏成功堵漏。在垂深2057m 處做地層承壓實(shí)驗(yàn)，當(dāng)量鉆井液密度1.58g/cm3未壓破。

根據(jù)合川001-84-H1 井鉆井復(fù)雜和地破實(shí)驗(yàn)等條件對(duì)?139.7mm 生產(chǎn)套管固井的要求，確定固井實(shí)驗(yàn)條件（75℃×35MPa×35min），領(lǐng)漿納米低密度水泥漿密度為1.55g/cm3，尾漿增韌防竄水泥漿密度為1.90g/cm3。實(shí)驗(yàn)研究了水泥漿體系的稠化、失水、抗壓強(qiáng)度、游離液、穩(wěn)定性和耐壓能力等綜合性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5，稠化曲線見圖3和圖4。

圖3 領(lǐng)漿（75℃）稠化曲線

圖4 尾漿（75℃）稠化曲線

表5 水泥漿體系綜合性能

領(lǐng)漿實(shí)驗(yàn)配方：四川嘉華G級(jí)水泥+納米基減輕增強(qiáng)材料BCE-680S40%+降失水劑BCF-200S 4%+緩凝劑BXR-200L0.35%+水95%+消泡劑G603 0.5%，密度為1.55g/cm3。

尾漿實(shí)驗(yàn)配方：四川嘉華G級(jí)水泥+防竄劑BCG-300S5%+降失水劑BCF-200S2%+緩凝劑BXR-200L 0.10%+水43%+消泡劑G603 0.5%，密度為1.90g/cm3。

從表5、圖3和圖4可以看出，納米基低密度水泥漿體系稠化線型良好，API 失水可控制在50mL 以內(nèi)，養(yǎng)護(hù)后水泥漿無游離液，上下密度差小于0.03g/cm3，35MPa 加壓前后密度差小于0.03g/cm3，48h 水泥石底部抗壓強(qiáng)度在14MPa 以上，頂部強(qiáng)度大于3.5MPa；增韌防竄水泥漿體系失水，穩(wěn)定性等性能良好，抗壓強(qiáng)度高，彈性模量低，滿足現(xiàn)場(chǎng)施工要求和后期壓裂等增產(chǎn)措施的需要。

2020年9月實(shí)施固井施工，注入20m3密度為1.53g/cm3的驅(qū)油型隔離液，47m3密度為1.55±0.02g/cm3的納米基低密度水泥漿和50m3密度為1.90g/cm3的增韌防竄水泥漿，替漿總量為42m3。現(xiàn)場(chǎng)施工順利，碰壓明顯，納米基低密度水泥漿返出地面，未發(fā)生漏失，井口返出水泥漿密度1.54g/cm3，說明納米基低密度水泥漿的實(shí)際耐壓性能良好。測(cè)井結(jié)果顯示固井質(zhì)量?jī)?yōu)質(zhì)，滿足固井要求。

5 結(jié)論

（1）針對(duì)合川001-84-H1 井地層特性和固井難點(diǎn)，以BCE-680S 為核心形成的納米基低密度水泥漿體系和以BCG-300S 為核心的增韌防竄水泥漿體系，綜合性能滿足該井固井需求。

（2）該納米基低密度水泥漿體系與增韌防竄水泥漿體系共同形成的雙凝雙密度水泥漿體系在合川區(qū)塊合川001-84-H1 井成功應(yīng)用，現(xiàn)場(chǎng)固井施工順利，固井效果良好，為后續(xù)合川區(qū)塊的固井施工提供了一定的借鑒。