塑性膨脹防氣竄水泥漿體系研究與應(yīng)用

鄭國(guó)生 朱禮平 李群生 周仕明

（1.中國(guó)石化天然氣工程項(xiàng)目管理部，四川成都 610081；2.中國(guó)石化西南油氣分公司工程技術(shù)研究院，四川德陽(yáng) 618000；3.中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101）

塑性膨脹防氣竄水泥漿體系研究與應(yīng)用

鄭國(guó)生1朱禮平2李群生2周仕明3

（1.中國(guó)石化天然氣工程項(xiàng)目管理部，四川成都 610081；2.中國(guó)石化西南油氣分公司工程技術(shù)研究院，四川德陽(yáng) 618000；3.中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101）

川西高壓低滲水平井需壓裂完井后投產(chǎn)，對(duì)固井水泥漿性能提出了更高的要求。結(jié)合川西水平井固井技術(shù)需求，通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)優(yōu)選了膨脹劑、防氣竄劑、穩(wěn)定劑和增塑劑，確定了塑性膨脹防氣竄水泥漿體系配方。室內(nèi)評(píng)價(jià)結(jié)果表明，該體系具有API失水小于30 mL、自由液0 mL、SPN值小于3等性能。XS21-3H等多口水平井油層固井中的成功應(yīng)用表明，該體系可以滿(mǎn)足后期分段壓裂投產(chǎn)施工要求。

低滲透氣藏；水平井；固井；塑性膨脹水泥漿；防氣竄

與常規(guī)直井或定向井相比，水平井由于斜井段軌跡影響，普遍存在水平段居中度不高、水泥漿頂替效率差等問(wèn)題，致使大多數(shù)水平井固井質(zhì)量不甚理想，難以保證長(zhǎng)效封固質(zhì)量，影響著油氣井長(zhǎng)期安全生產(chǎn)?？傮w上，影響水平井固井質(zhì)量因素可概括為固井工藝技術(shù)和水泥漿體系兩個(gè)方面，其中前者可依靠研發(fā)新型水平井固井工具或提高施工工藝技術(shù)得以解決，而后者只能依靠開(kāi)發(fā)新水泥漿體系來(lái)解決。

川西中淺層高壓低滲氣藏，在前期直井/定向井開(kāi)發(fā)時(shí)形成了適合定向井開(kāi)發(fā)的膨脹、KQ/FLOK等系列水泥漿體系，基本滿(mǎn)足了川西中淺層氣藏勘探開(kāi)發(fā)要求［1-3］。然而，在“十二五”水平井規(guī)模開(kāi)發(fā)下，需使用裸眼或套管分段壓裂完井投產(chǎn)工藝，對(duì)水平井固井質(zhì)量提出了更高要求，至今還未形成完全適應(yīng)水平井開(kāi)發(fā)的水泥漿技術(shù)。為此，筆者結(jié)合川西高壓低滲水平井固井技術(shù)需求，通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)優(yōu)選了膨脹劑、防氣竄劑、穩(wěn)定劑和增塑劑，確定了塑性膨脹防氣竄水泥漿體系配方［4-8］，并成功應(yīng)用于XS21-3H等多口水平井油層套管固井中。

1 添加劑優(yōu)選實(shí)驗(yàn)

1.1 膨脹劑

根據(jù)常用發(fā)氣或晶格膨脹劑特點(diǎn)［5］，為滿(mǎn)足低滲氣藏水平井防氣竄要求，通過(guò)大量室內(nèi)實(shí)驗(yàn)選用DZP-1作為膨脹劑，其主要成分為硫酸鈣，加入后與水泥中鋁酸三鈣反應(yīng)生成艾丁依特，產(chǎn)生晶格脹大，可有效彌補(bǔ)水泥石體積收縮。使用HTP-0650型油井水泥膨脹收縮測(cè)試儀，在90 ℃、20 MPa條件下測(cè)定了配方為嘉華G級(jí)水泥（JHG）+水+不同加量膨脹劑DZP-1制備的水泥石膨脹率（表1）。

表1 不同DZP-1加量下水泥石膨脹測(cè)試數(shù)據(jù)

由表1可知，JHG水泥漿在未加入膨脹劑和1%加量下，凝固后水泥石體積收縮率為10.8‰和9.10‰，加入2%膨脹劑DZP-1水泥漿，凝固后水泥石體積膨脹為3.41‰，說(shuō)明膨脹劑DZP-1可克服水泥漿收縮缺點(diǎn)，使水泥漿具有微膨脹特性。

1.2 防氣竄劑和穩(wěn)定劑

1.2.1 防氣竄劑 在膨脹劑選用DZP-1的基礎(chǔ)上，根據(jù)成膜類(lèi)非滲透防氣竄劑應(yīng)用效果較好的特點(diǎn)，本實(shí)驗(yàn)采用了非滲透防氣竄劑FSAM，按不同加量配制了4種水泥漿配方，并測(cè)定了其性能參數(shù)（表2），其實(shí)驗(yàn)配方如下：

1#：JHG+2.0%DZP-1+6.0%FSAM+2.0%分散劑DZS+0.20%緩凝劑DZH+44%德州自來(lái)水；

2#：JHG+2.0%DZP-1+7.0%FSAM+2.0%分散劑DZS+0.15%緩凝劑DZH+44%德州自來(lái)水；

3#：JHG+2.0%DZP-1+7.0%FSAM+2.2%分散劑DZS+0.17%緩凝劑DZH+44%德州自來(lái)水；

4#：JHG+2.0%DZP-1+7.0%FSAM+2.2%分散劑DZS+0.16%緩凝劑DZH+44%德州自來(lái)水。

表2 不同F(xiàn)SAM加量水泥漿性能表

從表2可知，JHG水泥漿中加入非滲透防氣竄劑FSAM，能有效控制水泥漿API失水小于30 mL，減小水泥漿濾液對(duì)儲(chǔ)層污染；SPN值小于3，水泥漿防氣竄能力強(qiáng)；水泥漿稠化過(guò)渡時(shí)間小于10 min，24 h強(qiáng)度大于15 MPa。

1.2.2 穩(wěn)定劑 通過(guò)大量室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，選用液態(tài)硅DZW作為穩(wěn)定劑，按規(guī)范要求選用自由液作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，將配置好的水泥漿在常壓稠化儀里養(yǎng)護(hù)20 min，倒入250 mL量筒里做45°自由液實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 自由液實(shí)驗(yàn)

從表3可知，DZW具有較好的降低水泥漿自由液能力，隨著DZW加量增大，水泥漿自由液逐漸降低；當(dāng)DZW加量為3%時(shí)水泥漿自由液降低到0，水泥漿具有較優(yōu)穩(wěn)定性；此外加入7%FSAM和3%DZW水泥漿，其自由液為0，說(shuō)明DZW與FSAM具有較好的配伍性。

1.3 增塑劑

通過(guò)大量室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，選用了纖維類(lèi)的增塑劑DZZ-2和彈性材料DZZ-1作為增塑劑，按加入單一增塑劑和復(fù)配增塑劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)定其對(duì)應(yīng)水泥石性能參數(shù)（表4～6），實(shí)驗(yàn)基本配方為：JHG+DZZ+7.0%FSAM+3.0%DZW+44%德州自來(lái)水。

表4 加入DZZ-1水泥石性能

表5 加入DZZ-2水泥石性能

表6 加入復(fù)合增塑劑后水泥石性能

從表4～6可看出：（1）JHG水泥漿中加入單一增塑劑后，水泥石抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均有明顯增加，當(dāng)DZZ-1或DZZ-2加量大于5%后，水泥石抗壓和抗折強(qiáng)度增加不明顯；（2）將兩種增韌劑摻混使用，可較小幅度地提高水泥石抗壓強(qiáng)度，但可大幅度提高水泥石抗折強(qiáng)度，提高水泥石韌性，當(dāng)DZZ-1和DZZ-2按質(zhì)量比3:2復(fù)配時(shí)的水泥石彈性性能最好，為此本水泥漿體系選用此復(fù)配增塑劑DZZ。

2 塑性膨脹防氣竄水泥漿性能評(píng)價(jià)

2.1 綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)各種添加劑優(yōu)選實(shí)驗(yàn)結(jié)果，使用優(yōu)選出的膨脹劑DZP-1、防氣竄劑FSAM、穩(wěn)定劑DZW和增塑劑DZZ，并復(fù)配分散劑、緩凝劑等其他外加劑，對(duì)塑性膨脹防氣竄水泥漿體系進(jìn)行了綜合性能評(píng)價(jià)（表7）。實(shí)驗(yàn)基本配方為：JHG+2.0%DZP-1+DZZ+7.0%FSAM+2.5%DZS+DZH+3.0%DZW+44%德州自來(lái)水。

表7 塑性膨脹防氣竄水泥漿性能（養(yǎng)護(hù)溫度75 ℃）

從表7可看出：（1）水泥漿稠化時(shí)間可通過(guò)緩凝劑調(diào)節(jié)，能夠滿(mǎn)足水平井固井施工需要，而且該體系稠化過(guò)渡時(shí)間短，具有較優(yōu)的直角稠化特性，其SPN值小于3，有利于防氣竄；（2）該體系水泥漿瞬間失水后能迅速成膜，可大幅降低水泥漿在高滲透地層失水，其API失水均小于30 mL，一方面可增加氣體在水泥漿中運(yùn)移阻力，補(bǔ)償水泥漿膠凝失重影響，另一方面有利于提高水泥漿穩(wěn)定性，防止環(huán)空氣竄，有利于保護(hù)油氣層；（3）優(yōu)選出的外加劑相互之間配伍性良好，有利于配方調(diào)整。

2.2 防氣竄特性評(píng)價(jià)

利用水泥漿防氣竄特性評(píng)價(jià)儀對(duì)塑性膨脹防氣竄水泥漿的防氣竄特性進(jìn)行評(píng)價(jià)。水泥漿初始稠化時(shí)間72 min內(nèi)，模擬的水泥漿壓力曲線(xiàn)與地層孔隙壓力曲線(xiàn)基本重合，模擬試驗(yàn)未發(fā)生氣竄，表明該體系具有良好的防氣竄能力。

2.3 沉降穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

水泥漿經(jīng)養(yǎng)護(hù)后用500 mL量筒放置2 h后分別用上部和下部漿倒入強(qiáng)度試模養(yǎng)護(hù)，凝固后測(cè)其密度（表8），從表中可知，上下部水泥石模塊換算密度均為1.90 g/cm3，表明塑性膨脹防氣竄水泥漿體系具有較優(yōu)的沉降穩(wěn)定性，自由液為0。

表8 沉降穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

2.4 韌性和膨脹性評(píng)價(jià)

按照材料彈性模量越小或泊松比越大其韌性越好原則，使用三軸應(yīng)力實(shí)驗(yàn)儀和水泥石膨脹收縮儀對(duì)水泥石彈性模量和膨脹性進(jìn)行測(cè)試，其評(píng)價(jià)結(jié)果（表9）。實(shí)驗(yàn)基本配方為，1#常規(guī)體系：JHG+7.0%FSAM+2.5%DZS+0.2%DZH+3.0%DZW+44%德州自來(lái)水；2#本文體系：JHG+2.0%DZP-1+5.5%DZZ+7.0%FSAM+2.5%DZS+0.3%DZH+3.0%DZW+44%德州自來(lái)水。

表9 塑性膨脹防氣竄水泥漿體系彈性模量和膨脹率

從表9可看出,塑性膨脹防氣竄水泥漿體系的彈性模量較常規(guī)體系降低了18.3%，具有更好的塑性；同時(shí)該體系不發(fā)生體積收縮，膨脹率3.41%。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

塑性膨脹防氣竄水泥漿體系已在XS21-3H、XS21-2H等多口水平井油層套管固井中進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，總體上油層套管固井合格率88.76%，能夠滿(mǎn)足水平井分段壓裂投產(chǎn)施工要求。以XS21-3H井為例，完鉆井深2 942 m、套管下深2 938.64 m，最大井斜91.60°，使用的塑性膨脹防氣竄水泥漿體系基本性能見(jiàn)表10，配合采用前期水平井前置液性能優(yōu)化、細(xì)化固井施工工藝等技術(shù)措施，明顯提高了水平井固井質(zhì)量，該井固井質(zhì)量合格率達(dá)93.30%，優(yōu)良率64.57%。2010年該井分段壓裂施工井口壓力高達(dá)65 MPa，在井口油壓 23.31 MPa、套壓 23.86 MPa下投產(chǎn)至今未發(fā)生環(huán)空氣竄現(xiàn)象。

表10 XS21-3H井水泥漿基本性能

4 結(jié)論

（1）采用實(shí)驗(yàn)方法優(yōu)選出的膨脹劑DZP-1、非滲透防氣竄劑FSAM、穩(wěn)定劑DZW和增塑劑DZZ具有很好配伍性，確定了塑性膨脹防氣竄水泥漿基本配方。

（2）室內(nèi)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)塑性膨脹防氣竄水泥漿體系具有API失水小于30 mL、自由液為0 mL、SPN值小于3等性能，滿(mǎn)足川西高壓低滲氣藏水平井固井要求。

（3）川西多口水平井油層套管現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，該水泥漿體系防氣竄效果好，固井質(zhì)量合格率高，可滿(mǎn)足分段壓裂投產(chǎn)施工要求。

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（修改稿收到日期 2013-07-26）

Study and application of plastic expansion anti-channeling slurry system

ZHENG Guosheng1, ZHU Liping2, LI Qunsheng2, ZHOU Shiming3
（1. Natural Gas Project Management Department,Sinopec,ChengDu610081,China;2. Engineering and Technology Institute,Southwest Petroleum Branch,Sinopec,Deyang618000,China;3. Sinopec Research Institute of Petroleum Engineering,Beijing100101,China）

The horizontal wells with high pressure and low permeability need fracturing operation before being on production in West Sichuan, which puts forward higher requirements on the performance of cement slurry. The expansive agent, anti-channeling agent,stabilizer and plasticizer have been optimized and selected through indoor experiment, and a plastic expansion anti-channeling cement slurry system has been formed. The results of the laboratory show that the system has some features like API fluid loss less than 30mL,free liquid equal to 0mL, and SPN value less than 3. It has been successfully used in oil zone cementing on many horizontal wells such as XS21-3H, and satisfies the later staged fracturing production requirements.

low permeability gas reservoir; horizontal well; cementing; plastic expansion cement; gas channeling control

鄭國(guó)生，朱禮平，李群生，等. 塑性膨脹防氣竄水泥漿體系研究與應(yīng)用［J］. 石油鉆采工藝，2013，35（5）：52-55.

TE256

：B

1000–7393（2013） 05–0052–04

國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)專(zhuān)題“低滲氣藏水平井固井技術(shù)研究及應(yīng)用”（編號(hào)：2011ZX05022-006-003）。

鄭國(guó)生，1955年生。2000年畢業(yè)于西南石油大學(xué),獲工學(xué)碩士學(xué)位，2007年畢業(yè)于中歐國(guó)際工商學(xué)院MBA專(zhuān)業(yè)，高級(jí)工程師。電話(huà)：13908105539。E-mail：anweichu@163.com。

〔編輯 朱 偉〕