韌性膠乳水泥漿在試驗(yàn)評(píng)價(jià)及其水平井固井作業(yè)中的應(yīng)用

吳雪平（中石化江漢石油工程公司鉆井一公司，湖北 潛江 433121）

許明標(biāo)（長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100）

周福新，袁歡（中石化江漢石油工程公司鉆井一公司，湖北 潛江 433121）

王曉亮（荊州嘉華科技有限公司，湖北 荊州 434000）

頁(yè)巖氣大位移水平井固井水泥漿與一般的氣井固井水泥漿相比，要求更高，難度也更大。主要難點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面［1，2］：

1）長(zhǎng)水平井固井 水泥漿應(yīng)具有良好的漿體穩(wěn)定性，以保證水平段套管內(nèi)水泥環(huán)薄厚均勻；另外水泥漿的自由液量應(yīng)為零，以有效防止竄槽現(xiàn)象發(fā)生。

2）保證壓裂完井下水泥環(huán)的完整性 頁(yè)巖氣井分段壓裂技術(shù)會(huì)對(duì)水泥環(huán)的完整性造成很大的影響，水泥環(huán)完整性受到破壞將直接影響頁(yè)巖氣的采收，因此頁(yè)巖氣井固井不僅要求水泥環(huán)具有足夠高的強(qiáng)度，而且還要具備較好的抗沖擊能力和耐久性。

3）具有儲(chǔ)層保護(hù)效果 頁(yè)巖氣藏的儲(chǔ)層一般呈低孔、低滲透率的物性特征，氣流的阻力比常規(guī)天然氣大，這要求固井水泥漿應(yīng)具有良好的儲(chǔ)層保護(hù)性，也就是要求固井作業(yè)過(guò)程中，進(jìn)入到儲(chǔ)層的漏失和濾失量應(yīng)盡可能的少。

4）氣井的防竄性能要求 地層中氣體最為活躍，易竄流，直接影響氣層的采收率，不利于增產(chǎn)措施實(shí)施。水泥漿良好的防竄性正是保障頁(yè)巖氣井長(zhǎng)期有效封固的關(guān)鍵。只有水平段頁(yè)巖氣層獲得了有效封固，良好的油氣采收率才能獲得。

為滿足頁(yè)巖氣長(zhǎng)水平井固井技術(shù)要求，經(jīng)過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)摸索，構(gòu)建了一套性能優(yōu)良的韌性膠乳水泥漿體系。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

LATEX膠乳；RET－M緩凝劑；STAB56－1膠乳穩(wěn)定劑；FLO－S聚合物降失水劑；STR增強(qiáng)增韌劑；G級(jí)水泥；淡水；DWR漂珠；DESIL消泡劑；FIB－1杜拉纖維；MX空隙支撐劑。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

高溫高壓稠化儀；常壓稠化儀；高溫高壓水泥漿失水儀；高溫高壓養(yǎng)護(hù)釜；多功能壓力試驗(yàn)機(jī)；新型水泥石應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試儀；六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)；水泥石膠結(jié)強(qiáng)度拉伸剪切實(shí)驗(yàn)儀；水泥石抗沖擊試驗(yàn)機(jī)。

1.3 水泥漿配方

1＃配方：“JH”G級(jí)水泥＋67%淡水＋20%增強(qiáng)增韌劑STR＋30%減輕劑DWR＋1.5%降濾失劑FLO－S＋5%膠乳L(zhǎng)ATEX＋0.2%分散劑DISP＋6%防竄增韌劑 MX＋0.5%緩凝劑RET－M＋0.5%消泡劑DESIL＋0.2%增韌纖維FIB（密度為1.40g／cm3）（配方中百分?jǐn)?shù)為質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）；

2＃配方：“JH”G級(jí)水泥＋62%淡水＋20%增強(qiáng)增韌劑STR＋25%減輕劑DWR＋1.5%降濾失劑FLO－S＋5%膠乳L(zhǎng)ATEX＋0.2%分散劑DISP＋6%防竄增韌劑 MX＋0.75%緩凝劑RET－M＋0.5%消泡劑DESIL＋0.2%增韌纖維FIB（密度為1.50g／cm3）；

3＃配方：“JH”G級(jí)水泥＋43%淡水＋12%增強(qiáng)增韌劑STR＋17%減輕劑DWR＋1.5%降濾失劑FLO－S＋5%膠乳L(zhǎng)ATEX＋0.2%分散劑DISP＋6%防竄增韌劑 MX＋0.8%緩凝劑RET－M＋0.5%消泡劑DESIL＋0.2%增韌纖維FIB（密度為1.60g／cm3）；

4＃配方：“JH”G級(jí)水泥＋27%淡水＋1.0%降濾失劑FLO－S＋0.2%分散劑DISP－S＋0.1%緩凝劑RET－M＋0.9%消泡劑DESIL＋12%膠乳L(zhǎng)ATEX＋6%防竄增韌劑 MX＋1%膨脹劑BOND－1＋0.15%增韌纖維FIB（密度為1.90g／cm3）。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 水泥漿穩(wěn)定性、自由液的評(píng)價(jià)

水平段水泥環(huán)的厚薄均勻程度直接關(guān)系到水泥環(huán)抗外界沖擊能力的大小。水平井固井要保證封固水泥環(huán)的厚薄均勻，首先要保證套管居中，其次需要具有零自由液和良好沉降穩(wěn)定性能的水泥漿體系。水泥漿的自由液和沉降穩(wěn)定性是室內(nèi)評(píng)價(jià)水平井固井水泥漿性能的2個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。若水泥漿中有自由液析出，析出液會(huì)在水平段的頂部形成一條橫向水槽，地層流體可能會(huì)通過(guò)這條流道發(fā)生滲竄；同樣，固相沉降的存在會(huì)使水平段井筒上部水泥強(qiáng)度降低，造成膠結(jié)疏松甚至無(wú)膠結(jié)。若自由液和固相沉降伴隨存在，不僅地層流體運(yùn)移會(huì)發(fā)生，水平段地層的封固也可能會(huì)失效。室內(nèi)對(duì)頁(yè)巖氣水平井固井水泥漿的研究，側(cè)重于優(yōu)化水泥漿體系性能，以保證水泥漿零自由液和穩(wěn)定性的實(shí)現(xiàn)。由于頁(yè)巖氣井井深淺，地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在鉆進(jìn)中常有井漏現(xiàn)象發(fā)生，為保證固井中不壓漏地層，室內(nèi)對(duì)1?！?＃水泥漿配方的穩(wěn)定性和自由液進(jìn)行了評(píng)價(jià)（表1）。由表1可見，隨養(yǎng)護(hù)溫度升高水泥漿上下密度差Δρ略有增大，總體的密度差依然能夠控制在0.02g／cm3內(nèi)，而水泥漿的自由液折出量始終為0。在進(jìn)行水泥漿設(shè)計(jì)時(shí)，為提高水泥漿的穩(wěn)定性，適當(dāng)?shù)靥岣吡怂酀{旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)6、3r／min的數(shù)值，這樣有利于提高固相顆粒的懸浮性能力。高強(qiáng)韌性膠乳水泥漿的固相穩(wěn)定性的控制方法主要從聚合物以及膠乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，固體顆粒材料的顆粒級(jí)配理論的應(yīng)用，微納米材料的應(yīng)用這3個(gè)方面著手。綜合作用下，韌性膠乳水泥漿的自由水以及固相沉降穩(wěn)定性都能夠得到較好地控制。

表1 水泥漿自由水與固相沉降穩(wěn)定性性能

2.2 水泥漿濾失性能評(píng)價(jià)

頁(yè)巖氣固井為了保證良好的固井質(zhì)量，防止頁(yè)巖膨脹引起固井質(zhì)量不合格，一般要求產(chǎn)層段封固水泥漿要具有較低的濾失性。室內(nèi)為研究水泥漿失水量與試驗(yàn)溫度的關(guān)系以及水泥漿失水對(duì)頁(yè)巖巖心的影響，進(jìn)行了相關(guān)的測(cè)試評(píng)價(jià)。

從整體情況看，參評(píng)作品技術(shù)水準(zhǔn)較高，圖片制作精良，有想法有探索精神，善于使用新技術(shù)新手法。只是在追逐時(shí)尚的大環(huán)境影響下，除了對(duì)卓越技藝的追求外，還需更多關(guān)注與探索攝影的本質(zhì)。

由表2可見，隨試驗(yàn)溫度升高，水泥漿的濾失量略有增大，但最高濾失量依然能夠控制在15mL以內(nèi)；另外水泥漿濾液侵入巖心的深度，隨試驗(yàn)溫度的升高也存在略有增大的現(xiàn)象，但是最大深度也僅僅為4.4mm，充分說(shuō)明水泥漿具有較低的濾失，能夠有效保證其與地層的膠結(jié)。水泥漿中使用了2種降失水劑FLO－S聚合物和LATEX膠乳，2種降失水劑的協(xié)同作用能夠提高水泥漿濾液黏度，降低水泥漿濾失阻力。

2.3 水泥石的力學(xué)性能評(píng)價(jià)

固井水泥環(huán)的完整性直接影響著其對(duì)地層和套管的封固效果。頁(yè)巖氣井多采用水平井進(jìn)行開發(fā)，為提高氣田產(chǎn)量還需實(shí)施壓裂、酸化等增產(chǎn)措施。這對(duì)水平段固井水泥環(huán)的力學(xué)性能提出了更高的要求，水泥環(huán)的力學(xué)性能將直接影響后期增產(chǎn)措施的效果以及后續(xù)氣田產(chǎn)量。為有效防止頁(yè)巖氣侵入環(huán)空，保證水泥環(huán)的完整性，在水泥漿設(shè)計(jì)時(shí)，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)要求水泥漿在井底溫度養(yǎng)護(hù)8h后就要形成一定強(qiáng)度，以應(yīng)對(duì)復(fù)雜的井底情況。室內(nèi)測(cè)試了1.40、1.50、1.60、1.90g／cm3配方水泥漿在養(yǎng)護(hù)8、12、24h后所形成的水泥石抗壓強(qiáng)度，由表3可見各密度水泥漿在養(yǎng)護(hù)8h后均能形成大于2MPa的強(qiáng)度。

頁(yè)巖氣開發(fā)井分段壓裂技術(shù)會(huì)對(duì)水泥環(huán)的完整性造成很大的影響，只有具有足夠高強(qiáng)度的韌性水泥環(huán)才能抵抗分段壓裂技術(shù)所造成的沖擊。所以足夠高的強(qiáng)度以及柔韌性，是頁(yè)巖氣水平井實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期有效封固的關(guān)鍵。室內(nèi)考察了密度為1.40～1.90g／cm3水泥石在83℃養(yǎng)護(hù)24h的抗折、剪切、拉伸、抗沖擊等強(qiáng)度性能。由表4可見，相對(duì)于常規(guī)密度水泥漿，韌性膠乳水泥漿的抗壓強(qiáng)度已經(jīng)能夠滿足后續(xù)增產(chǎn)作業(yè)的需要。同時(shí)韌性膠乳水泥漿的剪切強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、抗沖擊強(qiáng)度以及彈性模量的測(cè)量值均較常規(guī)水泥漿有著較大的改善；其中韌性膠乳水泥漿的抗沖擊強(qiáng)度較常規(guī)水泥漿最高可以提高46.8%；水泥漿的彈性模量相對(duì)降低44.6%。韌性膠乳水泥石優(yōu)良的力學(xué)性能，能夠最大程度地滿足頁(yè)巖氣水平井固井對(duì)水泥石韌性方面的要求。

表2 溫度與水泥漿的API濾水量的關(guān)系

表3 水泥漿不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下水泥漿抗壓強(qiáng)度

表4 韌性膠乳水泥漿體系的力學(xué)性能

為驗(yàn)證水泥石的韌性，室內(nèi)用強(qiáng)力射釘槍模擬射孔彈，對(duì)常規(guī)水泥石和韌性膠乳水泥石，進(jìn)行了“射孔”試驗(yàn)。由圖1可以看到，常規(guī)水泥石在模擬 “射孔”后，水泥面發(fā)生了明顯的龜裂，而韌性膠乳水泥石除了明顯的射孔口，水泥面完好無(wú)損。韌性膠乳水泥石的柔韌性相對(duì)常規(guī)水泥石無(wú)疑得到了很大的改善。

圖1 射釘槍模擬射孔試驗(yàn)

2.4 水泥漿防竄性能評(píng)價(jià)

2.4.1 水泥漿靜凝膠強(qiáng)度的發(fā)展

水泥漿的凝膠強(qiáng)度發(fā)展速度是水泥漿防竄能力評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)之一［3］。一般認(rèn)為水泥漿靜凝膠強(qiáng)度從100lb／100ft2發(fā)展至500lb／100ft2（48～240Pa）所用時(shí)間越短，水泥漿抵抗氣體侵入的能力就越強(qiáng)。室內(nèi)采用超聲波水泥分析儀（UCA）對(duì)1.60g／cm3水泥漿凝膠強(qiáng)度發(fā)展情況進(jìn)行了測(cè)試，試驗(yàn)曲線見圖2。水泥漿在靜凝膠強(qiáng)度從100lb／100ft2發(fā)展至500lb／100ft2（（48～240Pa））所用時(shí)間為20min，說(shuō)明該水泥漿具有較強(qiáng)的防竄能力。

2.4.2 水泥漿稠化轉(zhuǎn)化時(shí)間的控制

水泥漿的稠化時(shí)間主要測(cè)試的是一定溫度壓力下，水泥漿水化、凝結(jié)、硬化一系列物理化學(xué)變化過(guò)程所需要的時(shí)間。稠化過(guò)程中水泥漿由30Bc發(fā)展至100Bc所需時(shí)間稱之為稠化轉(zhuǎn)化時(shí)間。水泥漿稠化轉(zhuǎn)化時(shí)間越短，稠化過(guò)程中發(fā)生氣竄的可能性就越小。室內(nèi)對(duì)不同密度韌性膠乳水泥漿的稠化性能進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果見表5。韌性膠乳水泥漿體系稠化轉(zhuǎn)化階段時(shí)間均能夠較好控制，最長(zhǎng)轉(zhuǎn)化時(shí)間為17min，最短轉(zhuǎn)化時(shí)間僅有6min。水泥漿稠化轉(zhuǎn)化時(shí)間越短，井下流體侵入環(huán)空的可能性就越低。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

圖2 1.60g／cm3水泥漿在90℃時(shí)靜凝膠強(qiáng)度發(fā)展曲線

建頁(yè)2井是在建南區(qū)塊頁(yè)巖氣勘探的第2口參數(shù)井。該地區(qū)裂隙較發(fā)育，在鉆井過(guò)程中，曾多次發(fā)生鉆井液漏失的現(xiàn)象。下套管前最高泥漿密度為1.44g／cm3，為防止固井中壓漏地層，清洗液、沖洗液以及水泥漿的當(dāng)量密度都控制在1.40g／cm3左右，固井水泥漿分為領(lǐng)漿和尾漿設(shè)計(jì)，領(lǐng)漿作為先導(dǎo)漿主要用于平衡地層壓力，井眼1330～2860m為水平段采用1.90g／cm3韌性膠乳水泥漿進(jìn)行封固。具體段塞設(shè)計(jì)如表6所示。

1）具體固井措施 增加旋流扶正器的安放數(shù)量，提高套管居中度；采用柴油稀釋油基泥漿；選用大量的高性能油基泥漿清洗液和沖洗液對(duì)井眼進(jìn)行沖洗；采用高黏度、密度1.40g／cm3水泥漿作為領(lǐng)漿；采用密度1.90g／cm3韌性膠乳水泥漿作為尾漿封固水平段；采用漂浮頂替技術(shù)。

2）現(xiàn)場(chǎng)施工情況 建頁(yè)2井固井施工作業(yè)總體上較為順利，現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程流暢，碰壓明顯，井口敞開順利，各項(xiàng)施工參數(shù)均能按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行。固井作業(yè)具體流程如下：①泵入少量柴油，對(duì)井筒內(nèi)的油基泥漿進(jìn)行稀釋，一方面能夠防止油基泥漿破乳增稠，另一方面能夠形成清晰的界面，區(qū)分油基泥漿與清洗液，方便油基泥漿回收、避免污染；②注入清洗液，清洗液密度略低于油基泥漿，具有低黏度、高穩(wěn)定性特點(diǎn)，通過(guò)清洗、乳化增溶作用將油基泥漿濾餅和油膜清洗干凈帶出井口；③緊接著注入沖洗液，沖洗液密度略高于清洗液，沖洗液主要目的是清潔壁面，改善界面的親水性；④注入領(lǐng)尾漿，雙車注漿，排量控制在2m3／min以上，尾漿密度控制在1.88～1.90g／cm3；⑤壓塞，之后全井段采用清水頂替，保證水平段套管的居中度，保證固井質(zhì)量；⑥碰壓，碰壓前應(yīng)逐漸降低排量，以方便清晰地觀察壓力變化；⑦敞開井口，候凝。

3）固井質(zhì)量 頁(yè)巖氣水平井開發(fā)，水平段固井質(zhì)量關(guān)系到后期壓裂增產(chǎn)措施能否順利進(jìn)行，直接影響到氣井產(chǎn)量及壽命；所以針對(duì)建頁(yè)2井固井作業(yè)采取了多種方法確保固井質(zhì)量，通過(guò)努力也取得了良好的成果。候凝48h，經(jīng)固井質(zhì)量檢測(cè)，總長(zhǎng)為1050m的水平段固井質(zhì)量全優(yōu)質(zhì)。

表5 不同溫度下水泥漿的稠化性能

表6 現(xiàn)場(chǎng)固井段塞設(shè)計(jì)

4 結(jié)論

1）通過(guò)水泥漿的穩(wěn)定性和自由液的室內(nèi)評(píng)價(jià)結(jié)果，可見韌性膠乳水泥漿具有較好的漿體穩(wěn)定性，水泥漿自由液能夠得到較好的控制，能夠滿足水平井封固要求。

2）水泥漿具有極低的濾失量，濾液侵入巖心的深度較淺，能夠保證具有較好的膠結(jié)面。

3）韌性膠乳水泥漿強(qiáng)度發(fā)展較快，養(yǎng)護(hù)24h后水泥石的抗沖擊強(qiáng)度和彈韌性均較常規(guī)水泥石有著很大的改善，水泥漿優(yōu)良的柔韌性為滿足頁(yè)巖氣井增產(chǎn)措施施工的需要提供了必要的基礎(chǔ)。

4）韌性膠乳水泥漿具有較快的稠化轉(zhuǎn)化時(shí)間，水泥漿的靜凝膠強(qiáng)度由48～240Pa發(fā)展速度能夠控制在20min以內(nèi)，能夠有效地防止水平井眼發(fā)生流體竄，保證氣層的封固效果。

5）韌性膠乳水泥漿在建頁(yè)2井固井應(yīng)用的成功，說(shuō)明該水泥漿能夠很好地適應(yīng)頁(yè)巖氣水平井固井作業(yè)，其在頁(yè)巖氣水平井固井作業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用空間。

［1］王毅，彭志剛，徐浩然 .水平井復(fù)合水泥漿體系研究及應(yīng)用 ［J］.鉆采工藝，2009，34（2）：103～105.

［2］姜偉 .渤海大位移水平井固井關(guān)鍵技術(shù)研究及其應(yīng)用 ［J］.中國(guó)海上油氣（工程），2002，14（4）：28～34.

［3］許明標(biāo)，彭雷，張春陽(yáng)，等 .聚合物膠乳水泥漿的流體阻隔性能研究 ［J］.油田化學(xué)，2009，26（1）：15～17.