鄂南致密砂巖儲層彈塑性水泥漿體系研究與應用

楊大足 劉永勝

中國石化華北油氣分公司石油工程技術研究院

鄂南致密砂巖儲層彈塑性水泥漿體系研究與應用

楊大足 劉永勝

中國石化華北油氣分公司石油工程技術研究院

鄂南油田生產(chǎn)層屬于低孔隙度、低滲透率致密砂巖儲層，普遍采用水平井套管固井完井加大型壓裂進行有效開發(fā)。為提高水泥環(huán)承受大型壓裂對其的沖擊力和水泥環(huán)的完整性，水泥石不僅要有很好的強度,還要有較好的彈塑性。為此,研制開發(fā)了彈塑性材料MFR并對其性能進行了室內(nèi)測試，在室內(nèi)實驗的基礎上,優(yōu)選出MFR合理加量為1%～3%，優(yōu)化了彈塑性水泥漿體系配方，形成的水泥石彈性模量適當，抗折強度高（斷裂韌性可增加44.8%），綜合性能滿足水平井固井要求。該水泥漿體系在鄂南HH73P92井φ139.7 mm生產(chǎn)套管固井中進行了應用,通過變密度測井檢測結果顯示，固井質(zhì)量良好。

致密儲層水平井固井彈塑性水泥漿體系

鄂南油田位于鄂爾多斯盆地南部，主要儲層屬于低孔隙度、低滲透率致密砂巖儲層，采用水平井技術和壓裂技術進行開發(fā)。初期采用裸眼完井，壓裂后投產(chǎn)初始效果明顯，但隨著開發(fā)進程，裸眼完井的局限性逐漸顯現(xiàn)，如產(chǎn)量遞減快、地層出水治理難度大、二次改造困難等問題，因此完井方式改成套管固井射孔完井。完井方式改變后，水平井固井要求高性能的水泥漿體系，才能保證固井質(zhì)量；同時大型壓裂要求水泥環(huán)既要承受射孔、大型分段壓裂對其產(chǎn)生較大的內(nèi)壓力和沖擊力而不致徑向斷裂，又要承受射孔、壓裂作業(yè)的沖擊勢能而不產(chǎn)生破碎。因此，水泥環(huán)應有較高的強度，具備較好的抗沖擊能力和耐久性。根據(jù)這個需求，研制開發(fā)了具有較高強度的彈塑性水泥漿體系，以提高水泥環(huán)質(zhì)量，滿足水平井固井技術和射孔壓裂后水泥環(huán)的完整性。

1 彈塑性水泥漿體系研究

為了減輕射孔、壓裂對水泥石的破壞作用，可通過在水泥漿中添加適當?shù)耐饧觿﹣砀纳朴途嗍W性能,賦予油井水泥石一種可控塑性形變能力,增加水泥石抗沖擊破碎性能,減輕水泥環(huán)在受沖擊力作用時因應力集中造成的破裂傷害程度，提高水泥石的強度和彈塑性[1-5]。

1.1 彈塑性材料研發(fā)

根據(jù)超混復合材料原理，改善材料抗沖擊性能的方法一般是通過增韌和止裂[6-9]。通過對具有增韌和止裂作用的纖維材料和具有彈性強的橡膠材料優(yōu)選，以及大量實驗，將抗拉強度高、彈性模量分布合理且截面不規(guī)則的不同長度不同粒徑纖維材料摻雜在一起，并經(jīng)過表面活性處理；將優(yōu)選彈性性能強的橡膠材料進行破碎后再進行球化處理，最終與處理的纖維材料復配，研制成彈塑性材料MFR。該材料與水泥漿配伍良好,能很好地分散到水泥漿體系中,對水泥漿體系的流變性基本沒有影響，基本性能見表1。

1.2 彈塑性評價

使用美國千德樂公司的CHANDLER 5265U機械性能測定儀對彈塑性水泥石進行了力學評價，結果見表2。從表2可以發(fā)現(xiàn)，加有MFR材料的水泥石比常規(guī)水泥石的泊松比、抗折強度分別提高了7.7%和44.8%，而彈性模量降低了27.2%，說明加有MFR的水泥石具有良好的彈塑性。

表1 MFR水泥漿體系的基本性能統(tǒng)計表

表2 MFR彈塑性水泥體系綜合力學性能統(tǒng)計表

此外采用德國Toni高精密抗折試驗機進行彈塑性水泥石韌性評價。從測試結果可以看出，加入MFR對水泥石起裂強度影響不大，在載荷150 N左右，但是對后期裂紋擴展影響較大。圖1為原漿抗折試驗曲線，消除自由撓度后的實際加載撓度僅為0.3 mm時，試件斷裂，且峰值小于250 N，后期無假塑裂紋擴展，充分反映了原漿在起裂后裂紋的快速擴展過程，以及原漿的脆性。對比圖2可以發(fā)現(xiàn)，MFR水泥石在裂紋擴展過程中撓度大、載荷高，水泥石的增韌止裂效果比較明顯。

圖1 原漿撓度-載荷曲線圖

圖2 MFR彈塑性水泥漿撓度-載荷曲線圖

彎曲韌性系數(shù)（JCI-SF4）是對水泥石柔性的評價系數(shù)，該數(shù)值越高，水泥石柔性、抗彎曲性能越好。本文同時采用JCI-SF4進行論證，實驗數(shù)據(jù)見表3。從表3解釋結果看，彈塑性水泥石柔性明顯要好于常規(guī)水泥石柔性。

表3 常規(guī)水泥漿與彈塑性水泥漿的彎曲韌性系數(shù)表

通過以上3種方法對MFR彈塑性水泥石的力學評價，均說明MFR水泥漿具有較好的彈塑性。

1.3 彈塑性材料MFR加量優(yōu)化

依據(jù)《GB/T19139-2012油井水泥試驗方法》，開展了水泥漿基本性能的評價，通過改變加量，對水泥漿體系進行了流變、失水、強度等進行了調(diào)配與評價。經(jīng)過大量優(yōu)選實驗后,確定最佳的彈性粒子MFR摻量1%～3%。其水泥漿綜合性能見表4。從表4中數(shù)據(jù)可以看出：在4%～6%的MFR加量能夠控制保持漿體良好的流變性和適宜的水泥石抗壓強度。

表4 55℃實驗條件基本性能統(tǒng)計表

2 作用機理分析

彈塑性材料MFR加入油井水泥漿后，能夠無序、均勻地分散在水泥漿體中，充分攪拌后的稠化過程中MFR均勻分布并填充于C-H-S固體凝膠間。當水泥石受沖擊力作用時，在水泥石骨架空間的MFR材料起緩沖作用并吸收部分能量，從而減少沖擊力對水泥石的破壞，達到提高水泥石的抗沖擊性能。同時MFR能在水泥石中形成柔韌網(wǎng)絡，貫穿于水泥石空間的骨架中的空隙和裂縫，并牢固地結合在一起，與水泥互相取長補短，形成具有結構密閉性能優(yōu)良的彈性復合體。纖維材料在水泥中產(chǎn)生了“梁”的作用，當水泥石受到外力作用時，纖維作為“加強筋”改善水泥石力學形變能力；根據(jù)夾雜第二相橋聯(lián)原理中Bucknall的多重銀紋理論，在水泥基體中引入的球形橡膠顆粒相當于“緩沖器”和“變向器”，可以起到應力集中點的作用，在受到?jīng)_擊載荷作用時，引發(fā)粒子周圍的基體產(chǎn)生大量銀紋，使大量能量得以充分耗散，從而降低了水泥石的脆性。防止水泥石早期微裂紋的產(chǎn)生和拓展，從而提高水泥環(huán)的抗拉強度、抗沖擊性能，并且減少射孔時微裂紋的數(shù)量。

3 彈塑性水泥漿體系綜合性能評價

通過室內(nèi)實驗,優(yōu)選出了彈塑性水泥漿配方及配套的外加劑，綜合性能良好，見表5和圖3。

表5 彈塑性水泥漿體系綜合性能統(tǒng)計表（水泥漿密度1.88 g/cm3，實驗溫度55℃）

圖3 彈塑性水泥漿體系稠化曲線圖

4 實例應用

HH73P92是鄂南油田部署的一口評價水平井，采用二級井身結構，φ244.5 mm表層套管下至井深350 m，φ139.7 mm油層套管下至井深3 559 m。封固裸眼段長3 209 m，水平段970 m，套管下入難度大；地層壓力體系變化大，在羅漢洞組、直羅組、延長組多次發(fā)生漏失；水平段鉆遇兩處裂隙，分別為井段3 060～30 69 m及井段3 560～3 561 m裂縫發(fā)育，施工中漏失風險大。

4.1 固井主要技術措施

1）通井過程中要大排量洗井，要求排量不小于30 L/s，并進行分段循環(huán)鉆井液，水平段及大斜度井段每200 m循環(huán)鉆井液一周，確保循環(huán)井眼干凈，振動篩上無巖屑。

2）為降低下套管摩阻，要求通井結束起鉆前在水平及大斜度井段鉆井液中加入潤滑材料或者2%的玻璃微珠，提高潤滑性能，降低下套管摩阻，使摩阻系數(shù)降至0.05。

3）下套管前通井過程中做承壓試驗，承壓1.5 MPa，穩(wěn)壓10 min，壓降0.1 MPa。

4）嚴格安放扶正器，以確保套管順利下到位和提高套管居中度。

5）固井施工前降低鉆井液黏度和動切力，并注入6～8 m3前置沖洗液，以有效地沖洗泥餅隔離鉆井液，提高水泥漿的頂替效率，確保固井質(zhì)量。

6）為更好防止井漏，本井采用沖洗液注完后先注10 m3密度1.28 g/cm3的沖洗漿。

7）采用“雙凝”水泥漿體系，即低密度領漿與彈塑性尾漿，壓穩(wěn)地層，而不壓漏地層。

8）注漿過程中先以不超過地層承壓能力為上限逐漸增大排量，后期逐漸降低排量直至碰壓。這樣既滿足固井返高的要求，同時能盡可能防止注漿期間的漏失。

4.2 現(xiàn)場施工及固井質(zhì)量

該井生產(chǎn)套管固井施工共注入彈塑性水泥漿33 m3，平均密度為1.88 g/cm3，領漿65 m3，平均密度為1.35 g/cm3。替漿至39 m3時井口失返，碰壓20 MPa，回壓凡爾關閉良好，關井候凝，候凝期滿后環(huán)空無氣竄。候凝48 h后變密度檢測固井質(zhì)量，尾槳封固井段2 350～3 561 m固井質(zhì)量良好。水平段采用射孔、分段壓裂，共壓裂12段。該井投產(chǎn)6個月后未見竄流現(xiàn)象，表明水泥石完整性良好。

5 結論

1）彈性材料MFR加入使水泥石具有良好的彈塑性，合理加量區(qū)間介于1%～3%。

2）研制的彈塑性水泥漿體系，彈性模量適當，能明顯增加水泥石的彈性，抗折強度高（斷裂韌性增加44.8%），且各項性能指標均滿足水平井固井技術要求。

3）彈塑性水泥漿體系在鄂南HH73P92井成功應用，證實該體系能夠滿足鄂南致密砂巖儲層水平井固井要求，為大型壓裂提供技術保障。

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（修改回稿日期 2016-08-11 編輯 景岷雪）

國家重大專項“低豐度致密低滲油氣藏開發(fā)關鍵技術”（編號：2016ZX05048）。

楊大足，1980年生，工程師；主要從事鉆井工藝研究工作。地址：（450000）河南省鄭州市中原區(qū)隴海西路199號。電話：（0371）86002177。E-mail:ydz432800@126.com