李治衡，張曉誠，謝濤，李進(jìn)，張羽臣

（1.海洋石油高效開發(fā)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300459；2.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300459）

注水開發(fā)是渤海油田最主要和最常用的開發(fā)手段[1-2]，長期的注水開發(fā)使得地層壓力體系紊亂，復(fù)雜的壓力系統(tǒng)致使部分區(qū)塊固井質(zhì)量較差，特別是第二界面膠結(jié)質(zhì)量最差，井下不同壓力層系間的有效封隔是難點(diǎn)[3-7]。同時(shí)，渤海灣館陶組油藏縱向?yàn)樯媳』?、異常高壓和低壓易漏失互層廣泛存在，壓力系統(tǒng)復(fù)雜，固井期間常發(fā)生井漏、竄槽等現(xiàn)象[8-12]。比如蓬萊油田開發(fā)L50-L102 等10 余個(gè)小層時(shí)，層間壓差高達(dá)3～4 MPa，高低壓交錯(cuò)的現(xiàn)象非常突出。目前，常規(guī)技術(shù)手段要求在動態(tài)復(fù)雜壓力體系下的調(diào)整井固井期間，關(guān)停周邊注水井，以確保固井質(zhì)量[13-15]。但隨著渤海增儲上產(chǎn)目標(biāo)的提出，要求調(diào)整井固井期間不停注，注水開發(fā)給固井工程帶來了新的技術(shù)挑戰(zhàn)。因此，亟需開展動態(tài)壓力體系下的固井技術(shù)研究，滿足不停注條件下的固井封固要求。針對動態(tài)壓力體系下的水泥漿性能評價(jià)難題和固井技術(shù)難點(diǎn)，利用自主研發(fā)的抗動態(tài)水分散性能評價(jià)、界面膠結(jié)防竄性能測試和塑性體體積測試裝置及方法，通過外加劑材料評價(jià)與優(yōu)選，構(gòu)建了動態(tài)復(fù)雜壓力體系下的新型固井水泥漿體系，提高了渤海油田復(fù)雜壓力體系調(diào)整井的固井質(zhì)量。

1 水泥漿防竄性能綜合評價(jià)方法

通過抗動態(tài)水分散性能評價(jià)裝置、界面膠結(jié)防竄性能測試裝置和塑性體體積測試裝置，能夠評價(jià)水泥漿的動態(tài)抗水分散能力和固化后水泥環(huán)的防竄能力，形成了適用于動態(tài)復(fù)雜壓力下水泥漿防竄性能綜合評價(jià)方法，為優(yōu)化水泥漿配方、提高水泥漿的防竄性能提供了依據(jù)和參考。

1.1 抗動態(tài)水分散性能評價(jià)裝置和方法

水泥漿抗動態(tài)水分散性能評價(jià)裝置示意圖見圖1 所示，該裝置可以模擬注水泥期間至初凝前水泥漿被動態(tài)地層水水侵的過程，可用于抗水分散劑的篩選和水泥漿體系的抗水侵能力評價(jià)。該裝置的評價(jià)原理為：優(yōu)選孔徑為0.015 mm 的尼龍濾網(wǎng)和金屬濾網(wǎng)，以實(shí)現(xiàn)對模擬地層水和水泥漿的隔離，同時(shí)也能讓旋轉(zhuǎn)水流對模擬候凝過程中的水泥漿形成沖刷、擾動。通過控制轉(zhuǎn)子攪拌速度以模擬不同流速的地層水對水泥漿的侵?jǐn)_，帶有大量OH-的水泥漿被水侵溶解分散后，在濃度差、離子勢能的作用下，水泥漿中的OH-會進(jìn)入模擬地層水，導(dǎo)致其OH-含量增加，pH 值增大。水侵越明顯，OH-交換越頻繁，因此模擬地層水中OH-濃度即pH 值的變化能夠表征水泥漿抗地層水侵?jǐn)_的能力。同時(shí)，可根據(jù)水泥漿初凝后濾網(wǎng)上水泥漿體的結(jié)構(gòu)和狀態(tài)，定性分析水泥漿的抗水分散能力。pH 值越小且穩(wěn)定，濾網(wǎng)上漿體結(jié)構(gòu)越密實(shí)，水泥漿抗水分散能力越強(qiáng)。

圖1 抗動態(tài)水分散性能評價(jià)裝置

1.2 界面膠結(jié)防竄性能測試裝置及方法

利用平流泵提供動態(tài)水壓，即壓力為0～5 MPa 的交替變化水壓，使模擬地層（具有一定滲透率的人造巖心）水在壓差作用下侵蝕模擬固井第二界面上的水泥漿，干擾模擬固井二界面上水泥漿的凝結(jié)過程，從而實(shí)現(xiàn)模擬固井水泥漿在固井候凝過程中被地層水水侵的目的，如圖2 所示。

待水泥漿凝固后，利用手動計(jì)量泵通過底蓋測竄口向固井二界面慢慢加壓，當(dāng)模擬二界面上部出水時(shí)（測竄出口壓力增加），記下此時(shí)測竄入口壓力表的讀數(shù)，即模擬地層與水泥漿膠結(jié)面的竄通壓力（見圖2 b）。同時(shí)，將水泥環(huán)和模擬巖心退模后，測定模擬地層與水泥漿膠結(jié)面的膠結(jié)強(qiáng)度，也可以反映出水泥漿的抗竄能力。竄通壓力越高，水泥漿抗竄能力越好，膠結(jié)強(qiáng)度越高，水泥漿防竄能力越好。

圖2 動態(tài)壓力下界面膠結(jié)防竄性能測試裝置

1.3 塑性體體積測試裝置和方法

水泥漿塑性體體積測試裝置是將一定體積水泥漿試樣用薄壁膠袋封裝后，置于廣口瓶內(nèi)并使瓶內(nèi)充滿液體，然后把廣口瓶放入恒溫養(yǎng)護(hù)箱中，讀取不同時(shí)刻移液管液面的高度，水泥漿終凝之前的讀數(shù)反映了水泥漿在塑性階段的體積收縮膨脹特性。

2 動態(tài)壓力下新型水泥漿體系研究

渤海油田動態(tài)復(fù)雜壓力體系下固井水泥漿體系優(yōu)化的方向是水泥漿的防竄性能和水泥石的防竄性能，通過抗動態(tài)水分散劑、膨脹劑、增韌劑以及緩凝劑等外加劑材料的評價(jià)與優(yōu)選，最終得到具有防竄增韌和膨脹性能的一套水泥漿體系。

2.1 外加劑材料評價(jià)及優(yōu)選

2.1.1 抗動態(tài)水分散劑

利用自主設(shè)計(jì)的水泥漿抗動態(tài)水分散性能評價(jià)試驗(yàn)裝置，對比測試了CG712-F6、G81L、G34L 和B83L 等4 種穩(wěn)定劑對水泥漿抗動態(tài)水分散性能的影響，結(jié)果如圖3 所示。加入穩(wěn)定劑后，水泥漿體系抗動態(tài)水分散的能力均有提高，加有CG712L-F6 穩(wěn)定劑的效果最佳，因此，選定CG712L-F6 穩(wěn)定劑為抗動態(tài)水分散劑。

圖3 不同穩(wěn)定劑對水泥漿抗水分散性能的影響

采用界面膠結(jié)防竄性能測試裝置對比測試了CG712-F6 漿體、PL 原漿以及G 級基礎(chǔ)漿體系的界面膠結(jié)防竄性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示。

圖4 不同體系界面膠結(jié)防竄性能

加入CG712L-F6 穩(wěn)定劑以后，水泥漿抗竄能力明顯高于PL 原漿以及G 級基礎(chǔ)漿體系，且無水竄通道產(chǎn)生。PL 原漿以及G 級基礎(chǔ)漿模擬一界面均有明顯的水侵后形成的溝槽，抗竄壓力均較低。CG712L-F6 可保證膠結(jié)強(qiáng)度及改善界面防竄性能。

2.1.2 膨脹劑

采用塑性體體積測試裝置和方法，實(shí)驗(yàn)對比了3 種不同外加膨脹劑，結(jié)果表明水泥漿的體積均產(chǎn)生不同程度地收縮，氧化鎂型膨脹劑水泥漿的體積收縮率最小，常壓下48 h 水泥石膨脹率為2.88%，所產(chǎn)生膨脹應(yīng)力能減小微環(huán)隙的產(chǎn)生、提高膠結(jié)強(qiáng)度且不會對后期封固造成不良影響，所以優(yōu)選氧化鎂型膨脹劑，如表1 所示。

表1 不同膨脹劑的膨脹性能

2.1.3 增韌劑

測試了晶須和纖維材料對水泥石抗壓強(qiáng)度的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖5，其中ZRCS 為硫酸鈣晶須，ZRCC 為碳酸鈣晶須。由圖5 可以看出，加入晶須及纖維后，水泥石的抗折強(qiáng)度均有明顯提高。晶須的摻量較大，一般在2%～7%左右，在加量為6%時(shí)，晶須水泥石的抗折強(qiáng)度提升最大，加量為7%時(shí)，晶須水泥石的抗折強(qiáng)度出現(xiàn)了衰退，因?yàn)榧恿窟^大時(shí)晶須容易團(tuán)聚，會在水泥石的內(nèi)部形成薄弱結(jié)構(gòu)，降低水泥石的抗折強(qiáng)度。纖維的摻量較少，一般在0.1%～0.35%，摻量為0.30%時(shí)，纖維水泥石的抗折強(qiáng)度提升最大，加量為0.35%時(shí)，纖維水泥石的抗折強(qiáng)度出現(xiàn)了衰退，因?yàn)槔w維在水泥漿中分散性通常較差，加量過大時(shí)，容易在水泥基體形成薄弱結(jié)構(gòu)，降低水泥石的抗折強(qiáng)度。

圖5 晶須和纖維對水泥石強(qiáng)度的影響

進(jìn)一步比較3 種增韌劑對水泥石力學(xué)性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。

表2 纖維和晶須水泥石的力學(xué)性能

從彈性模量和差應(yīng)力可看出，纖維只是增韌，對抗壓強(qiáng)度不利，而晶須是既可加水泥石韌性又能提高水泥石抗壓強(qiáng)度，這是因?yàn)榫ы殞儆谖⒚准墴o機(jī)單晶，自身強(qiáng)度高且與水泥漿有很好的相容性，還可降低水泥石孔隙度。綜合比較分析，選定ZRCC 晶須作為增韌劑。

2.1.4 緩凝劑

測試了5 種緩凝劑對蓬萊油田目標(biāo)區(qū)塊水泥漿稠化性能的影響，見表3。5 種緩凝劑的稠化曲線均正常，但過渡時(shí)間越短，水泥漿從流體到固體狀態(tài)所經(jīng)歷的時(shí)間越短，環(huán)空發(fā)生竄流的可能性越小，越有利于水泥漿防竄，因此優(yōu)選PC-H21L為緩凝劑。

表3 目標(biāo)區(qū)塊不同緩凝劑水泥漿的凝結(jié)性能

2.2 新型水泥漿體系配方確定及性能評價(jià)

根據(jù)蓬萊油田目標(biāo)區(qū)塊的工況，結(jié)合對膨脹劑、增韌劑的優(yōu)選以及抗動態(tài)水分散和水泥漿凝結(jié)時(shí)間優(yōu)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果，開發(fā)形成了一套適用于動態(tài)復(fù)雜壓力體系下的新型防竄水泥漿體系，配方如下。該體系與該區(qū)塊原始體系的密度、流變性能和失水量相近，但抗壓強(qiáng)度提高18.6%，抗折強(qiáng)度提高34.0%，膠結(jié)強(qiáng)度提高28.7%，抗水竄壓力提高60.8%，水泥漿防竄性能大幅提高，新型防竄水泥漿的性能見表4 所示。

表4 新型防竄水泥漿性能表

原始水泥漿（1#）1.3%分散劑CG712L-F6+1.3% 增強(qiáng)劑PC-GS12s+0.85% 消泡劑PC-X60L，水灰比為0.7

新型水泥漿（2#）3%膨脹劑MgO+7.02%抗動態(tài)水分散劑CG712L-F6+2%增韌劑ZRCC 晶須+0.2%PC-H21L+1.3%CG712L-F6+1.3%PC-GS12s+0.85% PC-X60L，水灰比為0.7

可以看出，新型防竄水泥漿抗水分散能力顯著提高，水泥漿體積收縮率明顯下降。特別是在模擬條件下養(yǎng)護(hù)1 d 后，3.7 MPa 水壓下可穩(wěn)壓60 s，5 MPa 左右才竄通，而原始配方竄通壓力為0 MPa，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖6～圖8 所示。

圖6 水泥漿抗動態(tài)水分散性能對比

圖7 不同水泥漿體系塑性階段的體積變化率對比

圖8 不同水泥漿體系硬化階段的體積變化率對比

3 現(xiàn)場應(yīng)用

目前，該新型防竄體系已在蓬萊油田目標(biāo)區(qū)塊完成了現(xiàn)場應(yīng)用試驗(yàn)，該區(qū)塊由于長期注水開發(fā)，預(yù)測L40～L90油組可能存在3.2 MPa 的壓力虧空和2 MPa 的超壓，高低壓同層，壓力體系復(fù)雜，固井封固難度大。同時(shí)，X2 井距離斷層F501 最近距離180 m，固井漏失風(fēng)險(xiǎn)高，周邊最近的注水井相距145 m。另外，根據(jù)實(shí)鉆井對比，X2 井在L60～L80油組（垂深1222～1330 m）可能有氣層發(fā)育，增大了固井難度。針對X2、X44、X30 和X39 井存在的固井難點(diǎn)，采用新型防竄水泥漿體系進(jìn)行固井，固井過程中周邊注水井不停注，水泥漿施工性能優(yōu)良，試驗(yàn)井固井注水泥施工正常，儲層段固井質(zhì)量評價(jià)結(jié)果見表5 所示。由表5 可知，采用新型防竄水泥漿體系的4 口井固井質(zhì)量較對比井固井質(zhì)量有大幅提升，X02 井固井質(zhì)量中等及以上占比較鄰井Y02 井提升了35.7%；X44 井固井質(zhì)量中等及以上占比較鄰井Y42 井提升了22.3%；X30 井固井質(zhì)量中等及以上占比高達(dá)81.6%；X39 井固井質(zhì)量中等及以上占比69.9%。

表5 蓬萊油田試驗(yàn)井固井質(zhì)量

4 結(jié)論

1.為滿足動態(tài)復(fù)雜壓力體系下的水泥漿防竄性能評價(jià)需求，利用自主設(shè)計(jì)研發(fā)的抗動態(tài)水分散性能評價(jià)裝置、界面膠結(jié)防竄性能測試裝置和塑性體體積測試裝置，形成了適用于動態(tài)復(fù)雜壓力下的水泥漿防竄性能綜合評價(jià)方法。

2.在渤海油田調(diào)整井固井注水泥期間，周邊注水井不停注的前提下，針對復(fù)雜壓力體系固井難題，通過抗動態(tài)水分散劑、膨脹劑、增韌劑和緩凝劑等外加劑材料的評價(jià)與優(yōu)選，開發(fā)出一套適用于渤海油田動態(tài)壓力體系固井的新型防竄水泥漿體系。

3.應(yīng)用表明，新型防竄水泥漿較目標(biāo)區(qū)塊原始水泥漿的防竄性能更加優(yōu)良，可大幅提高復(fù)雜壓力體系下的調(diào)整井固井質(zhì)量，滿足調(diào)整井固井注水泥期間注水井不停注的要求，推廣應(yīng)用前景廣闊。