鄂爾多斯盆地致密氣水平井固井水泥漿優化及應用

賈 佳，夏忠躍，馮 雷

中國海油能源發展股份有限公司 工程技術分公司，天津 300452

隨著能源行業“七年行動計劃”的逐步實施，鄂爾多斯盆地致密氣開發速度加快。水平井已成為鄂爾多斯盆地致密氣開發的重要手段，數量逐年增多。水平段長度由之前的600 m逐漸增加到1 000 m以上，部分井達到了1 500 m；井深也由之前的2 800 m增加至3 500 m，給長裸眼段水平井固井帶來了一定的挑戰。固井過程中，早期的水泥漿配方性能不穩定，不能適應目前井身結構的固井要求，嚴重影響了固井質量。近年來，雖然國內外固井技術獲得迅速發展，深井和超深井固井技術逐步趨于完善，但是，對于致密氣水平井的小井眼固井研究仍處于有待突破階段[1-5]。為了提高水平井固井合格率，有必要對水泥漿體系開展針對性研究，本文利用試驗的方法，研究分散劑、防氣竄劑、緩凝劑、促凝劑對水泥漿體系的影響，確定最優的水泥漿配方，以指導現場固井作業。

1 實驗部分

1.1 儀器與材料

TG-8040DA型泰格增壓稠化儀，金歐科稠化數據采集儀、DFC-0712B型雙缸增壓稠化儀、DFC-0710D型高低溫增壓稠化儀、TG-7370D型增壓養護釜、勻加荷壓力試驗機、強度養護箱、高溫高壓失水儀、恒速攪拌器，ZNN-D6A型六速旋轉黏度計，嘉華G級水泥，嘉華公司DISP-S分散劑、FLO-S降失水劑以及H21L緩凝劑等。

1.2 實驗方法

分散劑的作用是促使水泥顆粒均勻地分散在水中，削弱和拆散水泥顆粒之間的成團連接，釋放游離水，并改變水化產物的性狀，降低內摩擦阻力。為了表征水泥漿的流動性能，通過測定流變參數進行表征，水泥漿的流變性能可以使用常壓旋轉黏度計進行測量。

水泥漿的防氣竄性采用防氣竄指數法進行評價。應用水泥漿性能系數(SPN值)評價水泥漿防氣竄性能，SPN值越小，防氣竄能力越強。一般情況下，稠化過渡時間越短，失水量越小，SPN值越小，防氣竄能力越強。水泥漿防氣竄實驗方法按照SY/T 5504.5—2010《油井水泥外加劑評價方法》中第5部分(防氣竄劑)進行。

水泥漿的緩凝性能測定結合GB 1346—2011《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法》進行，其他實驗方法按GB 19139—2012《油井水泥試驗方法》進行。

2 固井水泥漿優化研究

2.1 分散劑影響

分散劑主要通過吸附、分散、釋放游離水的機制來實現均勻分散水泥顆粒的效果。分散劑加入水泥漿后，可吸附于水泥顆粒的表面，形成吸附雙電層，在電性相斥的作用下，水泥水化過程中形成的結構逐漸分散解體，釋放出游離水，水泥漿的流變性獲得提高。對于鄂爾多斯盆地水平井來說，均采用單級雙封的固井方法，目的層用尾漿封固，其他層位用領漿封固，選用的領漿配方為G級水泥+現場水+分散劑+0.7%防氣竄劑+2.25%降失水劑+1.0%早強劑+0.12%緩凝劑+0.2%消泡劑+2%增韌纖維FIB；尾漿配方為：G級水泥+現場水+分散劑+0.7%防氣竄劑+2.25%降失水劑+1.0%早強劑+2.0%促凝劑+0.2%消泡劑+2%增韌纖維FIB。考察添加不同量的磷酸三丁酯類型分散劑對水平井固井水泥漿體系性能的影響，水泥漿的流變性能可以用流變參數、失水量、自由水量表示。對這些參數進行測定，結果見表1。

表1 分散劑添加量對水泥漿性能的影響

由表1可知：隨著分散劑含量增加，領漿流變參數值和失水逐漸減小；尾漿流變參數值和失水呈現出先升后降的趨勢，當分散劑含量為0.5%時，自由水又開始增加。結合現場實際，領漿和尾漿均選取0.5%分散劑為宜。

2.2 防氣竄劑影響

在水平井固井過程中，領漿的密度約為1.45 g/cm3，尾漿的密度約為1.85 g/cm3，由于水泥漿失重、水泥漿竄槽、水泥石與套管以及水泥石與地層之間存在縫隙，可能會產生環空氣竄。為了避免這種風險，通過添加一定量的防氣竄劑，降低水泥漿體系中的吸附水和充填水，增強水泥石強度。利用荊州嘉華科技有限公司的防氣竄劑、高溫高壓稠化儀、萬能力學試驗機評價了防氣竄劑加量對水平井固井水泥漿體系性能的影響，結果見表2。

表2 防氣竄劑添加量對水泥漿性能影響

由表2可知：隨著防氣竄劑用量的增加，24 h強度基本呈現增加趨勢。但當領漿中添加量增至0.5%時，強度基本變化不大；尾漿中添加量增至0.75%時，強度基本不再變化。因此，領漿中選擇0.5%防氣竄劑為最優添加量，尾漿中選擇0.75%防氣竄劑為最優添加量。

2.3 緩凝劑影響

對于鄂爾多斯盆地地層來說，地層溫度梯度大約在3.0 ℃/100m，地層溫度大約在50～60 ℃[6-7]，頂替領漿時，為了減緩領漿的封固，提高領漿的泵送性能，需要添加適量的緩凝劑。緩凝劑的添加量直接影響了水泥漿的稠化性能，如果緩凝劑添加量過小，水泥析水或失水過大，水泥提早凝固，影響泵送，導致固井不合格；如果添加量過大，凝固過慢，也會導致固井不合格。通過實驗，利用H21L緩凝劑，評價緩凝劑添加量對水平井固井水泥漿體系性能的影響，結果見圖1。

圖1 緩凝劑添加量對水泥漿性能影響

由圖1可知：隨著緩凝劑添加量的增加，水泥漿稠度呈先穩定后增加的趨勢，添加0.12%和0.15%的緩凝劑，水泥漿稠度分別在220和250 min左右快速上升，而添加0.25%的緩凝劑時，水泥漿稠度基本不度。考慮到現場實際固井候凝時間，選取緩凝劑的最優添加量為0.12%。

2.4 促凝劑影響

泵送尾漿時，要控制好凝固時間，防止尾漿凝固過緩，可以通過添加促凝劑來增強尾漿的凝固性。促凝劑能提高水泥水化反應速度，改善晶體結構，有效縮短水泥漿稠化時間，減少候凝時間，提高水泥石的早期強度。實驗評價了嘉華公司的促凝劑ACC添加量對水平井固井水泥漿性能的影響，結果見圖2。由圖2可知：1.0%和2.5%添加量的促凝劑，在100 min之后，水泥漿稠度才開始發生顯著變化；而2.0%添加量的促凝劑，在80 min之后，水泥漿稠度就開始發生顯著變化。結合現場實際，選取2.0%促凝劑為宜。

圖2 促凝劑添加量對水泥漿性能影響

2.5 增韌纖維影響

增韌纖維是一種經過特殊表面工藝處理的無機纖維和有機纖維的混合物，能夠有效地在介質中分散搭橋，明顯提高纖維水泥石的抗壓抗折強度，降低水泥石的滲透性能。在水泥漿原有配方的基礎上，分析嘉華公司增韌纖維FIB對水泥漿性能的影響，結果見表3。由表3可知:隨著FIB添加量的增加，流變參數值逐漸減小，抗壓強度逐漸減小，失水和稠化時間逐漸增多。結合現場應用情況，選擇增韌纖維2%為最佳添加量。

表3 增韌纖維含量對水泥漿性能影響

根據以上實驗中添加劑的最佳含量結果，確定了領漿和尾漿的最佳配方，即領漿配方：G級水泥+現場水+0.5%分散劑+0.5%防氣竄劑+2.25%降失水劑+1.0%早強劑+0.12%緩凝劑+0.2%消泡劑+2%增韌纖維FIB；尾漿配方：G級水泥+現場水+0.5%分散劑+0.75%防氣竄劑+2.25%降失水劑+1.0%早強劑+2.0%促凝劑+0.2%消泡劑+2%增韌纖維FIB。

2.6 水泥漿綜合性能評價

2.6.1 抗壓強度評價

鄂爾多斯盆地地層主要位于石千峰和石盒子組[8-9]，垂直深度大約2 000 m，石千峰和石盒子組地層破裂壓力為30 MPa左右，現場壓裂時，水泥石力學特性應至少滿足高于地層強度才能有效保障壓裂過程中不會發生破壞。

圖3是不同養護時間下水泥石的抗壓強度。由圖3可知：水泥石養護14 d后抗壓強度為42 MPa，28 d后抗壓強度達到48 MPa，可以滿足后續壓裂施工的要求。

圖3 水泥石不同養護時間下的抗壓強度

2.6.2 防氣竄性能評價

防氣竄指數法[10-12]，是用來評價水泥漿防氣竄性能常用的一種方法，應用水泥漿性能系數(SPN值)評價水泥漿防氣竄性能，SPN值越小，防氣竄能力越強(如表4)。通常我們認為稠化過渡時間越短，失水量越小，SPN值越小，即防氣竄力越強。

式中：SPN為水泥漿性能系數；FL為API失水量(6.9 MPa下保持30 min)，mL；t100為稠度達到100 Bc的時間，min；t30為稠度達到30 Bc的時間，min。

不同實驗溫度下水平井水泥漿防氣竄性能的測試結果如表5所示。由表5可知:隨著實驗溫度的升高，水泥漿的稠化時間和稠化轉化時間均縮短，失水量逐漸增加，SPN值先升高后維持相對固定，其值為1.79～2.40，此時水泥漿的防氣竄性能較好，可以有效滿足現場固井作業的需求。

表4 水泥漿防氣竄性能評價標準

表5 水平井水泥漿防氣竄性能測試結果

3 現場應用

3.1 背景介紹

1H井位于山西省臨縣境內，構造上屬于小灣子背斜構造西翼，開發的主要目的層為太原組，該井設計井深3 553 m，采用三開的井身結構：一開鉆φ311.15 mm井眼，下φ244.5 mm套管；二開鉆φ222.25 mm井眼，下φ177.8 mm套管；三開鉆φ155.6 mm井眼，下φ114.3 mm套管。井身結構如圖4。

圖4 1H井井身結構示意

通過軟件，對二開φ177.8 mm套管固井過程中的井底動態當量密度值(ECD)進行模擬計算(尾漿返深1 000 m，領漿返至井口)，模擬結果見圖5。表5表明：φ177.8 mm套管固井過程中井底ECD值為1.74 g/cm3，靜止狀態下的靜態當量密度約1.63 g/cm3，固井施工能夠滿足安全作業要求。

圖5 φ177.8 mm套管固井井底ECD值模擬曲線

對三開φ114.3 mm套管固井進行模擬計算(水泥漿返深至800 m)，模擬結果見圖6。結果表明：φ114.3套管固井過程中井底ECD值為1.82 g/cm3，套管固井能夠滿足安全作業要求。

圖6 φ114.3 mm套管固井井底ECD值模擬曲線

3.2 應用效果

1H井使用優化后的水泥漿進行固井作業，未發生漏失情況，固井質量合格。同時，后期壓裂過程中，也能承受住壓裂時的高壓，未發生復雜情況。研究結果表明，優化后的水泥漿能夠適用于鄂爾多斯盆地致密氣水平井固井作業。

4 結論

利用試驗的方法，研究分散劑、防氣竄劑、緩凝劑、促凝劑添加量對水泥漿性能的影響，確定了各添加劑的最優含量，對水泥漿的綜合性能進行評價，并將其應用于固井作業中，得到以下結論。

1) 最優的領漿配方為G級水泥+現場水+0.5%分散劑+0.5%防氣竄劑+2.25%降失水劑+1.0%早強劑+0.12%緩凝劑+0.2%消泡劑+2%增韌纖維FIB；尾漿配方為G級水泥+現場水+0.5%分散劑+0.75%防氣竄劑+2.25%降失水劑+1.0%早強劑+2.0%促凝劑+0.2%消泡劑+2%增韌纖維FIB。

2) 水泥石養護14 d后抗壓強度達到42 MPa，28天后抗壓強度達到48 MPa，完全可以滿足后續壓裂施工的要求。

3) 水泥漿的SPN值為1.79～2.40，防氣竄性能良好，可以滿足現場固井作業需求。

現場作業表明，優化后的固井水泥漿可以有效解決水泥漿性能不穩定的問題，從而提高了鄂爾多斯盆地致密氣開發中水平井的固井質量。