低滲透油氣藏水平井固井用增韌防竄劑的研發和應用

滕兆健，郭文猛，饒辰威，鄒建龍

(1中國石油海洋公司渤星公司 2中國石油集團鉆井工程重點實驗室 3中國石油渤海鉆探第一固井公司 4中國石油川慶鉆探固井公司)

中國非常規油氣資源豐富，發展潛力大。其中低滲透氣可采資源量為(8.8～12.1)×1012m3，低滲透油可采資源量為(13～14)×108t。未來10～20年，中國低滲透油氣產量將顯著增長，在彌補常規油氣產量短缺中扮演日益重要的角色[1]。

低滲透油氣低孔、低滲、低壓特征突出，為實現低滲透油氣的規模效益開發，采用包括“一體化”設計、“平臺式”長水平井鉆井、“規模化”體積壓裂、“控制式”采油、“工廠化”作業等開發技術。低滲透油氣復雜的地質條件、水平井多級體積壓裂以及工廠化作業等特殊的開發方式，給固井提出了更高的要求和挑戰，具體表現在固井水泥漿方面主要為：①低失水、零游離液、適度的膨脹性能，避免在井眼上側形成竄槽；②水泥石必須具有良好的韌性，滿足水平井后期投產要進行大規模多級壓裂改造的需求和長期有效的層間封隔；③為提高采收率，前期的高壓注水，形成了地下高壓層與低壓層共存的多壓力體系，層間壓差大、產層水淹嚴重，地下流體活躍，固井施工存在水泥頂替到位及候凝期間竄槽現象；④為滿足工廠化作業要求，所有固井外加劑盡可能為可干混的粉體材料，一次混配大批量灰樣，實現批量固井作業，提高施工時效，同時也可避免普通配水固井施工作業時的藥液浪費和傷害環境[2-7]。

要達到以上要求，關鍵在于需要利用功能型固井外加劑，提高水泥漿的防竄性能，改善水泥石的韌性。本文開發了一種油井水泥用高分子聚合物類增韌防竄劑，可同時提高水泥漿防竄性能，改善水泥石力學性能，其形成的水泥漿體系，可適用于低滲透油氣藏水平井開發。

一、增韌防竄劑的研發

1. 研發思路

利用小分子單體合成體型高分子聚合物，加入到水泥漿中后形成網狀三維結構，提高水泥漿的內聚力，降低滲透率，防止油、水、氣侵入水泥漿中，使水泥漿具有良好的防竄性能。通過選用柔性單體，并調節高分子聚合物的聚合度和粒徑大小，形成納米級的彈性粒子，加入到水泥漿中后，降低水泥石彈性模量，提高水泥石抗沖擊性能，改善水泥石的韌性。

2. 實驗材料與儀器

G級高抗硫油井水泥，硅粉，緩凝劑BCR-201S，降失水劑BCF-200S，減阻劑CF40S，消泡劑G603，單體醋酸乙烯酯Vac，甲基丙烯酸酯MMa，pH調節劑，引發劑過硫酸鉀等。

三口燒瓶，攪拌器，水浴鍋，增壓稠化儀，千德樂7150型竄流分析儀，三軸試驗機，壓力機，常壓稠化儀，5265靜膠凝強度儀，抗沖擊功試驗機，TREOS激光光散射與凝膠色譜系統等。

3. 增韌防竄劑的合成

取一定量Vac，加入三口燒瓶中，同時加入200 mL水，加入pH調節劑，保持pH在2.0～3.0之間，攪拌加熱到75℃，然后加入MMa，通氮氣除氧，緩慢加入引發劑，繼續通氮氣，恒溫度聚合4～5 h，冷卻至室溫，調節pH至7.0，烘干、研磨，得到體型高分子聚合物增韌防竄劑。

4. 分子量表征

體型高分子聚合物分子量的大小直接影響水泥漿中三維網狀結構的形成，當分子量過小時，不足以形成高內聚力的水泥漿，對水泥漿的防竄性能改善不大；當分子量太大了，會造成水泥漿的黏度和初始稠度過高，直接影響施工安全。通過室內大量試驗，本文最終確定了高分子體型聚合物的最佳分子量范圍(80～120)×104之間。本文利用TREOS激光光散射與凝膠滲透色譜儀，測定了增韌防竄劑分子量分布增韌防竄劑重均分子量在1.10×106g/mol。

5. 粒徑表征

該增韌防竄劑可再分散于水中，可形成均勻溶膠體系。通過粒徑測試，粒度分布在50～145 nm之間，中值粒徑98 nm(D50)，與油井水泥的粒徑15 μm(D50)相差較大，易于填充在水泥顆粒之間的空隙，有利于降低水泥石的滲透率和提高水泥石致密性，提高水泥漿防竄性能。

二、增韌防竄劑水泥漿性能評價

1.增韌防竄水泥漿失水和游離液性能

增韌防竄劑在水泥漿中形成的網絡結構，提高了水泥漿的穩定性，降低了水泥漿游離液，同時其粒徑為納米級，有利于水泥漿實現緊密堆積，降低水泥漿失水，試驗結果如表1所示。

表1 增韌防竄水泥漿游離液和失水性能

2. 水泥漿防竄性能評價

根據行業標準《油井水泥外加劑評價方法第5部分：防氣竄劑SYT 5504.5-2010》，利用水泥漿竄流分析儀器，在50℃和80℃下，進行了水泥漿防竄試驗，如表2。

表2 增韌防竄劑水泥漿防竄試驗結果

注：水泥漿組成：水泥/100 g+水/44 g+降失水劑BCF-200S/2 g+增韌防竄劑。

為對于常規密度水泥漿，增韌防竄劑加量為3%BWOC時，可明顯縮短靜膠凝過渡時間在15 min內。在2.8 MPa的壓差下，水泥漿竄流分析儀竄流體積為一直為0 mL，水泥漿防竄性能得到明顯提高，如圖1所示。

圖1 增韌防竄劑水泥漿防竄曲線

三、增韌防竄劑水泥石力學性能評價

1. 水泥石彈性模量評價

增韌防竄劑本身為一種彈性粒子顆粒材料，分散到水泥漿中后可起到應力集中點的作用，在受到沖擊載荷作用時，大量能量充分耗散，從而降低了水泥石的脆性，如圖2所示。同時彈性粒子作為水泥石的骨架結構，是沖擊力的傳遞介質，沖擊力傳到填充于其間的彈性粒子，彈性粒子產生緩沖作用并吸收部分能量，從而改善了水泥石的韌性。

彈性模量作為油井水泥石韌性評價重要指標之一，一般認為彈性模量越低，水泥石形變能力越好，其韌性越好，越有利于水泥環完整性的保持。利用巖石三軸抗壓強度試驗機，測定了增韌防竄劑不同摻量下的水泥石彈性模量，結果如表3所示。

圖2 增韌防竄水泥石SEM圖

表3 增韌防竄水泥石抗壓強度與彈性模量試驗結果

通過表3的試驗結果可以看出，隨增韌防竄劑加量的提高，水泥石彈性模量逐漸降低，增韌防竄劑摻量為10%BWOC時，彈性模量可達4.68 GPa，水泥石形變能力得到較大提高，水泥石韌性明顯改善。

2. 水泥石抗沖擊性能評價

水泥石的抗沖擊功的大小能夠直接反映其抗沖擊韌性的大小，在鉆井及射孔等施工作業中都有可能對水泥石產生強烈的沖擊，一般的水泥石抗沖擊能力有限，采用了擺錘法對摻入增韌防竄劑的水泥石進行了抗沖擊試驗評價，結果如表4所示。

表4 增韌防竄水泥石抗沖擊功試驗結果

通過表4實驗結果可以看出，增韌防竄劑在2.0%～6.0% BWOC的摻量范圍內，水泥石抗沖擊功明顯提高，增韌防竄劑改善了水泥石的韌性，但是當摻量在8.0%BWOC以上時，水泥石強度下降較大，沖擊功增加幅度反而減小。

3. 水泥石膨脹性能評價

增韌防竄劑在水泥石中形成的網絡結構，可有效防止水泥漿塑性收縮和水泥石硬化體收縮，同時增韌防竄劑中的羥基OH，能與水分子形成氫鍵，具有較強的吸水性。在水泥水化過程中，吸水溶脹，與水泥水化物共同形成含有大量水的凝膠狀物質，使得水泥石本身表現出了一定的膨脹性，如表5。

表5 增韌防竄水泥石膨脹試驗結果

通過表5的實驗結果可知，摻有增韌防竄劑的水泥石具有明顯的膨脹，防止水泥漿塑性收縮，有利于改善水泥環與套管、地層的界面膠結狀況，進一步提高了水泥漿整體的防竄能力。

四、現場應用情況

長慶油田隴東區塊為更有效開發低滲透油氣藏，目前主要采用超前注水方式開發，完井方式采用水平井。固井前由于超前注水，目的層原始壓力被破壞，層間水竄嚴重；固井后試采及井下增產措施容易造成水泥環破壞及一二界面二次竄流，導致層間封隔失效，直接影響油氣井的開采和使用壽命。

針對這些問題，以增韌防竄劑為基礎，配套粉體降失水劑BCF-200S，粉體緩凝劑BCR-210S等固井外加劑，形成了具有防竄、增韌、微膨脹、低失水、零游離液等綜合性能滿足低滲透油氣藏開發水平井固井水泥漿體系。

2013年以來在長慶油田合水、馬嶺、華池等區域的24口井的水平段固井作業中采用了該技術，對水平段水泥膠結質量進行了統計：一、二界面平均優良率為93.99%和60.95%，同周圍區塊固井質量相比，分別提高15%和30%以上；在后期改造過程中未發現水竄，與周圍鄰井相比由原來含水率30%～60%，降低到5%左右，有效抑制了井底壓裂后的油氣水竄問題，產油量明顯增大。

長慶固平28-21井超低滲透油藏2 000 m水平段，采用增韌防竄水泥漿體系固井后，成功進行了18段66簇壓裂，該井投產第一個月平均日產油25.5 t，創造了低滲透油藏水平井單井產量最高紀錄。

五、結論

(1)針對低滲透油氣藏水平井開發對固井水泥漿體系的要求，開發了高分子體型聚合物類增韌防竄劑，對其分子量和粒徑進行了表征，對其水泥漿和水泥石性能進行了評價，當增韌防竄劑摻量大于3%BWOC時防竄性能可滿足防氣竄劑行業標準的要求，有效提高了水泥漿防竄性能；可降低水泥石彈性模量10%以上，可提高水泥石抗沖擊功高達16%，明顯改善水泥石膨脹性能。

(2)以增韌防竄劑為基礎，配套其他功能外加劑，形成了具有防竄、增韌、微膨脹、低失水、零游離液等綜合性能滿足低滲透油氣藏開發水平井固井技術，在長慶油田隴東區塊采用該技術進行固井作業后，同周圍區塊固井質量相比，一界面和二界面固井質量分別提高15%和30%以上；在后期壓裂改造過程中未發現水竄，與周圍鄰井相比由原來含水率30%～60%，降低到5%左右，有效抑制了井底壓裂后的油氣水竄問題。