蘇里格氣田水平段泥頁巖對水泥漿性能影響評價

董志明， 曾 勇， 王海平

中國石油川慶鉆探工程有限公司長慶固井公司

0 引言

蘇里格氣田上古生界氣藏水平井全部采用?152.4 mm鉆頭下?114.3 mm生產(chǎn)套管完井，環(huán)空間隙19 mm，儲層巖性不連續(xù)，含多段泥巖，為了提高長水平段鉆遇率，需要穿越泥巖。當(dāng)水平段內(nèi)存在多段或連續(xù)長段泥頁巖時，固井施工泵壓普遍增高，易發(fā)生施工復(fù)雜事故。水平段套管試驗固井到現(xiàn)在，發(fā)生多起固井施工泵壓偏高的現(xiàn)象。

2020～2022年已完成了464口氣水平井固井施工，發(fā)生了2起因施工泵壓異常留長段水泥塞的固井工程復(fù)雜現(xiàn)象。為解決上述技術(shù)難題，通過對泥頁巖的巖性和泥頁巖對固井水泥漿性能影響研究，分析導(dǎo)致固井施工壓力異常原因，形成泥頁巖對水泥漿體系性能影響機理，制定相應(yīng)的配套工藝技術(shù)[1- 5]，保證施工安全。

1 蘇里格氣田水平段泥頁巖巖性研究

1.1 蘇里格氣田地質(zhì)構(gòu)造特征分析

目前蘇里格區(qū)塊氣水平井主要采取的是三開井深結(jié)構(gòu)，在鉆井過程中，位于大斜度井段的山西組、太原組及本溪組的碳質(zhì)泥巖和多套煤層的穩(wěn)定性差，甚至在下古馬家溝組、上古石盒子地層也鉆遇碳質(zhì)泥巖，容易發(fā)生井壁垮塌；在固井施工過程中，由于碳質(zhì)泥巖井段微裂縫發(fā)育，脆而堅硬，易發(fā)生垮塌，固井施工時泵壓普遍增高，易發(fā)生施工復(fù)雜事故。

1.2 蘇里格氣田泥頁巖理化特性

泥頁巖的結(jié)構(gòu)、組成決定其物理化學(xué)性質(zhì)，并對鉆、固井過程中井壁穩(wěn)定性產(chǎn)生很大影響。尤其是具有大量膨脹性黏土礦物的泥頁巖地層發(fā)生的水化作用，不僅會影響地層孔隙壓力，還會造成巖石強度的降低，增加井壁失穩(wěn)的風(fēng)險。研究泥頁巖的組成和理化性能能夠從理論上增加對泥頁巖水化的認識，有助于研究泥頁巖水化對巖石力學(xué)性能造成的影響，有助于從機理上把握泥頁巖水化對井壁穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響。

1.2.1 泥頁巖礦物組成定性分析

通過對黏土自然片、乙二醇飽和片、高溫片與鹽酸片的XRD譜圖進行比對，進而定性分析泥頁巖中黏土礦物的種類，結(jié)果表明，泥頁巖中黏土的主要組成為高嶺石(K)、伊利石(It)、綠泥石(C)、綠蒙間層(C/S)及伊蒙間層(I/S)黏土礦物,見圖1。

圖1 黏土自然片、乙二醇飽和片、高溫片和鹽酸片的XRD譜圖對比

1.2.2 泥頁巖黏土礦物定量分析

利用黏土礦物特征峰的D值，鑒定黏土礦物的類型，利用出現(xiàn)礦物對應(yīng)的衍射峰強度，定量分析黏土礦物的相對含量,見表1。

表1 泥頁巖黏土礦物相對含量

從黏土礦物組成可知，所取樣的泥頁巖黏土中不含蒙脫石，主要以高嶺石為主，平均含量為40.47%，其晶間結(jié)構(gòu)比較松，在流體的沖刷下容易隨流體移動，堵塞、分割孔隙和喉道，是重要的速敏礦物。綠泥石一般可由蒙脫石轉(zhuǎn)化而來，遇礦化度低的淡水易膨脹，有較強的吸水膨脹率，同時發(fā)育一定程度水敏性伊蒙間層，具有一定的水敏性，平均含量約為29.07%。礦物組分對頁巖地層井壁穩(wěn)定影響很大，尤其鉆井液、水泥漿與黏土礦物接觸后會發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致頁巖地層物性變化，從而影響井壁穩(wěn)定性。

1.2.3 蘇里格氣田泥頁巖微觀結(jié)構(gòu)

通過環(huán)境掃描電鏡(SEM)觀察研究巖石內(nèi)部微裂縫等微觀結(jié)構(gòu)。

由圖2可以看出，呈書頁狀、蠕蟲狀存在的高嶺石，其晶間結(jié)構(gòu)比較松，在流體的沖刷下容易隨流體移動，堵塞、分割孔隙和喉道，尤其在細小喉道中，影響很大，是重要的速敏礦物。呈絨球狀、玫瑰花狀的綠泥石一般由蒙脫石轉(zhuǎn)化而來，遇礦化度低的淡水等發(fā)生膨脹，易堵塞空隙，有較強的水敏性。呈葉片狀、絲發(fā)狀的伊利石，容易被水沖移，堵塞孔隙和喉道。

圖2 黏土礦物掃描電鏡

2 泥頁巖對固井水泥漿性能影響研究

蘇里格氣田上古生界氣藏水平井全部采用?152.4 mm鉆頭下?114.3 mm生產(chǎn)套管完井，環(huán)空間隙19 mm，儲層巖性不連續(xù)，含多段泥巖，為了提高長水平段鉆遇率，需要穿越泥巖。泥頁巖地層自身的特性容易造成井壁的不穩(wěn)定，不同的黏土礦物含量、孔隙度、非黏土礦物以及不同的巖石具有不同的物理化學(xué)性能。泥頁巖地層易水化膨脹，呈現(xiàn)出地層造漿能力強、膨脹率大和分散度高的特點。鉆井過程所鉆地層近70%均為泥頁巖，泥頁巖地層造成高達90%的井壁失穩(wěn)，固井水泥漿在經(jīng)過泥頁巖段，存在一定程度上井壁失穩(wěn)的潛在危險，造成固井質(zhì)量不合格的問題。

2.1 水平井施工數(shù)據(jù)統(tǒng)計

在固井施工過程中，碳質(zhì)泥巖微裂縫發(fā)育，脆而堅硬，易發(fā)生垮塌。2020～2022年完成了464口氣水平井固井施工，發(fā)生了兩起因施工泵壓異常留長段水泥塞的固井工程復(fù)雜現(xiàn)象，且固井施工時泵壓普遍增高，這就決定了科學(xué)評價泥頁巖對水泥漿性能造成的影響，對于減少異常泵壓、杜絕留塞，實現(xiàn)“安全、優(yōu)質(zhì)”固井具有非常重要的意義。Y32-X和SD014-X頂替后期均發(fā)生壓力異常，分析其原因在于：

(1)井眼環(huán)空沉砂清掃不徹底，水泥漿攜砂能力強，導(dǎo)致壓力異常環(huán)空堵塞。

(2)水平段有大段泥巖段，泥巖段井壁失穩(wěn)垮塌，固井施工過程存在環(huán)空憋堵，壓力異常。

由表2、表3可知，在統(tǒng)計的278口水平井中，終了施工壓力20～25 MPa占比10.79%，25～30 MPa占比74.10%，30～35 MPa占比15.11%，且水平段長度越長，施工壓力越高；水平井終了施工壓力大于25 MPa占比89.21%，相較于常規(guī)井終了施工壓力大于25 MPa占比70.65%，高出18.56%其原因在于受水平段摩阻增大的影響。

表2 2020～2022年部分水平井施工數(shù)據(jù)統(tǒng)計

表3 水平井與常規(guī)井壓力對比統(tǒng)計

2.2 泥頁巖對水泥漿性能的影響

想要提高固井質(zhì)量，防止氣、水發(fā)生竄槽,必須滿足[6- 9]：①水泥漿體系必須達到零游離液以保證環(huán)空上端沒有積水帶產(chǎn)生；②水泥漿失水必須控制在50 mL/30 min以內(nèi)；③水泥漿必須有很好的沉降穩(wěn)定性。

經(jīng)過大量室內(nèi)試驗研究分析，完成適應(yīng)泥頁巖組份的水泥漿體系調(diào)配，水泥漿稠化時間可調(diào)且滿足排量300 L/min條件下的施工安全，優(yōu)選出高強韌性水泥漿體系。室內(nèi)評價各項性能符合施工要求。

2.2.1 泥頁巖對稠化時間、抗壓強度的影響

為了進一步考察泥頁巖對水泥漿性能的影響，室內(nèi)研究了稠化時間和抗壓強度受泥頁巖的影響規(guī)律見圖3、圖4。

圖3 泥頁巖對稠化時間的影響規(guī)律

圖4 24 h、48 h抗壓強度影響規(guī)律

通過實驗發(fā)現(xiàn)：

(1)泥頁巖能明顯縮短水泥漿的稠化時間，縮幅在4.9%～14.1%，在泥頁巖加量至1%時，變化幅度趨于穩(wěn)定；因此在含泥頁巖段水平井施工時，會給固井施工產(chǎn)生一定的風(fēng)險性。

(2)九G體系相比于青G、堯G體系，稠化時間受泥頁巖的影響較大。

(3)在一定條件下，隨泥頁巖含量的增加，該水泥漿體系的抗壓強度也隨之升高，24 h的強度增幅達2.1%～15.4%，48 h的強度增幅達2.6%～11.3%；抗壓強度在泥頁巖1%加量下，基本達到最大值。

(4)針對不同水泥漿體系，泥頁巖對九G體系抗壓強度正增益最大。

2.2.2 泥頁巖對水泥漿摩阻的影響

本文使用旋轉(zhuǎn)黏度計測出的流變數(shù)計算水泥漿在套管和同心環(huán)空內(nèi)的壓降與流態(tài)。對于環(huán)空流，常用兩套公式，一套是管近似法，適用于具有低直徑比da/Da(da和Da分別為環(huán)空比的內(nèi)徑與外徑)的環(huán)空；另一套是窄縫近似法，適用于直徑比大于0.3的環(huán)空。

對于水平井水泥漿的平均流速與體積流量之間的關(guān)系：

環(huán)空流：

(1)

(2)

式中：v—流體平均流速，m/s;q—體積流量，m3/s;Da—環(huán)空外徑，m;da—環(huán)空內(nèi)徑，m。

摩阻壓力梯度Δp/L需要通過雷諾數(shù)Re和摩阻系數(shù)f進行計算：

(3)

式中：Δp/L—摩阻壓力梯度，Pa/m；Δp—摩阻壓力，Pa；L—套管或環(huán)空長度，m；ρ—流體密度，kg/m3；f—摩阻系數(shù)，壁上的剪切應(yīng)力與單位體積的動能之比。

窄縫近似法—環(huán)空流：

(4)

式中：Repl—冪率流體雷諾數(shù)；n—冪率指數(shù)；k—稠度系數(shù)，Pa·sn。

其中：Repl1=3 250-1 150×n

Repl2=4 150-1 150×n

摩阻系數(shù)f可由式(5)計算：

(5)

(6)

從表4可知：

表4 溫度及泥頁巖對水泥漿流變動摩阻的影響

(1)在相同條件下，摩阻Δp隨著井徑與套管間隙的減小而逐漸增大，增加幅度約為66.8%～73.5%；且摩阻Δp隨著溫度的增加而下降，降低幅度約為7.0%～35.6%。

(2)針對不同G級水泥，f九G

(3)同等條件下，相比于不含泥頁巖水泥漿體系，泥頁巖的加入導(dǎo)致流動摩阻發(fā)生變化，一般情況下，摩阻系數(shù)f增幅4.5%～51.5%，摩阻Δp增幅10.1%～50.9%。

2.2.3 泥頁巖與鉆井液配伍性實驗

實驗步驟：將烘干的泥頁巖加入鉆井液中浸泡2 h，取濾網(wǎng)過濾，將濾餅烘干，研磨，按照1%含量加入水泥漿漿體，測試稠化時間、抗壓強度、流變性能參數(shù)。

由表5可知，經(jīng)過鉆井液處理的泥頁巖水泥漿體系中，稠化時間在泥頁巖未浸泡的基礎(chǔ)上縮短了29 min，抗壓強度稍有增加；但對流變性、摩阻影響較小。

表5 泥頁巖對比實驗表

2.2.4 泥頁巖對水泥漿水化產(chǎn)物的影響

為了進一步探究不同條件下水泥漿水化產(chǎn)物的區(qū)別，本研究采用水化熱、XRD、SEM等現(xiàn)代測試分析方法對純水泥、水泥漿體系及含泥頁巖水泥漿體系水化產(chǎn)物進行測試，以分析、對比其水化產(chǎn)物的物相種類和微觀形貌，如圖5，圖6，圖7。

圖5 水化熱曲線

圖6 XRD譜圖

圖7 水泥石的SEM照片

三種水泥漿的工作性能差異較小，純水泥在2 d以前的水化放熱量要高于水泥漿體系及泥頁巖水泥，之后三者趨于平穩(wěn)，數(shù)值差異較??；從XRD譜圖可以看出，三種水泥的水化產(chǎn)物相差不大，并未發(fā)生晶體結(jié)構(gòu)的改變，只是峰值稍有不同。相比于純水泥漿體系水泥石，隨著添加劑的加入，對水泥石抗壓強度起決定性作用的硫鋁酸鈣(AFm)和硅酸鈣凝膠(CSH)的峰強減小，表明含量降低；未水化的硅酸三鈣和硅酸二鈣含量明顯減少，說明體系中的泥頁巖和添加劑吸組分與水泥顆粒發(fā)生了反應(yīng)，促進了水泥熟料的晶核形成和長大，這是導(dǎo)致水泥漿中體系水泥漿抗壓強度大幅度增加的主要原因之一。

泥頁巖水泥石的SEM說明：存在大量無定型的水化C-S-H凝膠(占水化產(chǎn)物的70%以上)，及晶型較好，呈六方板狀的CH(占水化產(chǎn)物的20%左右，此外，相較于純水泥而言，基體表面更為致密，生成了大量粒徑小于1 μm白色顆粒狀物。

利用掃描電鏡(SEM)對比分析了泥頁巖對水泥石的微觀結(jié)構(gòu)的影響，含泥頁巖水泥石的主要產(chǎn)物是六方板狀的Ca(OH)2晶體和柱狀鈣釩石晶體以及各型的C-S-H凝膠，結(jié)構(gòu)致密，各種產(chǎn)物交錯生長。而從圖(a)、(b)中可以看出，純水泥和體系水泥漿水泥石中的Ca(OH)2晶體和針狀鈣釩石晶體比例較少，多見C-S-H凝膠及及其他雜質(zhì)，這也說明泥頁巖促進了水泥石強度的增加。

3 結(jié)論

(1)所取泥頁巖以速敏礦物高嶺石(40.47%)為主，同時含一定量水敏性的綠泥石和伊蒙間層(29.07%)，液相易侵入微裂縫發(fā)育泥頁巖地層，造成水化膨脹掉塊。

(2)在一定條件下泥頁巖可明顯縮短固井水泥漿稠化時間，縮幅在4.9%～14.1%，且在一般情況下導(dǎo)致水泥漿流動摩阻發(fā)生變化，摩阻系數(shù)f增幅4.5%～51.5%，摩阻Δp增幅10.1%～50.9%。

(3)在含大量泥頁巖段的固井施工中，可選用離子抑制劑為前置液以減少泥頁巖水化膨脹，并適當(dāng)延長水泥漿體系稠化時間，控制頂替排量，減少異常泵壓、杜絕留塞，實現(xiàn)“安全、優(yōu)質(zhì)”固井。