楊大足 劉永勝

中國(guó)石化華北油氣分公司石油工程技術(shù)研究院

鄂南致密砂巖儲(chǔ)層彈塑性水泥漿體系研究與應(yīng)用

楊大足 劉永勝

中國(guó)石化華北油氣分公司石油工程技術(shù)研究院

鄂南油田生產(chǎn)層屬于低孔隙度、低滲透率致密砂巖儲(chǔ)層，普遍采用水平井套管固井完井加大型壓裂進(jìn)行有效開(kāi)發(fā)。為提高水泥環(huán)承受大型壓裂對(duì)其的沖擊力和水泥環(huán)的完整性，水泥石不僅要有很好的強(qiáng)度,還要有較好的彈塑性。為此,研制開(kāi)發(fā)了彈塑性材料MFR并對(duì)其性能進(jìn)行了室內(nèi)測(cè)試，在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,優(yōu)選出MFR合理加量為1%～3%，優(yōu)化了彈塑性水泥漿體系配方，形成的水泥石彈性模量適當(dāng)，抗折強(qiáng)度高（斷裂韌性可增加44.8%），綜合性能滿足水平井固井要求。該水泥漿體系在鄂南HH73P92井φ139.7 mm生產(chǎn)套管固井中進(jìn)行了應(yīng)用,通過(guò)變密度測(cè)井檢測(cè)結(jié)果顯示，固井質(zhì)量良好。

致密儲(chǔ)層水平井固井彈塑性水泥漿體系

鄂南油田位于鄂爾多斯盆地南部，主要儲(chǔ)層屬于低孔隙度、低滲透率致密砂巖儲(chǔ)層，采用水平井技術(shù)和壓裂技術(shù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。初期采用裸眼完井，壓裂后投產(chǎn)初始效果明顯，但隨著開(kāi)發(fā)進(jìn)程，裸眼完井的局限性逐漸顯現(xiàn)，如產(chǎn)量遞減快、地層出水治理難度大、二次改造困難等問(wèn)題，因此完井方式改成套管固井射孔完井。完井方式改變后，水平井固井要求高性能的水泥漿體系，才能保證固井質(zhì)量；同時(shí)大型壓裂要求水泥環(huán)既要承受射孔、大型分段壓裂對(duì)其產(chǎn)生較大的內(nèi)壓力和沖擊力而不致徑向斷裂，又要承受射孔、壓裂作業(yè)的沖擊勢(shì)能而不產(chǎn)生破碎。因此，水泥環(huán)應(yīng)有較高的強(qiáng)度，具備較好的抗沖擊能力和耐久性。根據(jù)這個(gè)需求，研制開(kāi)發(fā)了具有較高強(qiáng)度的彈塑性水泥漿體系，以提高水泥環(huán)質(zhì)量，滿足水平井固井技術(shù)和射孔壓裂后水泥環(huán)的完整性。

1 彈塑性水泥漿體系研究

為了減輕射孔、壓裂對(duì)水泥石的破壞作用，可通過(guò)在水泥漿中添加適當(dāng)?shù)耐饧觿﹣?lái)改善油井水泥石力學(xué)性能,賦予油井水泥石一種可控塑性形變能力,增加水泥石抗沖擊破碎性能,減輕水泥環(huán)在受沖擊力作用時(shí)因應(yīng)力集中造成的破裂傷害程度，提高水泥石的強(qiáng)度和彈塑性[1-5]。

1.1 彈塑性材料研發(fā)

根據(jù)超混復(fù)合材料原理，改善材料抗沖擊性能的方法一般是通過(guò)增韌和止裂[6-9]。通過(guò)對(duì)具有增韌和止裂作用的纖維材料和具有彈性強(qiáng)的橡膠材料優(yōu)選，以及大量實(shí)驗(yàn)，將抗拉強(qiáng)度高、彈性模量分布合理且截面不規(guī)則的不同長(zhǎng)度不同粒徑纖維材料摻雜在一起，并經(jīng)過(guò)表面活性處理；將優(yōu)選彈性性能強(qiáng)的橡膠材料進(jìn)行破碎后再進(jìn)行球化處理，最終與處理的纖維材料復(fù)配，研制成彈塑性材料MFR。該材料與水泥漿配伍良好,能很好地分散到水泥漿體系中,對(duì)水泥漿體系的流變性基本沒(méi)有影響，基本性能見(jiàn)表1。

1.2 彈塑性評(píng)價(jià)

使用美國(guó)千德樂(lè)公司的CHANDLER 5265U機(jī)械性能測(cè)定儀對(duì)彈塑性水泥石進(jìn)行了力學(xué)評(píng)價(jià)，結(jié)果見(jiàn)表2。從表2可以發(fā)現(xiàn)，加有MFR材料的水泥石比常規(guī)水泥石的泊松比、抗折強(qiáng)度分別提高了7.7%和44.8%，而彈性模量降低了27.2%，說(shuō)明加有MFR的水泥石具有良好的彈塑性。

表1 MFR水泥漿體系的基本性能統(tǒng)計(jì)表

表2 MFR彈塑性水泥體系綜合力學(xué)性能統(tǒng)計(jì)表

此外采用德國(guó)Toni高精密抗折試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行彈塑性水泥石韌性評(píng)價(jià)。從測(cè)試結(jié)果可以看出，加入MFR對(duì)水泥石起裂強(qiáng)度影響不大，在載荷150 N左右，但是對(duì)后期裂紋擴(kuò)展影響較大。圖1為原漿抗折試驗(yàn)曲線，消除自由撓度后的實(shí)際加載撓度僅為0.3 mm時(shí)，試件斷裂，且峰值小于250 N，后期無(wú)假塑裂紋擴(kuò)展，充分反映了原漿在起裂后裂紋的快速擴(kuò)展過(guò)程，以及原漿的脆性。對(duì)比圖2可以發(fā)現(xiàn)，MFR水泥石在裂紋擴(kuò)展過(guò)程中撓度大、載荷高，水泥石的增韌止裂效果比較明顯。

圖1 原漿撓度-載荷曲線圖

圖2 MFR彈塑性水泥漿撓度-載荷曲線圖

彎曲韌性系數(shù)（JCI-SF4）是對(duì)水泥石柔性的評(píng)價(jià)系數(shù)，該數(shù)值越高，水泥石柔性、抗彎曲性能越好。本文同時(shí)采用JCI-SF4進(jìn)行論證，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。從表3解釋結(jié)果看，彈塑性水泥石柔性明顯要好于常規(guī)水泥石柔性。

表3 常規(guī)水泥漿與彈塑性水泥漿的彎曲韌性系數(shù)表

通過(guò)以上3種方法對(duì)MFR彈塑性水泥石的力學(xué)評(píng)價(jià)，均說(shuō)明MFR水泥漿具有較好的彈塑性。

1.3 彈塑性材料MFR加量?jī)?yōu)化

依據(jù)《GB/T19139-2012油井水泥試驗(yàn)方法》，開(kāi)展了水泥漿基本性能的評(píng)價(jià)，通過(guò)改變加量，對(duì)水泥漿體系進(jìn)行了流變、失水、強(qiáng)度等進(jìn)行了調(diào)配與評(píng)價(jià)。經(jīng)過(guò)大量?jī)?yōu)選實(shí)驗(yàn)后,確定最佳的彈性粒子MFR摻量1%～3%。其水泥漿綜合性能見(jiàn)表4。從表4中數(shù)據(jù)可以看出：在4%～6%的MFR加量能夠控制保持漿體良好的流變性和適宜的水泥石抗壓強(qiáng)度。

表4 55℃實(shí)驗(yàn)條件基本性能統(tǒng)計(jì)表

2 作用機(jī)理分析

彈塑性材料MFR加入油井水泥漿后，能夠無(wú)序、均勻地分散在水泥漿體中，充分?jǐn)嚢韬蟮某砘^(guò)程中MFR均勻分布并填充于C-H-S固體凝膠間。當(dāng)水泥石受沖擊力作用時(shí)，在水泥石骨架空間的MFR材料起緩沖作用并吸收部分能量，從而減少?zèng)_擊力對(duì)水泥石的破壞，達(dá)到提高水泥石的抗沖擊性能。同時(shí)MFR能在水泥石中形成柔韌網(wǎng)絡(luò)，貫穿于水泥石空間的骨架中的空隙和裂縫，并牢固地結(jié)合在一起，與水泥互相取長(zhǎng)補(bǔ)短，形成具有結(jié)構(gòu)密閉性能優(yōu)良的彈性復(fù)合體。纖維材料在水泥中產(chǎn)生了“梁”的作用，當(dāng)水泥石受到外力作用時(shí)，纖維作為“加強(qiáng)筋”改善水泥石力學(xué)形變能力；根據(jù)夾雜第二相橋聯(lián)原理中Bucknall的多重銀紋理論，在水泥基體中引入的球形橡膠顆粒相當(dāng)于“緩沖器”和“變向器”，可以起到應(yīng)力集中點(diǎn)的作用，在受到?jīng)_擊載荷作用時(shí)，引發(fā)粒子周?chē)幕w產(chǎn)生大量銀紋，使大量能量得以充分耗散，從而降低了水泥石的脆性。防止水泥石早期微裂紋的產(chǎn)生和拓展，從而提高水泥環(huán)的抗拉強(qiáng)度、抗沖擊性能，并且減少射孔時(shí)微裂紋的數(shù)量。

3 彈塑性水泥漿體系綜合性能評(píng)價(jià)

通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn),優(yōu)選出了彈塑性水泥漿配方及配套的外加劑，綜合性能良好，見(jiàn)表5和圖3。

表5 彈塑性水泥漿體系綜合性能統(tǒng)計(jì)表（水泥漿密度1.88 g/cm3，實(shí)驗(yàn)溫度55℃）

圖3 彈塑性水泥漿體系稠化曲線圖

4 實(shí)例應(yīng)用

HH73P92是鄂南油田部署的一口評(píng)價(jià)水平井，采用二級(jí)井身結(jié)構(gòu)，φ244.5 mm表層套管下至井深350 m，φ139.7 mm油層套管下至井深3 559 m。封固裸眼段長(zhǎng)3 209 m，水平段970 m，套管下入難度大；地層壓力體系變化大，在羅漢洞組、直羅組、延長(zhǎng)組多次發(fā)生漏失；水平段鉆遇兩處裂隙，分別為井段3 060～30 69 m及井段3 560～3 561 m裂縫發(fā)育，施工中漏失風(fēng)險(xiǎn)大。

4.1 固井主要技術(shù)措施

1）通井過(guò)程中要大排量洗井，要求排量不小于30 L/s，并進(jìn)行分段循環(huán)鉆井液，水平段及大斜度井段每200 m循環(huán)鉆井液一周，確保循環(huán)井眼干凈，振動(dòng)篩上無(wú)巖屑。

2）為降低下套管摩阻，要求通井結(jié)束起鉆前在水平及大斜度井段鉆井液中加入潤(rùn)滑材料或者2%的玻璃微珠，提高潤(rùn)滑性能，降低下套管摩阻，使摩阻系數(shù)降至0.05。

3）下套管前通井過(guò)程中做承壓試驗(yàn)，承壓1.5 MPa，穩(wěn)壓10 min，壓降0.1 MPa。

4）嚴(yán)格安放扶正器，以確保套管順利下到位和提高套管居中度。

5）固井施工前降低鉆井液黏度和動(dòng)切力，并注入6～8 m3前置沖洗液，以有效地沖洗泥餅隔離鉆井液，提高水泥漿的頂替效率，確保固井質(zhì)量。

6）為更好防止井漏，本井采用沖洗液注完后先注10 m3密度1.28 g/cm3的沖洗漿。

7）采用“雙凝”水泥漿體系，即低密度領(lǐng)漿與彈塑性尾漿，壓穩(wěn)地層，而不壓漏地層。

8）注漿過(guò)程中先以不超過(guò)地層承壓能力為上限逐漸增大排量，后期逐漸降低排量直至碰壓。這樣既滿足固井返高的要求，同時(shí)能盡可能防止注漿期間的漏失。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)施工及固井質(zhì)量

該井生產(chǎn)套管固井施工共注入彈塑性水泥漿33 m3，平均密度為1.88 g/cm3，領(lǐng)漿65 m3，平均密度為1.35 g/cm3。替漿至39 m3時(shí)井口失返，碰壓20 MPa，回壓凡爾關(guān)閉良好，關(guān)井候凝，候凝期滿后環(huán)空無(wú)氣竄。候凝48 h后變密度檢測(cè)固井質(zhì)量，尾槳封固井段2 350～3 561 m固井質(zhì)量良好。水平段采用射孔、分段壓裂，共壓裂12段。該井投產(chǎn)6個(gè)月后未見(jiàn)竄流現(xiàn)象，表明水泥石完整性良好。

5 結(jié)論

1）彈性材料MFR加入使水泥石具有良好的彈塑性，合理加量區(qū)間介于1%～3%。

2）研制的彈塑性水泥漿體系，彈性模量適當(dāng)，能明顯增加水泥石的彈性，抗折強(qiáng)度高（斷裂韌性增加44.8%），且各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足水平井固井技術(shù)要求。

3）彈塑性水泥漿體系在鄂南HH73P92井成功應(yīng)用，證實(shí)該體系能夠滿足鄂南致密砂巖儲(chǔ)層水平井固井要求，為大型壓裂提供技術(shù)保障。

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（修改回稿日期 2016-08-11 編輯 景岷雪）

國(guó)家重大專(zhuān)項(xiàng)“低豐度致密低滲油氣藏開(kāi)發(fā)關(guān)鍵技術(shù)”（編號(hào)：2016ZX05048）。

楊大足，1980年生，工程師；主要從事鉆井工藝研究工作。地址：（450000）河南省鄭州市中原區(qū)隴海西路199號(hào)。電話：（0371）86002177。E-mail:ydz432800@126.com