新疆油田瑪湖地區(qū)水泥漿體系彈塑性加量?jī)?yōu)選

徐巖 楊煥強(qiáng) 李青山

摘 ? ? ?要： 體積壓裂是新疆油田瑪湖地區(qū)提高油氣產(chǎn)量的主要技術(shù)手段，由于水力壓裂施工過(guò)程中套管內(nèi)壓力循環(huán)變化，使得水泥環(huán)防應(yīng)力破壞面臨著巨大挑戰(zhàn)。針對(duì)體積壓裂過(guò)程中水泥環(huán)的應(yīng)力破壞問(wèn)題，利用全尺寸水泥環(huán)密封完整性評(píng)價(jià)裝置，開(kāi)展了彈性水泥漿體系不同彈塑劑JTS-1加量對(duì)水泥環(huán)完整性的影響試驗(yàn)，綜合考慮彈塑劑JTS-1加量對(duì)水泥漿流變學(xué)影響，形成了適合新疆油田瑪湖地區(qū)水力壓裂工況的彈性水泥漿體系。結(jié)果表明：隨著彈塑劑JTS-1加量的增大，水泥漿彈性模量降低，水泥環(huán)防應(yīng)力破壞能力增大，但水泥漿黏度增大，降低了水泥漿流變性，經(jīng)實(shí)驗(yàn)優(yōu)選，推薦彈塑劑JTS-1加量為6%～8%。

關(guān) ?鍵 ?詞：瑪湖油田;體積壓裂;水泥環(huán);彈性水泥;流變性

中圖分類(lèi)號(hào)：TE256+.6 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ?文章編號(hào)： 1671-0460（2020）10-2235-04

Abstract： Volume fracturing is the main technical means to increase oil and gas production in Mahu area of Xinjiang oilfield. Due to the change of circulating pressure in casing during hydraulic fracturing construction， the integrity of cement sheath seal is facing tremendous challenges. For the problem of the effect of volume fracturing on the integrity of the cement sheath sealing， the experiment about the effect of elastic-plastic agent JTS-1 dosage in the elastoplastic cement slurry system on the cement sheath integrity was carried out by taking advantage of the full-size cement sheath sealing integrity evaluation device. After synthetically considering the effect of JTS-1 on the cement slurry rheology， an elastic cement slurry system suitable for hydraulic fracturing conditions in Mahu area of Xinjiang oilfield was developed. The results showed that with the increase of elastoplasticizer， the elastic modulus of cement slurry decreased， and the anti-stress failure ability of cement sheath increased; But the viscosity of the cement slurry increased to reduce the cement slurry rheology; The recommended amount of JTS-1 was 6% ～ 8%.

Key words： Mahu oilfield; Volume fracturing; Cement ring; Elastic cement; Rheology

近年來(lái)，新疆油田瑪湖地區(qū)油藏勘探不斷獲得突破，探明石油地質(zhì)儲(chǔ)量已達(dá)1.0×109 t。但是由于瑪湖凹陷區(qū)含油層埋深較大，物性變差，孔隙度一般小于12%，滲透率小于5 mD，屬特低孔、特低滲油藏，加上大小礫巖混雜，非均質(zhì)性極強(qiáng)，導(dǎo)致直井產(chǎn)量低或無(wú)連續(xù)生產(chǎn)能力[1-2]。隨著水平井體積壓裂技術(shù)的不斷提高，水平井體積壓裂已成為致密砂礫巖儲(chǔ)層開(kāi)發(fā)的主要手段，以生產(chǎn)周期最長(zhǎng)（5年）的瑪132-H井為例，采用水平井體積壓裂技術(shù)，累計(jì)產(chǎn)油量與同一地區(qū)直井相比提高了7倍以上[3-7]。但是由于體積壓裂過(guò)程中井筒內(nèi)復(fù)雜的應(yīng)力變化，很可能導(dǎo)致套管-水泥環(huán)-地層組合體密封完整性失效，從而給油氣田安全生產(chǎn)帶來(lái)了極大挑戰(zhàn)。吳宇萌[8]等研究了膠乳液的加量對(duì)于水泥石常規(guī)性能和力學(xué)性能的改善。

本文采用現(xiàn)場(chǎng)使用彈性水泥漿體系，依據(jù)《油井水泥試驗(yàn)方法》（GB/T 19139—2012 ）[9]制備了不同JTS-1加量下的水泥漿，測(cè)試了水泥漿流變性能及水泥石彈性模量，進(jìn)行了水泥環(huán)防應(yīng)力破壞試驗(yàn)，依此優(yōu)選了彈塑性JTS-1的加量。

1 ?水泥漿流變性及水泥石彈性模量

在體積壓裂作業(yè)產(chǎn)生的沖擊載荷下，裂縫尖端處會(huì)形成高度的應(yīng)力集中，而隨著應(yīng)力水平發(fā)展，裂紋將迅速擴(kuò)展，形成裂紋、裂縫，造成油氣層段竄流，為油氣井安全生產(chǎn)帶來(lái)極大困難。為減少壓裂沖擊載荷的影響，現(xiàn)場(chǎng)多采用韌性水泥漿體系固井[10-11]。韌性水泥漿主要通過(guò)在水泥漿中加入顆粒狀韌性材料，降低外界作用力的傳遞系數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水泥石的韌性改造，目前固井常用且效果較好的增韌材料主要為膠乳和纖維。

羅長(zhǎng)斌[12]等開(kāi)發(fā)了增韌材料DRE-100S和乳膠粉DRT-100S兩種增韌主劑，經(jīng)測(cè)試水泥漿24 h 抗壓強(qiáng)度大于20 MPa，7 d強(qiáng)度高于30 MPa。丁志 ? 偉[13]等開(kāi)發(fā)的低溫高強(qiáng)韌性水泥漿體系在55 ℃條件下，24 h抗壓強(qiáng)度達(dá)到35.8 MPa，168 h抗壓強(qiáng)度為50.6 MPa，抗壓強(qiáng)度較常規(guī)體系提高了33.1%，彈性量降低了14.3%，表現(xiàn)出良好的低溫高強(qiáng)韌性特性，增強(qiáng)了水泥環(huán)在交變應(yīng)力作用下的密封完整性。

新疆油田瑪湖地區(qū)在用水泥漿體系組成成分為：G級(jí)+5%WG+3%超細(xì)水泥+10%SiO2+3%～15%JTS-1+（6%ST900L-1+0.5%SXY-2+0.5%ST400S+0.5%ST200R+0.5%ST500L）濕混+49%H2O+0.5%DL-500。依據(jù)《油井水泥試驗(yàn)方法》（GB/T 19139—2012）配制不同流變性能的水泥漿體系，將不同配比的水泥漿制備成50.8mm×50.8mm×50.8mm的標(biāo)準(zhǔn)水泥石試件進(jìn)行彈性模量測(cè)試，結(jié)果如表1所示。

2 ?水泥環(huán)防應(yīng)力破壞試驗(yàn)

根據(jù)新疆油田瑪湖地區(qū)分段壓裂施工特點(diǎn)，使用自主研制的全尺寸高溫高壓水泥環(huán)密封完整性評(píng)價(jià)裝置，開(kāi)展了不同JTS-1加量對(duì)水泥環(huán)完整性的影響實(shí)驗(yàn)。

2.1 ?評(píng)價(jià)裝置

評(píng)價(jià)裝置由全尺寸井筒系統(tǒng)、溫度施加及控制系統(tǒng)、壓力施加及控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成，如圖1所示。

全尺寸井筒系統(tǒng)由套管、水泥環(huán)、模擬地層組合形成，采用7 in（17.78 cm）外徑、10.36 mm壁厚、P110鋼級(jí)的現(xiàn)場(chǎng)用套管，為模擬井徑擴(kuò)大及套管偏心情況，水泥環(huán)直徑分別為220、230、240 mm，模擬了3種套管偏心度，地層直徑為400 mm，套管及地層高度為1 200 mm。

套管內(nèi)可實(shí)現(xiàn)0～70 MPa壓力施加與控制;套管與地層組成的環(huán)形空間內(nèi)充填水泥漿，為養(yǎng)護(hù)水泥漿以及施加環(huán)空壓力，水泥漿上部留有100 mm的空間，環(huán)空壓力施加范圍0～40 MPa;為模擬地應(yīng)力，在地層外施加圍壓，采用耐高溫氟橡膠密封膠套實(shí)現(xiàn)圍壓與環(huán)空壓力的密封，當(dāng)圍壓與環(huán)空壓力差為3 MPa時(shí)，氟橡膠密封膠套便實(shí)現(xiàn)與地層的密封;水泥環(huán)下端留有進(jìn)氣口，進(jìn)氣壓力采用氣體增壓系統(tǒng)控制，為防止水泥漿進(jìn)入進(jìn)氣管線，進(jìn)氣口采用200目（0.075 mm）紗網(wǎng)封堵，保證了只有氣體流通。所有壓力由內(nèi)法蘭、中間法蘭（middle flange）、外法蘭以及密封部件實(shí)現(xiàn)密封，照片如圖2所示。

2.2 ?實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2.2.1 ?模擬地層制備

考慮到新疆油田瑪湖地區(qū)儲(chǔ)層特點(diǎn)，采用R52.5標(biāo)號(hào)的水泥與黃砂、水組成一定配比的水泥砂漿制備模擬地層，如圖3所示，地層性質(zhì)如表2所示。

2.2.2 ?水泥漿配制

實(shí)驗(yàn)用水泥漿采用新疆油田瑪湖地區(qū)再用水泥漿體系，利用大容量高速攪拌機(jī)配制水泥漿并充填到套管與地層之間的環(huán)空中。安裝所有法蘭及高壓管線、完成套管內(nèi)注滿導(dǎo)熱油、加熱系統(tǒng)通電等操作步驟，并將加熱控制系統(tǒng)調(diào)整到實(shí)驗(yàn)預(yù)設(shè)溫度;通過(guò)壓力控制系統(tǒng)先將圍壓加到3 MPa，為模擬水泥漿液柱壓力以及防止受熱后的水泥漿沸騰，將環(huán)空壓力加到2 MPa，套管內(nèi)壓力0 MPa。在加熱過(guò)程中，套管內(nèi)壓力、環(huán)空壓力以及圍壓隨著溫度的升高逐漸增大，此時(shí)通過(guò)閥門(mén)控制各壓力，在溫度及壓力平衡后，設(shè)定圍壓30 MPa，環(huán)空壓力20 MPa，套管內(nèi)壓力5 MPa，水泥漿制備及充填見(jiàn)圖4。

2.2.3 ?水泥環(huán)失效實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果

利用如圖所示過(guò)程評(píng)價(jià)水泥環(huán)是否失效，進(jìn)氣口壓力大于環(huán)空壓力0.1 MPa，當(dāng)進(jìn)氣管線上的氣體流量計(jì)顯示有氣體運(yùn)移時(shí)，表明水泥環(huán)密封失效，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)分段壓裂套管內(nèi)壓力變化數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)施加的套管內(nèi)壓力變化幅度為55 MPa，裝置施加溫度為120 ℃。表3為不同JTS-1加量對(duì)水泥環(huán)防應(yīng)力破壞的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

由表3中數(shù)據(jù)可以看出，隨著JTS-1加量的增大，水泥環(huán)防應(yīng)力破壞的能力增強(qiáng);結(jié)合表1水泥漿性能數(shù)據(jù)，當(dāng)JTS-1加量增大時(shí)，水泥漿流變性能變差，注水泥過(guò)程中摩阻壓降增大，不利于窄密度窗口施工安全，因此確定JTS-1加量為6%～8%之間。

3 ?結(jié)束語(yǔ)

JTS-1是水泥環(huán)防應(yīng)力破壞的重要組成成分，隨著JTS-1加量的增大，水泥環(huán)防應(yīng)力破壞能力增強(qiáng)，然而水泥漿流變性能隨之降低，從以上兩方面綜合考慮，推薦JTS-1加量為6%～8%之間。

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