納米低密度水泥漿體系在頁巖油水平井固井中的應用

秦江，宋凱，文華，胡順，彭石峰

1.中國石化江漢石油工程有限公司鉆井一公司，湖北 潛江 433121 2.荊州嘉華科技有限公司，湖北 荊州 434000

頁巖油是指以頁巖為主的頁巖層系中所含的原油資源，包括泥頁巖孔隙和裂縫中的原油以及泥頁巖層系中的致密碳酸巖或碎屑巖鄰層和夾層中的原油資源。通常有效的開發(fā)方式為水平井和分段壓裂技術。江漢盆地潛江組韻律鹽間頁巖油有良好的油氣顯示，韻律鹽間頁巖油作為江漢油區(qū)新的油氣儲層，對江漢油田的石油勘探開發(fā)具有重要意義[1-3]。

江漢油區(qū)地層鹽間頁巖油水平井固井存在承壓能力低、極易壓漏地層、水平段封固段長易漏失、氣層活躍易發(fā)生油氣水竄、水平段要進行分段壓裂等難點，對固井水泥漿的綜合性能要求較高。該區(qū)塊目的層破裂壓力范圍在1.72～1.84g/cm3，常規(guī)密度水泥漿體系不能滿足固井作業(yè)要求，需要采用低密度水泥漿體系進行現(xiàn)場固井作業(yè)。目前應用較為廣泛的低密度水泥漿體系以人造漂珠為主要減輕材料，以緊密堆積理論為基礎，依靠活性材料和固相顆粒級配理論來構建水泥漿體系[4,5]。隨著大量減輕材料的加入，該低密度水泥漿體系的均勻性降低，水化反應進程受到影響，造成漿體性能變差，候凝時間長，尤其是水泥石強度大幅降低，難以滿足封固地層的要求[6]。而采用增大水灰比降低水泥漿密度，在海上油氣田應用較多。海上表層固井水泥漿用量大，平臺儲灰罐容積有限，使用液體減輕材料不僅增大了水灰比，同時也提高了造漿率，減少了現(xiàn)場水泥的用量。國內外目前所使用的液體減輕材料主要成分為無定型的SiO2的水性分散溶液，不僅能夠降低水泥漿的密度，同時水泥漿性能穩(wěn)定，在低溫下能夠促進水泥漿的水化，增強水泥石的強度[7]。

針對江漢油區(qū)固井的技術難點和常規(guī)低密度水泥漿體系存在的問題，筆者室內研制了一種新型納米液體減輕劑CP-56，通過增大水灰比來降低水泥漿密度，輔以適當外加劑，形成了密度在1.40～1.60g/cm3的納米低密度水泥漿體系。

1 頁巖油水平井固井施工難點及對策

1.1 固井施工難點

江漢油區(qū)鹽間頁巖油水平井固井存在的技術難點主要有：

1)地層承壓能力低。江漢油區(qū)地層承壓能力低，極易壓漏地層，造成水泥漿返出困難，固井質量難以控制。

2)長水平段氣層活躍。長水平段含氣地層易導致水泥漿氣侵，降低水泥漿密度，導致失重，形成環(huán)空竄槽，嚴重影響固井質量。

3)長水平段大型壓裂對水泥漿要求高。長水平段要進行分段壓裂，要求水泥漿穩(wěn)定性和韌性較好，以保持良好的井筒完整性。

4)大斜度及水平井段對水泥漿沉降穩(wěn)定性要求高。大斜度及水平井段水泥石會因水泥漿析水使水泥下沉，在環(huán)空頂部形成水帶，使水泥石頂部與井壁形成間隙并影響水泥石強度的正常發(fā)育，水泥漿凝固后體積會收縮，會在水泥環(huán)與井壁形成微間隙[8]。

1.2 固井方案及水泥漿性能要求

針對上述難點，水泥漿不僅要防氣竄性能好，同時還要具有零析水、沉降穩(wěn)定性好、韌性好等特點，并具有良好施工性能。同時，制定了相應的固井方案及對水泥漿性能的要求。水泥漿性能要求如下：

1)控制水泥漿密度在小于地層的破裂壓力梯度范圍內。

2)縮短水泥石的候凝時間，水泥石早期強度高。

3)水泥石抗壓強度高，韌性好。

4)水泥漿具有良好的流變性能，失水量小，沉降穩(wěn)定性好[9]。

為實現(xiàn)目的層位的有效封固，在設計水泥漿時提出了雙凝防漏水泥漿技術。領漿采用低密度水泥漿，尾漿為常規(guī)密度水泥漿，在確保平衡地層壓力的情況下，提高長水平段的固井質量。通過選擇合適的雙凝界面高度，精確控制環(huán)空水泥漿當量密度，確保水泥漿壓穩(wěn)、防漏。領尾漿中同時加入適量混合堵漏纖維，提高水泥漿韌性的同時提高水泥漿防漏能力[10，11]。

2 納米低密度水泥漿體系設計

圖1 納米減輕劑CP-56粒度分布圖Fig.1 Particle size distribution of nano lightening agent CP-56

由于江漢油區(qū)地層承壓能力低、水平段長、存在多套壓力系統(tǒng)地層易漏失，因此需要采用低密度水泥漿體系進行現(xiàn)場作業(yè)。為了避免使用大摻量的減輕材料，造成水泥漿的均勻性降低，漿體性能變差，候凝時間長，水泥石強度大幅降低等問題，結合現(xiàn)場實際選用擴大水灰比來降低水泥漿的密度[11]。

2.1 納米液體減輕劑

室內開發(fā)了一種新型的納米減輕劑CP-56，密度1.08～1.13g/cm3，pH值9～10，是一種白色半透明固體膠狀溶液。其主要成分為納米活性硅，屬于多孔性介質，密度僅為0.2g/cm3。該材料具有較強的束水功能，能夠與水泥顆粒形成H—Si—H凝膠結構，增強水泥石的穩(wěn)定性能。CP-56的固相質量分數(shù)為15%～17%，粒徑范圍在400～500nm(見圖1)，通過增大水灰比降低水泥漿密度。該材料一方面具有良好的穩(wěn)定性，另一方面保證水泥顆粒材料正常水化固化[12]，加入后能夠增加水泥漿的黏度和懸浮穩(wěn)定性，同時提高水泥石的抗壓強度。

2.2 納米液體減輕劑對水泥漿性能影響

為了研究納米液體減輕劑對水泥漿性能的影響，室內測試了納米液體減輕劑配制水泥漿的沉降穩(wěn)定性；不同質量分數(shù)、不同溫度條件下的強度發(fā)展以及稠化性能。測試水泥漿配方為：三峽G級水泥+淡水+納米液體減輕劑，密度為1.40g/cm3。

1)沉降穩(wěn)定性測試。室溫下，分別配制空白低密度水泥漿、納米液體減輕劑的低密度水泥漿，將漿體倒入500mL的量筒，靜置30min，觀察是否沉降，并記錄自由液析出情況。

2)抗壓強度測試。分別測試空白水泥漿和不同CP-56質量分數(shù)下溫度60～90℃時的72h強度發(fā)展情況。

3)稠化性能測試。測試溫度70℃條件下，不同CP-56質量分數(shù)對稠化時間的影響。

試驗結果如表1所示。未加入納米液體減輕劑的水泥漿表層有清液析出，漿體出現(xiàn)沉降，加入納米液體減輕劑后，漿體逐漸均勻無沉降，隨著質量分數(shù)增大，清液析出也逐漸消失，表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。在不同溫度條件下，隨著納米液體減輕劑CP-56質量分數(shù)增大，水泥漿的稠化時間逐漸縮短，說明納米液體減輕劑具有一定的促凝作用。同時，水泥石的強度呈逐漸增大趨勢，當CP-56質量分數(shù)達到30%時，水泥石的抗壓強度最大。試驗結果說明納米液體減輕劑不僅可以改善水泥漿的沉降穩(wěn)定性，而且明顯提高了水泥石的抗壓強度，具有一定的增強作用。

表1 納米液體減輕劑質量分數(shù)對水泥漿強度和沉降穩(wěn)定性能的影響Table 1 The influence of the mass fraction of nano-liquid lightening agent on the strength and settlement stability of cement slurry

表2 降濾失劑優(yōu)選Table 2 Optimization of fluid loss additives

消泡劑，測試溫度為60℃。

表3 早強劑CS-3質量分數(shù)對低密度水泥漿性能影響Table 3 The effect of the mass fraction of the early strength agent CS-3 on the performance of low-density cement slurry

劑，測試溫度為60℃。

表4 長度為2mm的BW-1對滲透性地層封堵試驗效果Table 4 Effect of BW-1 with length of 2mm on plugging test of permeable formations

纖維，測試壓力為3.5MPa。

表5 長度為5mm的BW-1對裂縫性地層封堵試驗效果Table 5 Effect of BW-1 with length of 5mm on plugging test of fractured formations

纖維，裂縫寬度2mm，測試壓力為5.0MPa。

2.3 納米低密度水泥漿體系構建

1)降失水劑的選擇。針對納米液體減輕劑的特點，構建的低密度水泥漿應該嚴格控制失水量。室內選用聚合物降濾失劑G310S、CG80L和PVA類濾失劑FLO-S進行了優(yōu)選，結果如表2所示。從表2可以看出，3種降濾失劑都能滿足固井需求，API失水量小于100mL，但是通過對比24h抗壓強度，可以看到G310S要明顯優(yōu)于其他降濾失劑。

室內構建配方選擇聚合物降濾失劑G310S作為納米低密度水泥漿體系的降濾失材料，該材料能夠通過溶解物質吸附在水泥顆粒的表面，從而改變水泥顆粒表面的物理性能，形成一種以水泥顆粒為節(jié)點的網狀聚集體，并在水泥顆粒表面上的孔道進行覆蓋并形成一層致密濾餅，有效降低水泥漿的失水量，而且有利于防止地層滲漏的發(fā)生[13]。當G310S質量分數(shù)達到3%時，能夠控制低密度水泥漿的失水量在60mL以下，有利于防止水泥漿失重引起地下流體的竄流。因此，納米低密度水泥漿體系推薦G310S加量為3%。

2)早強劑的選擇。低密度水泥漿要求在低溫條件下不僅具有良好的漿體穩(wěn)定性和流變性，同時應兼具較高的養(yǎng)護強度。室內選用鋰鹽復合早強劑CS-3，利用Li+半徑小、極化作用強、水化半徑大等特點，加速破壞水泥水化保護膜，縮短水化誘導期，提高低密度水泥漿體系中C3S和C2S低溫水化能力[14]。室內測試選用配方為：三峽G級水泥+80%淡水+25%納米減輕劑+早強劑CS-3，當CS-3質量分數(shù)達到2%時，60℃條件下12h強度可達4.5MPa(見表3)，能夠滿足表層固井作業(yè)強度需求。

3)防漏堵漏材料的選擇。為了降低水泥漿頂替過程中存在的漏失風險，在水泥漿體系中選用了混合纖維BW-1，在提高水泥漿韌性的同時提高水泥漿防漏能力[15]。通過模擬砂床滲透堵漏試驗和地層裂縫堵漏試驗(見表4和表5)，試驗結果可以看出，采用長度2mm的BW-1混合纖維，質量分數(shù)在0.2%時即可對滲透性地層進行封堵，采用長度5mm的BW-1混合纖維，質量分數(shù)在0.7%時即可對2mm左右的裂縫性地層進行封堵。

3 水泥漿性能綜合評價

通過優(yōu)選納米液體減輕劑、防竄降失水劑、早強劑以及其他外加劑，構建了納米低密度水泥漿的基本配方并對體系的綜合性能進行了測試，配方為：三峽G級水泥+80%淡水+25%納米液體減輕劑+3%降濾失劑G310S +2%早強劑CS-3+0.2%消泡劑(密度為1.50g/cm3)。室內進行了不同密度下，納米低密度水泥漿的流變性、抗壓強度及稠化性能測試，測試結果如表6和表7所示。

表6 納米低密度水泥漿基本性能Table 6 Basic properties of nano low-density cement slurry

表7 不同溫度下納米低密度水泥漿稠化及強度性能Table 7 Thickening and strength properties of nano low-density cement slurry at different temperatures

由上述測試可知，不同密度的水泥漿體系在60℃條件下的初始稠度低，流動性良好，稠化時間穩(wěn)定可調，API失水量小，游離液體積為0；隨著密度增大，水泥漿體系24h抗壓強度逐漸增大；隨著溫度的升高，低密度水泥漿體系的稠化時間隨之縮短，水泥石抗壓強度逐漸增大。綜合評價水泥漿性能表明，納米低密度水泥漿體系性能較好，能夠滿足現(xiàn)場固井的要求。

4 現(xiàn)場應用

納米低密度水泥漿體系在江漢油田蚌頁油1HF井進行了現(xiàn)場應用。該井完鉆井深4580m，水平段長1162m，井底溫度為86℃，循環(huán)溫度為72℃。在設計水泥漿時提出了雙凝防漏水泥漿技術：領漿采用低密度水泥漿，尾漿為常規(guī)密度水泥漿，有效地封固裸眼井段，防止油氣、水竄，雙凝界面為進入技術套管300m，確保平衡地層壓力的情況下，提高長水平段的固井質量。低密度領漿要求：密度1.45～1.6g/cm3，稠化時間240～300min，控制水泥漿的API失水量小于100mL。

現(xiàn)場作業(yè)領漿采用納米低密度水泥漿，密度為1.6g/cm3，水泥漿72℃時API失水量為52mL，游離液體積為0，72℃、35MPa下的稠化時間為259min(見圖2)，塑性黏度28mPa·s，動切力為13Pa，24h抗壓強度為10.5MPa。尾漿采用常規(guī)的膠乳防竄水泥漿，密度1.88g/cm3，水泥漿80℃時API失水量為25mL，游離液為0，80℃、40MPa下的稠化時間為201min，塑性黏度135mPa·s，動切力為12Pa，24h抗壓強度為14.5MPa。

現(xiàn)場注入低密度領漿62m3、尾漿51.5m3、清水40m3，返出地面3m3，整個固井施工連續(xù)正常，經現(xiàn)場測井結果顯示一、二界面膠結良好，固井質量優(yōu)質。

圖2 蚌頁油1HF井納米低密度領漿稠化曲線Fig.2 Thickening curve of nano low-density collar slurry in Well Bangyeyou 1HF

5 結論

1)室內研制了一種納米液體減輕劑CP-56，該材料具有較強的束水功能，能夠與水泥顆粒形成凝膠結構，提高水泥石的強度及穩(wěn)定性能。該材料通過增大水灰比來降低水泥漿的密度，輔以適當外加劑，形成了密度在1.40～1.60g/cm3的納米低密度水泥漿體系。

2)納米低密度水泥漿體系室內試驗和現(xiàn)場應用結果表明，該體系漿體流變性好，API失水量小，游離液體積為0，稠化時間可調，抗壓強度發(fā)展快且強度高，60℃、24h抗壓強度可達9.8MPa，能夠滿足現(xiàn)場固井作業(yè)需求。

3)納米低密度水泥漿體系在江漢區(qū)塊頁巖油井進行了現(xiàn)場應用，水泥漿性能滿足現(xiàn)場作業(yè)需求，整個固井施工連續(xù)正常，經現(xiàn)場測井顯示固井質量優(yōu)質。