塑性膨脹防氣竄水泥漿體系研究與應用

鄭國生 朱禮平 李群生 周仕明

（1.中國石化天然氣工程項目管理部，四川成都 610081；2.中國石化西南油氣分公司工程技術研究院，四川德陽 618000；3.中國石化石油工程技術研究院，北京 100101）

塑性膨脹防氣竄水泥漿體系研究與應用

鄭國生1朱禮平2李群生2周仕明3

（1.中國石化天然氣工程項目管理部，四川成都 610081；2.中國石化西南油氣分公司工程技術研究院，四川德陽 618000；3.中國石化石油工程技術研究院，北京 100101）

川西高壓低滲水平井需壓裂完井后投產，對固井水泥漿性能提出了更高的要求。結合川西水平井固井技術需求，通過室內實驗優選了膨脹劑、防氣竄劑、穩定劑和增塑劑，確定了塑性膨脹防氣竄水泥漿體系配方。室內評價結果表明，該體系具有API失水小于30 mL、自由液0 mL、SPN值小于3等性能。XS21-3H等多口水平井油層固井中的成功應用表明，該體系可以滿足后期分段壓裂投產施工要求。

低滲透氣藏；水平井；固井；塑性膨脹水泥漿；防氣竄

與常規直井或定向井相比，水平井由于斜井段軌跡影響，普遍存在水平段居中度不高、水泥漿頂替效率差等問題，致使大多數水平井固井質量不甚理想，難以保證長效封固質量，影響著油氣井長期安全生產。總體上，影響水平井固井質量因素可概括為固井工藝技術和水泥漿體系兩個方面，其中前者可依靠研發新型水平井固井工具或提高施工工藝技術得以解決，而后者只能依靠開發新水泥漿體系來解決。

川西中淺層高壓低滲氣藏，在前期直井/定向井開發時形成了適合定向井開發的膨脹、KQ/FLOK等系列水泥漿體系，基本滿足了川西中淺層氣藏勘探開發要求［1-3］。然而，在“十二五”水平井規模開發下，需使用裸眼或套管分段壓裂完井投產工藝，對水平井固井質量提出了更高要求，至今還未形成完全適應水平井開發的水泥漿技術。為此，筆者結合川西高壓低滲水平井固井技術需求，通過室內實驗優選了膨脹劑、防氣竄劑、穩定劑和增塑劑，確定了塑性膨脹防氣竄水泥漿體系配方［4-8］，并成功應用于XS21-3H等多口水平井油層套管固井中。

1 添加劑優選實驗

1.1 膨脹劑

根據常用發氣或晶格膨脹劑特點［5］，為滿足低滲氣藏水平井防氣竄要求，通過大量室內實驗選用DZP-1作為膨脹劑，其主要成分為硫酸鈣，加入后與水泥中鋁酸三鈣反應生成艾丁依特，產生晶格脹大，可有效彌補水泥石體積收縮。使用HTP-0650型油井水泥膨脹收縮測試儀，在90 ℃、20 MPa條件下測定了配方為嘉華G級水泥（JHG）+水+不同加量膨脹劑DZP-1制備的水泥石膨脹率（表1）。

表1 不同DZP-1加量下水泥石膨脹測試數據

由表1可知，JHG水泥漿在未加入膨脹劑和1%加量下，凝固后水泥石體積收縮率為10.8‰和9.10‰，加入2%膨脹劑DZP-1水泥漿，凝固后水泥石體積膨脹為3.41‰，說明膨脹劑DZP-1可克服水泥漿收縮缺點，使水泥漿具有微膨脹特性。

1.2 防氣竄劑和穩定劑

1.2.1 防氣竄劑 在膨脹劑選用DZP-1的基礎上，根據成膜類非滲透防氣竄劑應用效果較好的特點，本實驗采用了非滲透防氣竄劑FSAM，按不同加量配制了4種水泥漿配方，并測定了其性能參數（表2），其實驗配方如下：

1#：JHG+2.0%DZP-1+6.0%FSAM+2.0%分散劑DZS+0.20%緩凝劑DZH+44%德州自來水；

2#：JHG+2.0%DZP-1+7.0%FSAM+2.0%分散劑DZS+0.15%緩凝劑DZH+44%德州自來水；

3#：JHG+2.0%DZP-1+7.0%FSAM+2.2%分散劑DZS+0.17%緩凝劑DZH+44%德州自來水；

4#：JHG+2.0%DZP-1+7.0%FSAM+2.2%分散劑DZS+0.16%緩凝劑DZH+44%德州自來水。

表2 不同FSAM加量水泥漿性能表

從表2可知，JHG水泥漿中加入非滲透防氣竄劑FSAM，能有效控制水泥漿API失水小于30 mL，減小水泥漿濾液對儲層污染；SPN值小于3，水泥漿防氣竄能力強；水泥漿稠化過渡時間小于10 min，24 h強度大于15 MPa。

1.2.2 穩定劑 通過大量室內實驗，選用液態硅DZW作為穩定劑，按規范要求選用自由液作為評價指標，將配置好的水泥漿在常壓稠化儀里養護20 min，倒入250 mL量筒里做45°自由液實驗，其結果見表3。

表3 自由液實驗

從表3可知，DZW具有較好的降低水泥漿自由液能力，隨著DZW加量增大，水泥漿自由液逐漸降低；當DZW加量為3%時水泥漿自由液降低到0，水泥漿具有較優穩定性；此外加入7%FSAM和3%DZW水泥漿，其自由液為0，說明DZW與FSAM具有較好的配伍性。

1.3 增塑劑

通過大量室內實驗，選用了纖維類的增塑劑DZZ-2和彈性材料DZZ-1作為增塑劑，按加入單一增塑劑和復配增塑劑進行實驗，測定其對應水泥石性能參數（表4～6），實驗基本配方為：JHG+DZZ+7.0%FSAM+3.0%DZW+44%德州自來水。

表4 加入DZZ-1水泥石性能

表5 加入DZZ-2水泥石性能

表6 加入復合增塑劑后水泥石性能

從表4～6可看出：（1）JHG水泥漿中加入單一增塑劑后，水泥石抗壓強度和抗折強度均有明顯增加，當DZZ-1或DZZ-2加量大于5%后，水泥石抗壓和抗折強度增加不明顯；（2）將兩種增韌劑摻混使用，可較小幅度地提高水泥石抗壓強度，但可大幅度提高水泥石抗折強度，提高水泥石韌性，當DZZ-1和DZZ-2按質量比3:2復配時的水泥石彈性性能最好，為此本水泥漿體系選用此復配增塑劑DZZ。

2 塑性膨脹防氣竄水泥漿性能評價

2.1 綜合評價

根據各種添加劑優選實驗結果，使用優選出的膨脹劑DZP-1、防氣竄劑FSAM、穩定劑DZW和增塑劑DZZ，并復配分散劑、緩凝劑等其他外加劑，對塑性膨脹防氣竄水泥漿體系進行了綜合性能評價（表7）。實驗基本配方為：JHG+2.0%DZP-1+DZZ+7.0%FSAM+2.5%DZS+DZH+3.0%DZW+44%德州自來水。

表7 塑性膨脹防氣竄水泥漿性能（養護溫度75 ℃）

從表7可看出：（1）水泥漿稠化時間可通過緩凝劑調節，能夠滿足水平井固井施工需要，而且該體系稠化過渡時間短，具有較優的直角稠化特性，其SPN值小于3，有利于防氣竄；（2）該體系水泥漿瞬間失水后能迅速成膜，可大幅降低水泥漿在高滲透地層失水，其API失水均小于30 mL，一方面可增加氣體在水泥漿中運移阻力，補償水泥漿膠凝失重影響，另一方面有利于提高水泥漿穩定性，防止環空氣竄，有利于保護油氣層；（3）優選出的外加劑相互之間配伍性良好，有利于配方調整。

2.2 防氣竄特性評價

利用水泥漿防氣竄特性評價儀對塑性膨脹防氣竄水泥漿的防氣竄特性進行評價。水泥漿初始稠化時間72 min內，模擬的水泥漿壓力曲線與地層孔隙壓力曲線基本重合，模擬試驗未發生氣竄，表明該體系具有良好的防氣竄能力。

2.3 沉降穩定性評價

水泥漿經養護后用500 mL量筒放置2 h后分別用上部和下部漿倒入強度試模養護，凝固后測其密度（表8），從表中可知，上下部水泥石模塊換算密度均為1.90 g/cm3，表明塑性膨脹防氣竄水泥漿體系具有較優的沉降穩定性，自由液為0。

表8 沉降穩定性實驗

2.4 韌性和膨脹性評價

按照材料彈性模量越小或泊松比越大其韌性越好原則，使用三軸應力實驗儀和水泥石膨脹收縮儀對水泥石彈性模量和膨脹性進行測試，其評價結果（表9）。實驗基本配方為，1#常規體系：JHG+7.0%FSAM+2.5%DZS+0.2%DZH+3.0%DZW+44%德州自來水；2#本文體系：JHG+2.0%DZP-1+5.5%DZZ+7.0%FSAM+2.5%DZS+0.3%DZH+3.0%DZW+44%德州自來水。

表9 塑性膨脹防氣竄水泥漿體系彈性模量和膨脹率

從表9可看出,塑性膨脹防氣竄水泥漿體系的彈性模量較常規體系降低了18.3%，具有更好的塑性；同時該體系不發生體積收縮，膨脹率3.41%。

3 現場應用

塑性膨脹防氣竄水泥漿體系已在XS21-3H、XS21-2H等多口水平井油層套管固井中進行了現場應用，總體上油層套管固井合格率88.76%，能夠滿足水平井分段壓裂投產施工要求。以XS21-3H井為例，完鉆井深2 942 m、套管下深2 938.64 m，最大井斜91.60°，使用的塑性膨脹防氣竄水泥漿體系基本性能見表10，配合采用前期水平井前置液性能優化、細化固井施工工藝等技術措施，明顯提高了水平井固井質量，該井固井質量合格率達93.30%，優良率64.57%。2010年該井分段壓裂施工井口壓力高達65 MPa，在井口油壓 23.31 MPa、套壓 23.86 MPa下投產至今未發生環空氣竄現象。

表10 XS21-3H井水泥漿基本性能

4 結論

（1）采用實驗方法優選出的膨脹劑DZP-1、非滲透防氣竄劑FSAM、穩定劑DZW和增塑劑DZZ具有很好配伍性，確定了塑性膨脹防氣竄水泥漿基本配方。

（2）室內實驗評價塑性膨脹防氣竄水泥漿體系具有API失水小于30 mL、自由液為0 mL、SPN值小于3等性能，滿足川西高壓低滲氣藏水平井固井要求。

（3）川西多口水平井油層套管現場應用結果表明，該水泥漿體系防氣竄效果好，固井質量合格率高，可滿足分段壓裂投產施工要求。

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（修改稿收到日期 2013-07-26）

Study and application of plastic expansion anti-channeling slurry system

ZHENG Guosheng1, ZHU Liping2, LI Qunsheng2, ZHOU Shiming3
（1. Natural Gas Project Management Department,Sinopec,ChengDu610081,China;2. Engineering and Technology Institute,Southwest Petroleum Branch,Sinopec,Deyang618000,China;3. Sinopec Research Institute of Petroleum Engineering,Beijing100101,China）

The horizontal wells with high pressure and low permeability need fracturing operation before being on production in West Sichuan, which puts forward higher requirements on the performance of cement slurry. The expansive agent, anti-channeling agent,stabilizer and plasticizer have been optimized and selected through indoor experiment, and a plastic expansion anti-channeling cement slurry system has been formed. The results of the laboratory show that the system has some features like API fluid loss less than 30mL,free liquid equal to 0mL, and SPN value less than 3. It has been successfully used in oil zone cementing on many horizontal wells such as XS21-3H, and satisfies the later staged fracturing production requirements.

low permeability gas reservoir; horizontal well; cementing; plastic expansion cement; gas channeling control

鄭國生，朱禮平，李群生，等. 塑性膨脹防氣竄水泥漿體系研究與應用［J］. 石油鉆采工藝，2013，35（5）：52-55.

TE256

：B

1000–7393（2013） 05–0052–04

國家科技重大專項專題“低滲氣藏水平井固井技術研究及應用”（編號：2011ZX05022-006-003）。

鄭國生，1955年生。2000年畢業于西南石油大學,獲工學碩士學位，2007年畢業于中歐國際工商學院MBA專業，高級工程師。電話：13908105539。E-mail：anweichu@163.com。

〔編輯 朱 偉〕