致密砂巖水平井固井水泥漿體系研究及應(yīng)用

仝繼昌，張　娜，郭進(jìn)忠，王炳紅，馮名正，陳　平

(中國石化河南油田分公司石油工程技術(shù)研究院，河南鄭州 450000)

致密砂巖水平井固井水泥漿體系研究及應(yīng)用

仝繼昌，張娜，郭進(jìn)忠，王炳紅，馮名正，陳平

(中國石化河南油田分公司石油工程技術(shù)研究院，河南鄭州 450000)

摘要：安棚深層系致密砂巖水平井-安HF1井、安深3-1HF井固井施工主要存在以下技術(shù)難題：儲(chǔ)層溫度較高(135 ℃)，二開技術(shù)套管封固段長(3 500 m以上)，水泥環(huán)上下溫差大(超過100 ℃)，對水泥漿性能要求高；二開井段穿越多段泥頁巖，易垮塌；井徑不規(guī)則，易形成“糖葫蘆”井眼；頂替效率差。針對上述技術(shù)難點(diǎn)，配制了大溫差低密度水泥漿體系和高溫韌性水泥漿體系，并研究了相關(guān)的施工工藝。實(shí)踐證明，兩種水泥漿體系解決了安棚深層系致密砂巖水平井固井施工難題。

關(guān)鍵詞：安棚深層系；致密砂巖；水平井；大溫差水泥漿

河南油田致密砂巖位于泌陽凹陷安棚深層系的趙凹-安棚鼻狀構(gòu)造軸部，主要埋深3 300～3 600m。油氣資源豐富。為提高難動(dòng)用儲(chǔ)量的勘探開發(fā)效果，采用水平井用三開井身結(jié)構(gòu)：一開采用φ444.5mm鉆頭，φ339.7mm表層套管下至400m；二開采用φ241.3mm鉆頭，φ177.8mm技術(shù)套管下至A靶(約3500m)，固井水泥漿返至地面；三開水平段采用φ152.4mm鉆頭鉆至完鉆井深(約4 500m)，下入φ114.3mm尾管，采用裸眼封隔器+投球滑套完井方式。

安棚深層系儲(chǔ)層溫度較高(135 ℃)，封固段長(3 500m以上)，水泥環(huán)上下溫差大(100 ℃以上)，針對以上難點(diǎn)，開展了大溫差低密度水泥漿體系和高溫韌性水泥漿體系及相關(guān)的施工工藝研究。

1大溫差低密度水泥漿體系研究

1.1減輕劑的優(yōu)選

(1)優(yōu)選漂珠作為大溫差低密度水泥漿的減輕劑，不同減輕劑配制的大溫差低密度水泥漿在低溫下的強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1　大溫差低密度水泥漿在低溫下的強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

(2)將漂珠與水混合，置于橡膠隔膜套中，密封后置于高壓釜中，用液壓泵分別加壓至65MPa和80MPa，保持1.5h，然后減壓取出混合物，用水漂洗，將沉于水底的漂珠烘干，然后再進(jìn)行漂洗，靜置一段時(shí)間后，將沉于水底被擠毀的漂珠再次烘干，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。從中可以看出，進(jìn)口的3M玻璃微球和馬鞍山玻璃微珠HP15000的破碎率相對較低，均符合要求，但進(jìn)口3M玻璃微球價(jià)格遠(yuǎn)高于馬鞍山玻璃微珠，考慮成本，優(yōu)選馬鞍山玻璃微珠做為低密度水泥漿體系減輕劑。

1.2高溫緩凝劑的優(yōu)選

在深井長封固段固井中，水泥漿頂部與底部的溫差較大，另外水泥漿體系中加入了大量的高溫緩凝劑，水泥漿的頂部強(qiáng)度發(fā)展很難保證，所以要選擇適當(dāng)?shù)母邷鼐從齽榇耍謩e選取了BXR200L、BCR-260L和BCR-300L緩凝劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其評價(jià)結(jié)果見表3。從中可知，在稠化時(shí)間接近的情況下，BCR-300L和BXR-200L的水泥漿抗壓強(qiáng)度均未達(dá)到要求，故選擇BCR-260L作為水泥漿體系的緩凝劑。

表2　不同漂珠承壓破碎實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表3　不同緩凝劑水泥漿的綜合性能

為進(jìn)一步驗(yàn)證配方的可靠性，在低于稠化測試溫度條件下，采用膠凝強(qiáng)度分析儀測得低密度水泥漿強(qiáng)度(表4)。具體配方如下：

配方1：水泥+10%漂珠+4.8%降失水劑+

1.7%緩凝劑+0.5%早強(qiáng)劑+0.2%消泡劑+48%水

配方2：水泥+10%漂珠+4.8%降失水劑+

2.2%緩凝劑+0.5%早強(qiáng)劑+0.2%消泡劑+48%水

表4　大溫差低密度水泥漿強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果(60℃)　　MPa

對減輕劑及高溫緩凝劑等主要處理劑進(jìn)行性能評價(jià)，結(jié)果見表5，最終形成大溫差低密度水泥漿體系配方：水泥+10%玻璃微珠(HP1500)+4.8%降失水劑+(1.5～2.2)%緩凝劑+0.5%早強(qiáng)劑+0.2%消泡劑+48%水。

表5　大溫差低密度水泥漿性能評價(jià)結(jié)果

2高溫韌性水泥漿體系研究

2.1抗沖擊高韌性材料的優(yōu)選

選取膠乳、膠粉和纖維等材料，評價(jià)其抗沖擊力、彈性模量、應(yīng)力及應(yīng)變關(guān)系，結(jié)果見圖1、圖2。

圖1　膠乳、膠粉和纖維三種材料彈性模量實(shí)驗(yàn)情況(48 h)

圖2　膠乳、膠粉和纖維三種材料抗沖擊功實(shí)驗(yàn)情況(48 h)

由圖1、圖2可知，膠乳和膠粉雖然顯著降低了水泥石的彈性模量，但水泥石的抗沖擊能力較低；雖然膠乳可以降低水泥石的脆性，但不能提高水泥石的抗沖擊能力。纖維材料不僅可以降低水泥石的彈性模量，而且還具有顯著提高水泥石的抗沖擊能力，故選纖維作增韌劑。

2.2高溫韌性水泥漿體系基本配方及性能

高溫韌性水泥漿體系主要用于技術(shù)套管下部井段的封固(斜深1 600～3 500m，溫度80～120℃)。在原有80 ℃水泥漿配方的基礎(chǔ)上，開展了水泥漿配方實(shí)驗(yàn)。通過調(diào)整高溫緩凝劑品種與加量，確定了高溫韌性水泥漿體系，其基本配方為：G級水泥+33%硅粉+2.0%纖維增韌劑+2.0%晶體膨脹劑+1.6%降失水劑+1.1%早強(qiáng)劑+0.5%緩凝劑+0.4%高溫緩凝劑+0.8%降阻劑+50%水。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表6、表7。從表6可以看出，高溫韌性水泥漿體系在80～120℃條件下，與基漿相比，沖擊能力提高50.8%～54.5 %，彈性模量降低16.7%～18 %，滲透率為0，并具有微膨脹功能。從表7可以看出，高溫韌性水泥漿體系在120 ℃條件下，工程性能滿足施工要求。

表6　 水泥漿體系力學(xué)性能(養(yǎng)護(hù)48 h)

表7　高溫韌性水泥漿體系基本性能

3固井工藝

(1)安棚深層系致密砂巖水平井水泥漿封固段長達(dá)3 500m，生產(chǎn)套管采用“尾管+裸眼封隔器+壓裂滑套”的完井方式。考慮后期壓裂對套管柱的要求，安棚深層系致密砂巖水平井固井采用單級注水泥方式。

(2)該區(qū)滲透層位于1 800～2 500m，漏失壓力35MPa。為減少滲透性漏失、降低施工壓力，采用雙密度水泥漿體系:0～2000m井段，采用低密度水泥漿(1.60g/cm3)；2 000～3 500m井段，采用正常密度水泥漿(1.90g/cm3)。

(3)安棚深層系致密砂巖水平井技術(shù)套管固井，水泥漿量遠(yuǎn)大于替漿量，前置液返出套管鞋時(shí)尚在注水泥階段，要保證紊流頂替(排量≥40L/s)，注水泥排量必須大于前置液紊流臨界排量，其水泥漿、前置液流變參數(shù)見表8。

表8　水泥漿、前置液流變參數(shù)

4現(xiàn)場應(yīng)用

安HF1井技套下深3 560.01m，注水泥123m3，其中，低密度水泥漿81m3，替漿68.5m3，碰壓20MPa，現(xiàn)場施工順利，水泥漿順利返出地面，碰壓正常，固井質(zhì)量良好。

安深3-1HF井技套下深3 490m，注水泥159m3，其中，低密度水泥漿114m3，替漿67.2m3，碰壓20MPa，現(xiàn)場施工順利，水泥漿順利返至地面，碰壓正常，固井質(zhì)量良好。

5結(jié)論與認(rèn)識(shí)

(1)首次完成了封固段3 560m的單級注水泥固井作業(yè)，現(xiàn)場兩口井施工順利，為河南油田致密砂巖油氣藏的勘探開發(fā)提供了有力的技術(shù)支撐。

(2)大溫差低密度水泥漿體系高溫性能好，稠化時(shí)間240min以上；低溫強(qiáng)度高(10.8～16.1MPa)，濾失量小(小于50mL)；該體系適應(yīng)溫度差達(dá)到100 ℃，高溫稠化時(shí)間及低溫抗壓強(qiáng)度均能滿足現(xiàn)場施工要求。

(3)高溫韌性水泥漿體系具有韌性好、滲透率低及微膨脹等特點(diǎn)，水泥石高溫抗壓強(qiáng)度達(dá)15.8～19.9MPa，與基漿相比，水泥石沖擊功提高50.8～54.5 %，彈性模量降低16.7%～18%，耐溫達(dá)120 ℃，可在深層水平井固井施工中應(yīng)用。

(4)針對安棚深層系致密砂巖水平井的完井方式、井身結(jié)構(gòu)、注水泥方式等特點(diǎn)，研究優(yōu)化了與之相適應(yīng)的固井工藝，確保了固井施工順利完成。

參考文獻(xiàn)

[1]鐘福海，孫萬興，鐘德華，等.中古514井超長封固段固井技術(shù)[J].鉆井液與完井液，2013,30(3)：64-66.

[2]李善云，解忠義，謝意，等.費(fèi)爾甘納盆地長封固段大溫差固井技術(shù)研究與應(yīng)用[J].鉆采工藝，2011,34(5):31-33.

[3]岳家平，徐翔，李早元，等.高溫大溫差固井水泥漿體系研究[J].鉆井液與完井液，2012,29(2):59-62.

[4]瞿佳.大溫差超高密度水泥漿固井技術(shù)研究與應(yīng)用[J].鉆采工藝，2012,35(3):17-20.

[5]馮建建，宋維凱，馬春旭，等.低密度大溫差水泥漿體系在古城8井的應(yīng)用[J].科技信息，2013,25(2):328-329.

[6]張華，馮宇思，靳建洲，等.大溫差水泥漿體系的研究與應(yīng)用[J].鉆井液與完井液，2012,29(5):54-57.

編輯：劉洪樹

文章編號：1673-8217(2016)02-0130-03

收稿日期：2015-12-02

作者簡介：仝繼昌，工程師，1983年生，2008年畢業(yè)于西南石油大學(xué)石油工程專業(yè)，現(xiàn)從事鉆井工程設(shè)計(jì)及鉆井工藝技術(shù)研究。

基金項(xiàng)目：中石化股份公司科技攻關(guān)項(xiàng)目“河南油田非常規(guī)油氣勘探開發(fā)工程技術(shù)”(P12067)。

中圖分類號：TE256.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A