致密油藏超長水平井固井水泥石力學性能評價

汪杰 周福建 王云 劉洪利 牛莉 黃怡瀟

1.中國石油大學非常規(guī)天然氣研究院；2.西部鉆探鉆井工程技術(shù)研究院；3.新疆油田公司勘探開發(fā)研究院；4.斯倫貝謝中國公司

吉木薩爾凹陷位于準噶爾盆地東部隆起的西南部，主要以二疊系蘆草溝組為目的層系，大部分烴源巖有機碳含量大于1.0%，其中泥巖平均含量為6.1%，白云巖類平均含量為3.2%，儲集層被烴源巖包裹，屬于自生自儲、源儲一體的典型致密油藏。據(jù)統(tǒng)計吉木薩爾致密油儲層平均層厚200～350 m、孔隙度10%～15%、滲透率0.01～1.0 mD，具有特低滲、層厚、砂泥巖薄互層發(fā)育等特點，采用超長水平井開采，需要對超長水平井段射孔及多級壓裂才能實現(xiàn)該類油藏的商業(yè)化開采［1-5］。

超長水平井固井主要存在以下難點：（1）水平井裸眼段長1 800 m，水平段油層套管重力全部作用在井壁下端，造成下套管摩阻大，安全下至井底有一定難度，為降低套管下放阻力，故減少扶正器使用數(shù)量，造成下入套管居中度不高；（2）水泥漿在水平段易造成沉降、失水、析水等，且水泥漿膠結(jié)過程中，水平段水泥漿重力無法完全作用于井底形成靜液柱壓穩(wěn)效果，易造成地層流體入侵影響水泥漿膠結(jié)質(zhì)量；（3）小井眼環(huán)空間隙小，固井過程中鉆井液清洗效率及頂替效率低，影響固井質(zhì)量；（4）采用鉀鈣基混油鉆井完井液體系，影響水泥漿膠結(jié)及水泥漿與井壁的第一膠結(jié)面質(zhì)量；（5）壓裂裂縫延伸壓力約70 MPa（超過水泥石強度），對不同層位間的水泥石強度、韌性要求較高［6-14］。同時，射孔及多級壓裂對水泥環(huán)會造成較強的沖擊作用而破壞水泥石的完整性，不同層間壓力體系和潛在水層對致密油氣井長期穩(wěn)產(chǎn)存在干擾風險。以吉木薩爾致密油藏的X井為例，通過對水泥石力學性能的優(yōu)化，在提高固井質(zhì)量的基礎(chǔ)上，確保射孔及多級壓裂后水平井段水泥石完整性，尋找降低層間干擾和邊底水侵等問題的有效解決方法。

1 水泥漿體系及其性能評價

1.1 水泥漿體系配方

為提高水泥漿體系的穩(wěn)定性和防竄能力，在韌性膨脹膠乳水泥漿體系中加入防竄劑、膨脹劑并采用顆粒級配理論。

水泥漿材料：天山G級油井水泥（密度3.20 g/cm3），新疆天山水泥股份有限公司；大顆粒材料 D181（漂珠），小顆粒填充劑 D178（硅粉），膨脹劑D174，高溫抗衰減劑D154，消泡劑D047，分散劑D145，緩凝劑D081，防竄劑D600G，防沉降劑D153，均來自斯倫貝謝中國公司；清水取自吉木薩爾井場。

實驗儀器：3260型水泥漿混配器，3530型電動六速黏度計，4300型水泥漿靜態(tài)失水儀，8040型水泥漿稠化儀，4265型水泥漿超聲波強度分析儀，均來自美國CHANDLER公司；YYM型液體壓力密度計，青島膠南分析儀廠；HH型恒溫水浴鍋，青島聚創(chuàng)環(huán)保公司。

優(yōu)化后的水泥漿密度1.80 g/cm3，配方：48%混灰體積D181+42%%混灰體積G級水泥+10%混灰體積D178+5%水泥質(zhì)量D174+4%混灰質(zhì)量D154+0.33%水泥質(zhì)量D047+2.91%水泥質(zhì)量D145+0.10%水泥質(zhì)量D081+23.68%水泥漿質(zhì)量D600G+0.25%水泥質(zhì)量D153+43.13%水泥質(zhì)量井場清水。

1.2 水泥漿性能評價

1.2.1 穩(wěn)定性 按照標準實驗流程配置及養(yǎng)護水泥漿后，取100 mL量筒，倒入10 mL水泥漿體系和90 mL淡水搖勻。在循環(huán)溫度80 ℃條件下靜置養(yǎng)護4～5 h，并參考膠乳體系穩(wěn)定性標準與實驗結(jié)果進行對比，分析確定膠乳穩(wěn)定性。如圖1所示，（a）參照穩(wěn)定膠乳體系，固相水泥沉淀于混合液底部，白色膠乳體系自上而下均勻分布量筒中；（b）參照非穩(wěn)定膠乳體系，固相水泥沉淀于混合液底部，膠乳絮凝在水泥上部，清水在量筒最上部；（c）現(xiàn)場用膠乳體系具有良好的穩(wěn)定性，能夠滿足施工要求。

1.2.2 防竄性能評價 防竄膠乳體系采用微顆粒材料，具有降低水泥漿體系的滲透率和孔隙度作用，增強其防竄、防侵能力。同時，室內(nèi)實驗結(jié)果表明水泥漿在井內(nèi)失重環(huán)境下，靜膠凝值從0 Pa升至200 Pa，用時3.5 min，防竄、防侵能力強，如圖2所示。

圖1 循環(huán)溫度80 ℃下膠乳體系的穩(wěn)定性測試Fig. 1 Stability test on latex system at the circulating temperature of 80 ℃

圖2 水泥漿靜膠凝防竄性能測試曲線Fig. 2 Anti-channeling property of static gelling of slurry

1.2.3 膨脹性 水泥漿凝固后具有一定的膨脹性能，解決套管收縮、地層蠕動等造成的微環(huán)空問題，如圖3所示。

圖3 水泥環(huán)線性膨脹率測試Fig. 3 Linear expansion rate of cement sheath

膨脹率的具體計算公式為

式中，P為水泥石膨脹率，%；L為膨脹環(huán)的周長，mm；L1和L2分別為水泥漿倒入試模后和水泥漿養(yǎng)護到期齡后測得的膨脹環(huán)間距，mm。

通過水泥環(huán)線性膨脹率測試裝置測定油層溫度81 ℃和壓力70 MPa條件下的線性膨脹率。實驗結(jié)果表明，水泥漿中加入5%水泥質(zhì)量的膨脹劑，在確保水泥石強度的條件下，水泥漿凝固后的膨脹率達到1.4%，有效解決了微環(huán)空或微間隙問題（如圖4所示），同時水泥石適量的膨脹率不僅有利于彈性水泥漿不斷閉合微裂縫，而且會增大水泥環(huán)與界面的膠結(jié)強度，增大壁面抗水壓滲透能力，阻止流體在環(huán)空中竄移。

圖4 水泥環(huán)線性膨脹率隨時間變化曲線Fig. 4 Relationship of linear expansion rate of cement sheath vs.time

1.3 水泥漿顆粒級配優(yōu)化

如圖5所示，采用顆粒級配和緊密堆積理論，將大顆粒彈性材料（D181）、中顆粒材料（天山G級油井水泥）、細顆粒材料（D178）等其他外加劑合理搭配（大、中、小顆粒占混灰體積比例為48∶42∶10），中顆粒材料充填大顆粒材料孔隙，小顆粒材料充填中顆粒材料孔隙，并利用不同材料的密度差異。與常規(guī)水泥漿體系相比，同等密度1.80 g/cm3下的水泥漿體系固相含量高達55%以上（常規(guī)水泥漿體系固相含量為35%～40%），可減小水泥漿孔隙度，提高水泥漿穩(wěn)定性與水泥石機械性能。

圖5 固相顆粒級配示意圖Fig. 5 Sketch of solid particle size distribution

2 水泥石力學性能測試

使用力學軟件模擬水泥石在受到拉伸、擠壓等作用下的力學完整性。分別模擬密度1.90 g/cm3和1.80 g/cm3的水泥石在壓裂過程中壓差0～70 MPa、溫差0～45 ℃變化范圍內(nèi)的完整性。結(jié)果表明：密度1.90 g/cm3的水泥石在拉伸和壓縮作用下不會受到破壞，但由于套管、地層膨脹和收縮會造成微環(huán)空問題，而微環(huán)空會造成環(huán)空帶壓和層間竄流，進而影響產(chǎn)能；密度1.80 g/cm3的水泥漿，相同壓力和溫度變化范圍內(nèi)，受拉伸和壓縮時不會被破壞，且無微裂縫產(chǎn)生。因此優(yōu)選密度為1.80 g/cm3的水泥漿體系。

實驗室測定致密油地層、套管和水泥石三者的彈性模量和泊松比，對比分析三者在受同等作用力下優(yōu)先破壞程度，如表1所示，在受到同等應力作用下，水泥石具有較低的彈性模量和較大的泊松比，展現(xiàn)出良好的彈性和韌性，水泥石受到保護。

表1 套管、頁巖、水泥石三者力學性能對比Table 1 Mechanical property comparison between casing, shale and set cement

3 現(xiàn)場應用

3.1 X井概況

X井一開?444.5 mm鉆頭鉆至500 m，?339.7 mm表層套管下深498 m；二開?241.3 mm鉆頭鉆至2 400 m，換?215.9 mm鉆頭鉆至2 910 m，?177.8 mm技術(shù)套管下深2 810 m；三開?152.4 mm鉆頭鉆至5 273 m，?114.3 mm油層套管下深5 225 m。全井垂深3 259 m，最大井斜89.7°，造斜點位于2910 m處，水平段長1 800 m。針對致密油儲層水敏等特性，為更好地保護地層不受鉆井液傷害、保持井壁穩(wěn)定性，采用密度1.55 g/cm3的鉀鈣基混油鉆井完井液體系。設(shè)計油層套管封固井段位于造斜點以上200 m，即封固水泥漿返高面位于2 710～2 910 m井段。

為降低套管下放過程中的遇阻風險，采用?147 mm單扶+雙扶正器鉆具組合通井2次至無明顯阻卡為止；水平段采用剛性扶正器確保套管居中，并采用軟件模擬優(yōu)化居中度、扶正器數(shù)量與下放阻力；套管下放到位后，充分循環(huán)鉆井液并注意觀察排量與壓力變化情況。

3.2 施工步驟

固井主要施工步驟：連接設(shè)備與管線，進行試壓；以0.75 m3/min排量泵注密度為1.55 g/cm3的前置隔離液15 m3；投上膠塞；以0.75 m3/min排量泵注密度為1.60 g/cm3的低密度漂珠水泥漿36 m3；以0.75 m3/min排量泵注密度為1.80 g/cm3的韌性膨脹防竄水泥漿22 m3；投下膠塞；以0.75 m3/min泵注密度為1.55 g/cm3的后置隔離液4 m3，轉(zhuǎn)注密度為1.50 g/cm3的鉆井液頂替；碰壓后泄壓檢查回流正常，拆卸設(shè)備，水泥漿候凝48 h后進行測井。

3.3 應用效果

根據(jù)CBL/VDL測井結(jié)果解釋為全井固井質(zhì)量合格，目的層段固井質(zhì)量為優(yōu)，其CBL聲幅值均小于20%。同時根據(jù)X井生產(chǎn)數(shù)據(jù)可知，自2014年7月11日投產(chǎn)至2017年5月21日未產(chǎn)水，油井沒有出現(xiàn)層間竄流等其他異常情況。該水泥漿體系滿足超長水平井固井質(zhì)量及壓裂施工后水泥石完整性和封隔性要求。

4 結(jié)論與認識

（1）力學分析軟件和室內(nèi)實驗結(jié)果表明：韌性膨脹防竄水泥漿體系具有較好的穩(wěn)定性；防竄、防侵能力強；水泥石適量的膨脹率不僅有利于彈性水泥漿不斷閉合微裂縫，而且會增大水泥環(huán)與界面的膠結(jié)強度，增大壁面抗水壓滲透能力，阻止流體在環(huán)空中竄移。

（2）水泥石的力學參數(shù)測試表明，水泥石具有較低的彈性模量和較大的泊松比，展現(xiàn)出良好的彈性和韌性。

（3）致密油藏超長水平井采用韌性膨脹防竄水泥漿體系固井，既能提高水平段固井質(zhì)量，又能確保射孔及壓裂施工后水泥石的完整性，建議在同類井中使用韌性膨脹膠乳防竄水泥漿體系固井。