蘇里格氣田分層壓裂段固井水泥漿體系的研究與應用

李憲文 周文軍 黃占盈 吳學升 張燕娜

（1.長慶油田油氣工藝研究院，陜西西安 710018；2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室，陜西西安 710018）

蘇里格氣田分層壓裂段固井水泥漿體系的研究與應用

李憲文1,2周文軍1,2黃占盈1,2吳學升1,2張燕娜1,2

（1.長慶油田油氣工藝研究院，陜西西安 710018；2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室，陜西西安 710018）

針對蘇里格氣田部分井壓裂施工過程中出現(xiàn)的天然氣竄槽問題，通過實驗優(yōu)選出性能良好的膠乳與外加劑，研發(fā)出防氣竄高強度水泥漿體系。室內(nèi)評價結果表明，該體系在不同溫度下游離液低、流變性能好，水泥石抗折強度較常規(guī)水泥石提高了10%左右，48 h最大抗壓強度29.5 MPa。現(xiàn)場試驗3口井，儲層段第一界面優(yōu)質(zhì)率100%，第二界面優(yōu)質(zhì)率大于94%，壓裂施工中壓力正常，未出現(xiàn)環(huán)空竄流，滿足了蘇里格氣田分層壓裂對環(huán)空水泥石完整性的要求。

蘇里格氣田；分層壓裂；固井；防氣竄；水泥漿

蘇里格氣田上古生界致密砂巖氣藏地層滲透率0.06～2 mD、地層壓力系數(shù) 0.87、天然氣豐度（1.1～2）×108m3/km2，具有低壓低滲低豐度特點。氣藏無自然產(chǎn)能，壓裂改造是最重要的增產(chǎn)手段［1-2］。用于砂巖多薄層改造的套管滑套分層壓裂工藝對固井質(zhì)量與水泥石抗沖擊韌性提出了較高要求。由于水泥漿體系和固井工藝不能完全適應增產(chǎn)工藝需要，部分井壓裂施工過程中出現(xiàn)了天然氣竄槽的問題。為確保分層改造時水泥環(huán)能夠有效封隔不同壓力條件的各個產(chǎn)層，針對蘇里格氣田實際優(yōu)選了防氣竄高強度水泥漿體系。現(xiàn)場應用效果證明該體系可以有效提高長慶氣田分層壓裂段封固質(zhì)量，對于實現(xiàn)氣田高效開發(fā)具有促進作用。

1 分層壓裂技術對水泥石膠結質(zhì)量要求及影響分析

1.1 分層壓裂氣竄井分析

套管滑套完井多級分層壓裂工藝應用以來，部分井壓裂過程中出現(xiàn)天然氣竄槽。如S16A-57L井與S11C-93L井，兩井均屬二開定向井，完鉆井深2 820～2 950 m，井身結構為?311 mm鉆頭×?244.5 mm表層套管+?215.9 mm鉆頭×?114.3 mm生產(chǎn)套管，采用一次上返固井，常規(guī)降失水水泥漿體系，水灰比0.44，密度1.90 g/cm3，稠化時間120 min（95℃、55 MPa），失水 ＜100 mL（7 MPa、70 ℃、30 min），游離液 ＜0.5 mL，在 21 MPa、95 ℃條件下，24 h 抗壓強度16 MPa，48 h抗壓強度25 MPa；改造主要儲層為盒8段、山1段。壓裂施工過程中，孔眼周圍水泥環(huán)出現(xiàn)不規(guī)則裂縫、小面積斷裂破碎，水泥環(huán)層間封隔氣、水失效，S16A-31L井壓裂后出水無產(chǎn)能。

1.2 分層壓裂對水泥環(huán)的影響分析

水泥石屬于硬脆性材料，自身協(xié)調(diào)形變能力差，與套管鋼材的彈性和變形能力存在較大差異。當受到由壓裂產(chǎn)生的動態(tài)沖擊載荷作用時，水泥環(huán)受到較大的內(nèi)壓力和沖擊力，產(chǎn)生徑向斷裂；當壓裂作業(yè)的沖擊作用大于水泥石的破碎吸收能時，水泥石破碎，井筒的完整性被破壞，壓裂施工中壓裂液隨水泥環(huán)本體的裂縫運移，進一步推動水泥環(huán)裂紋的不定向延展，不僅降低了壓裂效果，也使被破壞后水泥環(huán)失去層間封隔和保護套管的作用，引起儲層氣體環(huán)空竄流，直接影響到天然氣的正常開發(fā)與氣井開采壽命。

1.3 分層壓裂對水泥石質(zhì)量要求

水泥石的碎裂是由微裂紋失穩(wěn)、擴展和匯合造成的，因此，分層壓裂段水泥石要具備井下環(huán)境條件下承受氣層改造工況載荷時的抗沖擊能力，改變水泥石本身硬脆性的特點，改善水泥石的抗沖擊韌性、抗拉強度等塑性特征，保證水泥石具有高強度柔性膠結，從而達到提高固井質(zhì)量、滿足長慶氣田分層壓裂段封固質(zhì)量要求。

2 防氣竄高強度水泥漿體系優(yōu)選

為了提高多層壓裂段封固質(zhì)量，水泥漿中引入膨脹材料及膠乳［3-9］，膨脹材料減少水泥收縮，膠粉填充于水泥骨架之間，成為沖擊力的傳遞介質(zhì)，吸收儲層改造過程對水泥環(huán)的沖擊功，提高了水泥環(huán)的抗沖擊韌性，改善第二界面的封固質(zhì)量。

2.1 高分子聚合物膠乳的評價與優(yōu)選

針對3個膠乳樣品LZ-1、GZ-1和SD-1進行了室內(nèi)實驗。通過測定80 ℃下膠乳的降失水性能，優(yōu)選出性能良好的膠乳SD-1，當其加量占水泥6%～10% 時，6.9 MPa、30 min失水可控制在 20～30 mL，完全滿足現(xiàn)場施工要求（表1）。

表1 高分子聚合物膠乳的優(yōu)選實驗數(shù)據(jù)

2.2 外加劑的評價與優(yōu)選

2.2.1 分散劑 對分散劑 US-1、D96-1、XB-1、ST-1進行了性能評價及優(yōu)選實驗（見表2），實驗配方：G級水泥+8%膠乳SD-1+1.8%消泡劑XP-3+分散劑，水灰比0.44。實驗結果表明，US-1加量大（0.6%～0.8%）時，改善流變性能效果不好；D96-1改善水泥漿流變性能效果很好；XB-1與ST-1流動度較低，實驗過程中ST-1有閃凝現(xiàn)象。因此優(yōu)選D96-1為分散劑，加量3%。

表2 分散劑優(yōu)選實驗數(shù)據(jù)

2.2.2 緩凝劑 對緩凝劑GH-4、BR-20、SH-1進行了性能評價及優(yōu)選實驗（見表3），實驗配方：G級水泥+8%膠乳SD-1+3%分散劑D96-1+1.8%消泡劑XP-3+緩凝劑，水灰比0.44，密度1.87 g/cm3。在80 ℃條件下測試水泥漿稠化時間，優(yōu)選出BR-20（液體）為膠乳水泥漿體系緩凝劑，加量0.15%～0.22%時，稠化時間可控制在160～200 min，且過渡時間短。

表3 緩凝劑優(yōu)選實驗數(shù)據(jù)

2.3 水泥漿體系性能評價［10］

2.3.1 常規(guī)性能評價 在70、80、90 ℃條件下，對水泥漿稠化時間、游離液、失水、抗壓強度進行評價（見表4）。結果表明，與氣竄井固井水泥漿相比，膠乳水泥漿體系在不同溫度條件下具有失水量小（＜50 mL）、游離液低（＜0.5 mL）、水泥石抗壓強度高（48 h最大抗壓強度29.5 MPa）、流變性能與體系穩(wěn)定性好等特點。

表4 膠乳水泥漿體系常規(guī)性能

2.3.2 水泥漿膠凝強度性能評價 針對體系開展了膠凝強度室內(nèi)實驗評價，體系從稠化結束到初凝、終凝和凝固成水泥石分別比純水泥體系縮短了8 min、13 min、26 min。圖1為膠凝強度室內(nèi)實驗評價曲線，可以看出，在終凝結束凝固成水泥石過程中，靜態(tài)膠凝強度呈指數(shù)曲線上升，不僅快速增強水泥石強度，且在一定程度上極大降低了氣侵的危害，提高了固井質(zhì)量。

圖1 水泥漿體系膠凝強度曲線

2.3.3 水泥石抗折強度和抗沖擊韌性評價 在70、80、90 ℃下，評價水泥石 24 h、48 h、72 h 抗折強度（圖2），評價結果顯示，膠乳水泥石較常規(guī)水泥石抗折強度提高10%左右。針對常規(guī)水泥石與研發(fā)的膠乳水泥石進行了抗沖擊韌性的實驗，分別用射釘槍將釘子從水泥石一端射入，從圖3可看出，常規(guī)水泥石出現(xiàn)明顯裂縫，膠乳水泥石無明顯裂紋，說明膠乳水泥漿體系有利于改善水泥石的內(nèi)部結構、提高水泥石的韌性，能有效防止壓裂施工對水泥石破壞。

圖2 膠乳水泥石與常規(guī)水泥石抗折強度對比

圖3 常規(guī)水泥石與膠乳水泥石抗沖擊韌性實驗

3 現(xiàn)場試驗

為進一步驗證和優(yōu)化防氣竄高強度水泥漿體系性能，2012年9月先后在長慶蘇里格東區(qū)3口井進行了固井試驗（見表5）。試驗井均屬二開定向井，?114.3 mm套管固井完井，常規(guī)密度水泥返至氣層頂界以上300 m，低密度水泥返至井口，除SD57C-65B采用分級固井外，其他2口井采用一次上返固井工藝。3口井施工順利，全井段固井合格率100%，儲層段第一界面優(yōu)質(zhì)率100%。

以SD57C-65B為例，該井完鉆井深3 265 m，井身結構為?311 mm鉆頭×?244.5 mm表層套管+?215.9 mm鉆頭×?114.3 mm生產(chǎn)套管，套管滑套分層壓裂工藝改造，主要儲層盒8段、山1段與山2段。低密度水泥漿采用泡沫水泥漿體系，水灰比0.5～0.55，密度 1.35-1.45 g/cm3，稠化時間 135～185 min，失水小于50 mL，游離液小于1.5 mL，24 h抗壓強度大于5.5 MPa，流性指數(shù) 0.4～0.8，稠度系數(shù) 1.7～2.5 Pa·sn；常規(guī)密度水泥漿采用膠乳水泥漿體系，水灰比0.44，密度 1.71～1.76 g/cm3，稠化時間 90～110 min，失水小于50 mL，游離液小于0.5 mL，24 h抗壓強度大于18 MPa，流性指數(shù) 0.6～0.9，稠度系數(shù) 0.1～0.95 Pa·sn；反擠固井采用早強劑體系，密度1.88～1.92 g/cm3。固井注前置液10 m3，密度1.05 g/cm3；注水泥漿38 m3，壓膠塞 1 m3，頂替 23.1 m3，反擠 16 m3，碰壓 0—10—23 MPa，儲層段固井質(zhì)量優(yōu)良率95%，后期套管滑套完井多級分層壓裂施工中壓力正常，未出現(xiàn)環(huán)空竄流，表明防氣竄高強度水泥漿體系能有效滿足長慶氣田分層壓裂對環(huán)空水泥石完整性的要求。

4 結論

（1）分層壓裂施工會造成部分井孔眼周圍水泥環(huán)斷裂破碎，水泥環(huán)層間封隔氣、水失效從而發(fā)生氣竄。因此，要求改變水泥石硬脆性特點，改善抗沖擊韌性、抗拉強度等塑性特征，保證水泥石具有高強度柔性膠結。

（2）評價與優(yōu)選了高分子聚合物膠乳與配套外加劑，開發(fā)了膠凝強度、抗折強度、抗沖擊韌性較高的防氣竄高強度水泥漿體系，室內(nèi)評價結果顯示，在不同溫度條件下該體系具有失水低、抗壓強度高、流變性好、穩(wěn)定性強等特點。

（3）現(xiàn)場試驗3口井，儲層段第一界面優(yōu)質(zhì)率100%，第二界面優(yōu)質(zhì)率大于94%，大幅提高了儲層井段封固質(zhì)量，后期套管滑套完井多級分層壓裂施工未出現(xiàn)環(huán)空竄流，滿足多層壓裂對環(huán)空水泥石完整性的要求。

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（修改稿收到日期 2013-06-15）

Study and application of cementation slurry in Sulige gas field separate layer fracturing well section

LI Xianwen1,2, ZHOU Wenjun1,2, HUANG Zhanying1,2, WU Xuesheng1,2, ZHANG Yanna1,2
（1. Research Institute of Oil and Gas Techniques,Changqing Oilfield Company,Xi’an710018,China;2. Low permeability oil and gas field exploration and development of National Engineering Laboratory,Xi’an710018,China）

In view of gas channeling in the course of fracture construction in Sulige Gas Field, a gas channeling prevention and high strength cementation slurry has been researched to the enterprise by experiment optimized latex and cement additives. Experiment in lab shows that the slurry has low free fluid and good rheological property, the flexural strength increased about ten percents, the maximum compressive strength reach 29.5 MPa in 48 hours, It has passed through 3 wells test, the first interface merit factor of one hundred percent and the second interface merit factor more than 94%.The construction pressure is normal, gas channeling is not appeared, meet the stratification of Changqing gas field fracturing of annular cement stone integrity requirements.

Sulige gasfield; separate layer fracturing；well cementing；gas channeling prevention；cement slurry

李憲文，周文軍，黃占盈，等. 蘇里格氣田分層壓裂段固井水泥漿體系的研究與應用［J］. 石油鉆采工藝，2013，35（4）：51-54.

TE256

：A

1000–7393（2013） 04–0051–04

中國石油集團（股份）公司重大科技專項“致密氣藏開發(fā)重大工程技術研究”課題三“致密氣藏鉆完井技術研究”（編號：2010E-2303）部分成果。

李憲文，1963年生。1985年畢業(yè)于大慶石油學院，主要從事油氣田技術管理與研究工作，教授級高級工程師。電話：029-86590698。E-mail：lxw_cq@petrochina.com.cn。

〔編輯 朱 偉〕