劉 云

(延長油田勘探開發(fā)技術(shù)研究中心，陜西 延安 716000)

延長油田西部區(qū)域水平井固井水泥漿體系優(yōu)化技術(shù)

劉 云

(延長油田勘探開發(fā)技術(shù)研究中心，陜西 延安 716000)

分析了目前延長油田西部區(qū)域固井現(xiàn)狀及造成固井質(zhì)量差的原因，據(jù)此提出了適合延長油田西部地區(qū)水平井固井水泥漿性能的要求，優(yōu)選出了適合該地區(qū)水平井固井的水泥漿體系。該水泥漿體系具有低濾失、零自由液、高沉降穩(wěn)定性、好流變性，有利于提高漿液頂替效率。形成的水泥石具有不收縮、微膨脹、早強的特點，滿足水平井射孔、后期壓裂改造等工程施工的要求。最終形成了一整套適合延長油田西部地區(qū)水平井固井的水泥漿體系。

水平井；固井；水泥漿性能；延長油田

1 延長油田西部區(qū)域水平井固井現(xiàn)狀

延長油田的西部區(qū)塊地層屬于低壓、低滲、致密性油氣田，特別是上部地層的壓力更低，存在易發(fā)生漏失的洛河組地層，且存在多個出水層，其封固特點為含油氣段長，溫差變化大，層間水活躍，上部地層承壓能力低，裸眼段長，跨度近1000 m，存在嚴(yán)重的漏失風(fēng)險，固井過程中發(fā)生漏失造成水泥漿低返封固質(zhì)量差的現(xiàn)象非常普遍[1-2]。而目的層段巖性多，垮塌嚴(yán)重，井徑大且不規(guī)則，水泥環(huán)一、二界面膠結(jié)質(zhì)量難以保證。固井質(zhì)量直接影響油氣井的生產(chǎn)和后期壓裂等增產(chǎn)措施的實施。

目前，延長油田西部地區(qū)開發(fā)水平井一般采用二級井身結(jié)構(gòu)，表層使用?311.5 mm鉆頭鉆至井深200 m左右，下入?244.5 mm套管；二開使用?215.9 mm鉆頭完鉆井深為2800 m左右，垂深1800 m左右，下入?139.7 mm套管?；谘娱L油田西部地區(qū)地質(zhì)條件和鉆井情況，該區(qū)域水平井固井的主要特點有：

(1)水平段較長，套管下入困難，如果井眼準(zhǔn)備不充分，易發(fā)生卡套事故；

(2)水平段、斜井段套管居中困難，套管易貼井壁；

(3)井壁泥餅、斜井段環(huán)空巖屑不易被清除干凈；

(4)在鉆井液頂替水泥漿過程中，水泥漿易沿寬邊推進，將與鉆井液混竄，造成竄槽；

(5)水平段環(huán)空間隙小，易形成沙床，導(dǎo)致固井施工壓力高或者環(huán)空憋堵；

(6)為提高頂替效率而增大排量造成的循環(huán)壓力升高和固井防漏所需的環(huán)空低壓之間的矛盾突出；

(7)井斜段、水平段因重力作用水泥顆粒下降，井眼頂部自由水析出形成橫向通道，形成竄流，同時，固相顆粒沉降導(dǎo)致上部水泥膠結(jié)疏松，強度下降，導(dǎo)致封固失?。?/p>

(8)水平井后期普遍采用射孔、分段壓裂的方式增產(chǎn)，要求水泥石具有一定的韌性以抵抗微裂縫的產(chǎn)生。

基于以上延長西部油田水平井固井的特點，該區(qū)域水平井固井要求水泥漿體系具有低的析水和失水、較好的流變性能防竄性能、具有抵抗反復(fù)載荷的韌性。

2 固井水泥漿體系優(yōu)化研究

2.1 在用水泥漿體系性能評價

由于固井漏失普遍存在，延長西部油田主要采用雙密度水泥漿體系固井，按照API標(biāo)準(zhǔn)，對目前水平井固井在用的2種水泥漿體系性能進行了檢測，水泥漿實驗溫度為50 ℃，結(jié)果見表1及圖1、圖2。

結(jié)合延長西部油田水平井固井對水泥漿體系的要求對以上測試結(jié)果進行分析，得出以下幾點認(rèn)識。

(1)稠化時間：為減少氣竄的可能性，要求稠化過渡時間<10min[3]，以上水泥漿高密度尚能滿足要求，但低密度的稠化過渡時間偏長，大于17 min，不利于提高固井質(zhì)量。

表1 在用的水泥漿體系性能檢測實驗數(shù)據(jù)

圖1 高密度水泥漿(1.90 g/cm3)稠化曲線

(2)流變性能：好的流變性能有助于提高頂替效率，清除虛泥餅，改善膠結(jié)質(zhì)量。上述高密度、低密度水泥漿體系的流變性能測定結(jié)果均能滿足要求。

(3)失水性能：通過控制失水，減少對地層的傷害，防止因脫水而導(dǎo)致橋堵。以上評價試驗結(jié)果中，高密度、低密度水泥漿能有效控制失水，且失水量較小，均控制在30 mL以內(nèi)。

(4)水泥石抗壓強度：水泥石的強度是有效封固隔離地層、支撐套管的基本保證，對固井質(zhì)量有決定性的意義[4]。從表1中可以看出2種水泥漿體系均未達到技術(shù)要求。

(5)水泥漿自由水性能：對于水平井，要嚴(yán)格控制自由水量，必須為0，因為若存在自由水，在頂部會形成空水泥段，導(dǎo)致密封失敗，上述2種水泥漿測定均滿足要求。

因此，需通過外加劑優(yōu)選提高2種水泥漿體系的抗壓強度、縮短低密度水泥漿的稠化過渡時間，同時優(yōu)選增韌劑，以改善水泥石的脆性，增加其韌性。

2.2 水平井固井水泥漿配方優(yōu)化

2.2.1 水泥石的彈韌性要求及改善脆性的方法

由于射孔壓裂的需要，延長油田水平井固井不僅要求水泥環(huán)有一定的強度，而且還要具備較好的抗沖擊能力和耐久性[5-6]。根據(jù)這個需求，研制開發(fā)了具有較高強度和彈塑性的彈韌性低密度水泥漿體系，滿足水平井固井技術(shù)需求。

圖2 低密度水泥漿(1.37 g/cm3)稠化曲線

改善水泥石的脆性要從兩方面入手，第一要控制宏觀裂縫的產(chǎn)生，第二通過提高水泥石的抗壓、抗折強度，改善其脆性。通過調(diào)整處理劑配比并控制凝結(jié)時間即可消除水泥水化過程中由于固化物內(nèi)部某一部位產(chǎn)生高應(yīng)力導(dǎo)致其產(chǎn)生宏觀裂縫的現(xiàn)象。提高抗折強度是脆性研究中的關(guān)鍵問題，因為裂縫對抗折強度的影響最大。在水泥漿水化產(chǎn)物顆粒之間存在孔隙且有的孔隙較大，即使沒有宏觀裂縫的產(chǎn)生，也不能排除微孔隙造成的微裂縫。因此通過添加某些成分，使其形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和填充微孔隙，從而減少裂紋的發(fā)生，提高強度，尤其是抗折強度。

2.2.2 水泥漿外摻料及外加劑的優(yōu)選

(1)低密度減輕材料的優(yōu)選。經(jīng)過大量的室內(nèi)研究，優(yōu)選出了新型復(fù)合低密度水泥漿體系的減輕劑TJLW，TJLW主要由改性粉煤灰、微硅、膨脹性材料、穩(wěn)定劑等按照一定的比例復(fù)配而成。

(2)非滲透降失水劑TJFS優(yōu)選?；谇捌趯λ骄叹酀{降失水性能的要求，室內(nèi)優(yōu)選了非滲透防竄型降失水劑TJFS,不僅使水泥漿具有較好的防竄效果，而且所形成的水泥石具有一定的彈性，可提高水泥石抗拉強度，從而降低射孔時水泥石的破裂度，在低應(yīng)力作用下增加彈性形變恢復(fù)能力，其彈性模量低于原漿水泥石[7-8]。

(3)膨脹劑TJP的優(yōu)選。在水泥漿中加入剛性膨脹劑，能夠補償水泥石收縮所造成的影響，降低氣竄的危險性，提高膠結(jié)質(zhì)量。

(4)早強劑的優(yōu)選。早強劑DZC的加入不僅可提高水泥石的早期強度，還可用來調(diào)節(jié)水泥漿的稠化時間，以滿足施工的安全要求。

(5)增韌劑的優(yōu)選。在保證水泥漿體系具有較好的流變性能情況下，水泥石的抗折強度和抗壓強度隨著纖維的增加而變大，通過添加一定比例纖維，以提高水泥石的彈韌性。

2.2.3 固井水泥漿體系綜合性能

(1)常規(guī)性能。經(jīng)過前期大量優(yōu)選試驗后，依據(jù)水泥漿性能試驗標(biāo)準(zhǔn)，開展了水泥漿基本性能的評價，通過改變加量和配方，對水泥漿的流變、失水、強度等進行了調(diào)配與評價[3]。其水泥漿綜合性能見表2。

表2 優(yōu)選的水泥漿基本性能

以上水泥漿配方為：

配方1：JHG+100%TJLW+6.0%TJFP+2%TJP+8%TJFS+2.5%TJC+55%H2O；

配方2：JHG+90%TJLW+5.0%FSFP+2%FSP+7%TJFS+2.0%TJC+50%H2O；

配方3：JHG+85%TJLW+5.0%FSFP+2%FSP+6%TJFS+2.0%TJC+50%H2O；

配方4：JHG+85%TJLW+4.0%FSFP+2%FSP+6%TJFS+1.5%TJC+50%H2O；

配方5：JHG+2.0%TJP+2%TJS+4%TJFS+2.0%TJC+42%H2O；

配方6：JHG+2.0%TJP+2%TJS+4%TJFS+2.0%TJC+44%H2O；

配方7：JHG+2.0%TJP+2%TJS+4%TJFS+2.0%TJC+46%H2O。

一般來講，水泥漿沉降穩(wěn)定性與水泥漿自由水和水泥顆粒沉降有關(guān)，水泥漿失水越小，自由水析出量越少，其水泥漿體系愈趨向穩(wěn)定。為此，利用水泥漿沉降穩(wěn)定儀，模擬在井下壓力和溫度條件下，測定固結(jié)后的水泥石密度分布來評價水泥漿沉降穩(wěn)定性。按照API規(guī)范程序進行實驗測試，固結(jié)后的水泥石體積基本沒有收縮，該水泥漿體系具有較好的水泥漿沉降穩(wěn)定性能，其水泥石上下密度差均在0.03 g/cm3以內(nèi)。

由以上實驗結(jié)果可知，優(yōu)化后的水泥漿體系防竄性能好(系數(shù)普遍小于3)、抗壓強度高、流變性能好、沉降穩(wěn)定性能佳，同時具有一定的抗折強度，能夠滿足延長西部水平井對水泥漿體系常規(guī)性能的要求。

(2)力學(xué)性能。利用美國千德樂公司的CHANDLER 5265U機械性能測定儀對優(yōu)選的彈韌性水泥石進行了力學(xué)評價[9]，結(jié)果見表3及圖3、圖4。

表3 優(yōu)選的彈塑性水泥體系綜合力學(xué)性能

圖3 彈塑性水泥石力學(xué)性能綜合測試

通過對水泥石機械性能評價試驗分析可以發(fā)現(xiàn)，提高水泥石彈性的主要表現(xiàn)在泊松比的增加、彈性模量的降低。彈韌性材料的加入使水泥石的抗折強度提高了30%以上。

以上水泥漿配方為：

配方1：JHG+2.0%FSFP+2%FSP+4%FSTJ+2.0%TJC+0.2%纖維+46%H2O；

配方2：JHG+2%TJS+44%H2O。 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[10]。從測試結(jié)果可以看出，加入優(yōu)選的增加彈韌性材料后對水泥石起裂強度影響不大，當(dāng)載荷150 N左右時，對后期裂紋擴展影響較大。圖5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<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6可以發(fā)現(xiàn)，優(yōu)選的彈韌性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。

利用相似原理，建立模擬井筒開展分段壓裂條件下水泥石密封性能分析。通過建立?215.9 mm×?139.7 mm的套管環(huán)空，并在環(huán)空中填充水泥，固化后開展模擬壓裂水泥環(huán)損失及密封失效分析[11-12]。

圖4 純水泥石力學(xué)性能測試

圖5 原漿撓度-載荷曲線

圖6 配方2撓度-載荷曲線

通常情況水泥環(huán)密封失效的形態(tài)分為3類：軸向拉伸破壞、徑向壓縮破壞、塑性屈服微環(huán)隙(見圖7)。3種破壞形態(tài)均為套管傳遞內(nèi)壓導(dǎo)致水泥環(huán)密封失效。針對水泥環(huán)開展分段壓裂水泥環(huán)破壞試驗(見圖8所示)。在試驗壓力35 MPa時，常規(guī)水泥環(huán)出現(xiàn)裂紋，而相同試驗條件下彈韌性水泥環(huán)未見宏觀裂紋，在1 MPa條件下開展導(dǎo)流測試，未見竄漏。試驗表明，通過改善水泥石彈性變形能力和抗拉強度，能夠有效提高水泥環(huán)在分段壓裂條件下的密封完整性。

圖7 模擬分段壓裂水泥環(huán)密封失效形態(tài)

圖8 壓裂環(huán)境下水泥石破壞形態(tài)分析

3 現(xiàn)場應(yīng)用

通過室內(nèi)研究與評價后，該彈韌性水泥漿體系先后應(yīng)用于吳平34、托平17、永238平1、杏218平44等10余口井，固井成功率100%，固井質(zhì)量合格率達98%。

周平2井采用二開井身結(jié)構(gòu)，水平段長1400 m，靶前位移達300 m，裸眼段達3300 m。該井上部地層承壓能力低，且裸眼井段較長，因此采用雙密度固井，低迷度用1.40 g/cm3，高密度用1.90 g/cm3彈韌性水泥漿體系，綜合性能良好。整個施工過程順利，48 h聲波測井固井質(zhì)量優(yōu)質(zhì)(見圖9)。

圖9 周平2井油層段固井質(zhì)量評價圖

4 結(jié)論與認(rèn)識

(1)通過分析固井過程中存在的問題，并對現(xiàn)有的水泥漿體系進行評價測試，主要檢測了稠化時間、流變性能、失水性能、水泥石抗壓強度、水泥漿自由水性能及沉降穩(wěn)定性測試，總體來說，水泥漿性能只有部分達到要求，整體性能不穩(wěn)定。

(2)優(yōu)選出新型復(fù)合低密度減輕劑TJLW，以滿足固井過程中發(fā)生漏失造成水泥漿低返封固質(zhì)量不好的現(xiàn)象。使用非滲透防竄型降失水劑TJFS,不僅使水泥漿具有較好的防竄效果，而且所形成的水泥石具有一定的彈性，可提高水泥石的抗拉強度，從而降低射孔時水泥石的破裂度。

(3)在水泥漿中加入剛性膨脹劑，能夠補償水泥石收縮所造成的影響，降低氣竄的危險性，提高膠結(jié)質(zhì)量。適量的加入早強劑，可以來調(diào)節(jié)水泥漿的稠化時間，以滿足施工的安全要求。

(4)對水平井彈塑性水泥漿體系優(yōu)選，并開展水泥漿基本性能評價。試驗表明：通過改善水泥石彈性變形能力和抗拉強度，能夠有效提高水泥環(huán)在分段壓裂條件下的密封完整性。固結(jié)后的水泥石體積基本沒有收縮，該水泥漿體系具有較好的水泥漿沉降穩(wěn)定性能。

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Optimization Technology of Cement Slurry System for Horizontal Well Cementing in Western Area of Yanchang Oilfield/

LIUYun

(Yanchang Oilfield Exploration and Development Research Center, Yan’an Shaanxi 716000, China)

In this article, the analysis is made on the current cementing status and the causes of poor cementing quality in the western region of Yanchang oilfield. Based on the analysis, the slurry performance requirements for horizontal well cementing in this area are put forward. The optimized cement slurry system suitable for this area is selected, which has low filtration, zero-free liquid and high sedimentation stability, and its rheology is beneficial to improve the displacement efficiency; andefficiency; the formed cement stone has no shrinkage, micro-expansion and early strength characteristics, which can meet the requirements of horizontal well perforation post-fracturing and other projects construction. By all the above, a complete set of cement slurry system suitable for horizontal well cementing in the western area of Yanchang oilfield is formed.

horizontal well; cementing; slurry performance; Yanchang oilfield

2016-04-20；

2016-11-21

延長油田公司項目“水平井開發(fā)配套技術(shù)研究與應(yīng)用——固井工藝技術(shù)”(編號：ycsy2014xjs-B-2)

劉云，男，漢族，1984年生，工程師，從事石油工程方面的研究工作，陜西省延安市寶塔區(qū)李渠鎮(zhèn)，liuyun211321@163.com。

TE256+.6

A

1672-7428(2017)02-0017-06