适合海上低渗气田水平井固井的柔性水泥浆体系研究

许明标，王晓亮，宗孝生 （长江大学石油工程学院，湖北 荆州434023）

罗礼奎 （渤海钻探第二固井公司完井工艺研究所，天津300280）

朱江林 （中海油田服务股份有限公司油田化学事业部，北京101149）

适合海上低渗气田水平井固井的柔性水泥浆体系研究

许明标，王晓亮，宗孝生 （长江大学石油工程学院，湖北 荆州434023）

罗礼奎 （渤海钻探第二固井公司完井工艺研究所，天津300280）

朱江林 （中海油田服务股份有限公司油田化学事业部，北京101149）

海上低渗气田利用常规手段难以有效开发，一般需采用水平井、分支井固井后射孔加大型压裂技术进行完井，其固井质量直接影响后期增产的效果和气田产量。为保证海上低渗气田水平井段良好的固井质量，设计了柔性水泥浆体系。室内对该水泥浆体系进行了试验评价研究，结果表明：柔性水泥浆体系较普通聚合物低密度水泥浆体系具有失水低、流变性好、体系稳定、强度发展迅速、防窜性能强、韧性高的优点，能够有效满足水平井、分支井固井作业，保证海上低渗气藏后期开发对固井质量的需要。

海上气田；低渗透气田；水平井；固井；柔性水泥浆

海上低渗气田需采用水平井、分支井水平井进行开发。低渗气田水平井固井的关键在于以下几点［1，2］：①保证水平段套管内水泥环薄厚均匀，要求水泥浆的稳定性要好；②保证水平井段的水泥浆零自由液存在，防止窜槽现象发生；③使用高效降失水剂，将水泥浆的失水量控制在50ml·6.9MPa－1·30min－1；④为了缩短水泥浆注入井内后的凝固时间以防止地层流体向环空渗透形成窜槽，在保证施工安全的基础上尽量缩短水泥浆的稠化时间，在保证安全施工的基础上实现水平段的良好封固；⑤提高水泥浆的抗冲击韧性，保证在射孔增产措施下水泥环的完整性。针对低渗气田水平井固井的要求，设计了相配套的柔性水泥浆体系。

1 试验部分

1.1 试验材料

所用试验材料如下：CGR66L丁苯胶乳；H21L－M缓凝剂；CJ51L胶乳稳定剂；CG88L聚合物降失水剂；PF－2增强增韧剂；G级水泥；淡水；DWR普通漂珠；CX601L消泡剂等。

1.2 试验设备

试验所用设备如下：高温高压稠化仪；常压稠化仪；高温高压水泥浆失水仪；高温高压养护釜；多功能压力试验机；新型水泥石应力应变测试仪；六速旋转粘度计；水泥石胶结强度拉伸剪切实验仪；岩心渗透率测试装置。

1.3 试验的基本配方

1）聚合物体系 ①1.5g/cm3：100%JH/G＋22%减轻剂＋12%PF－2增强剂增韧剂＋55%淡水＋3.6%CG88L 降 滤 失 剂 ＋0.4%CF44L 分 散 剂 ＋0.7%H21L－M 缓 凝 剂 ＋0.8%CX601L 消 泡 剂。②1.6g/cm3：100%JH/G＋13%减轻剂＋10%PF－2增强剂增韧剂＋52%淡水＋3.6%CG88L降滤失剂＋0.4%CF44L分散剂＋0.6%H21L－M 缓凝剂＋0.8%CX601L 消泡剂。③1.7g/cm3：100%JH/G＋6%减轻剂＋6%PF－2增强剂增韧剂＋48%淡水＋3.6%CG88L降滤失剂＋0.4%CF44L分散剂＋0.5%H21L－M缓凝剂＋0.4%CG56L稳定剂＋0.8%CX601L消泡剂。

2）柔性水泥浆体系 ①1.5g/cm3：100%JH/G＋22%减轻剂＋12%PF－2增强剂＋47%淡水＋3.6%CG88L降滤失剂＋0.4%CF44L分散剂＋0.7%H21L－M 缓凝剂＋0.4%CG56L稳定剂＋0.8%CX601L消泡剂＋5%胶乳＋6%PF－2增强增韧剂。②1.6g/cm3：100%JH/G＋13%减轻剂＋10%PF－2增强增韧剂＋44%淡水＋3.6%CG88L降滤失剂＋0.4%CF44L分散剂＋0.6%H21L－M缓凝剂＋0.4%CG56L稳定剂＋0.8%CX601L消泡剂＋5%胶乳 ＋6%PF－2增强增韧剂。③1.7g/cm3：100%JH/G＋6%减轻剂＋6%PF－2增强剂＋40%淡水＋3.6%CG88L降滤失剂＋0.4%CF44L分散剂＋0.5%H21L－M缓凝剂＋0.4%CG56L稳定剂＋0.8%CX601L消泡剂＋5%胶乳＋6%PF－2增强增韧剂。

1.4 试验方法

水泥浆评价试验按照API SPEC 10A标准进行。渗透性能评价在制备胶乳水泥石岩心后，依据SY/T5336－2006渗透率测试标准进行试验测试与计算。

2 低密度胶乳水泥浆性能研究

2.1 水泥浆的常规物理性能研究

室内以聚合物水泥浆体系作为参照，考察在相同试验材料、相同水泥浆密度和稠化时间下低密度胶乳水泥浆的性能特点。通过表1的对比结果可以看出柔性水泥浆体系性能的优异之处。

表1 聚合物水泥浆体系与低密度胶乳水泥浆体系性能对比

由表1可见，在相同条件下，柔性水泥浆体系拥有更好的流变读数和更低的API失水量；另外，水泥浆的自由液量也得到了控制。相对聚合物水泥浆，柔性水泥浆体系中分散有一定量的胶乳，微米大小的球形胶乳颗粒能够很好地镶嵌在水泥颗粒中对水泥石空隙进行有效的封堵。得益于胶乳颗粒的良好分散性能，柔性水泥石的抗压强度相对聚合物水泥石未发生明显降低的现象。

2.2 水泥浆的流变稳定性以及自由液的控制

水泥浆的稳定性在水平井固井中尤为重要。确定水泥浆稳定性的2个主要参数为自由水和固相沉降（见表2）。自由水能够浮在水平井眼的顶部形成一条横向流道，地层流体可以通过这条横向流道进行渗窜。固相沉降会使井筒上部的水泥胶结疏松，降低强度。因此它们可能会导致地层封固失效和地层流体运移，并减弱对储层的控制能力。

表2 柔性水泥浆自由水与固相沉降稳定性性能

由表2可见，养护温度升高水泥浆上下密度差Δρ略有增大，而水泥浆密度差依然能够控制在0.03 g/cm3内。由于温度升高水泥浆粘度变小，对于固相颗粒的悬浮性能略有变化。柔性水泥浆对于水泥浆固相稳定性的控制方法主要从两个方面着手。①适当的聚合物以及胶乳加量。合适的聚合物加量能够在保证水泥浆具有良好流变与滤失控制能力下，使水泥浆具有较好的粘度，表现出良好的悬浮性能。②固体颗粒材料的颗粒级配理论的应用。水泥浆中加入的PF－2增强增韧剂为超细材料的混合物，混合物包含有惰性材料和活性材料，惰性材料能够充填在水泥颗粒间隙，活性材料能够较好地分散在水泥浆中提高水泥浆的粘度。在综合作用下水泥浆的自由水以及固相沉降稳定性都能够得到较好的控制。

表3 同一配方不同温度下的稠化性能

2.3 水泥浆稠化时间的控制

水泥浆注入油气井环空后，由于环形空间液柱压力与地层压力平衡关系的变化，使地层中的流体进入环形空间，产生纵向流动，发生层间窜流。水泥浆在稠化过程中，其稠化转化时间越长，窜流的可能性就越大，造成的破坏也就越大。基于此，室内对不同温度下柔性水泥浆的稠化性能进行了评价，结果见表3。由表3可见，柔性水泥浆体系稠化转化时间均能控制在10min以内。水泥浆迅速稠化，浅层气流向井眼环空的时间变短，浅层气的聚集强度和趋势变缓，产生的危害变小，从而可极大地降低油气水上窜的可能。

图1 1.60g/cm3水泥浆在90℃时静凝胶强度发展曲线

2.4 水泥浆防窜以及流体阻隔性能研究

随着环空中水泥浆静凝胶强度的发展增大，水泥浆柱将产生 “失重”现象，导致环形空间液柱压力小于地层压力，使地层中的流体进入环形空间，产生纵向流动，这种纵向流动的现象称为流体窜流，它包括油、水、气流，简称环空窜流。水泥浆的静凝胶强度发展速度和凝胶强度大小是水泥浆防止地层流体侵入环空能力大小的另一个主要评价指标。静凝胶强度从48～240Pa之间的发展速度越快，水泥浆的防窜能力越强。室内采用超声波试验仪对1.60g/cm3水泥浆90℃下静凝胶强度发展情况进行了试验，试验结果如图1所示。

由图1所示曲线可见，水泥浆在静凝胶强度从48～240Pa的时间仅有20min，充分说明水泥浆具有较强的防窜能力。

水泥浆的流体阻隔性能是保证水泥浆免受地层流体腐蚀，改善水泥浆层间封隔效果的重要指标。室内通过对水泥浆的第1界面和第2界面的壁面胶结强度以及水泥石可渗透性能的测定，来考察水泥浆的流体阻隔性能［3］。对水泥浆的第1界面和第2界面的壁面胶结强度的测定结果如表4所示。

表4 柔性水泥浆与聚合物水泥浆壁面胶结性能对比

由表4可见，低密度胶乳水泥浆相对于聚合物水泥浆对于第1界面，第2界面的胶结强度均有很大的提升。

表5所示为柔性水泥石与聚合物水泥石渗透率对比数据，可见相同密度下柔性水泥石的渗透率均较聚合物水泥石有很大程度降低。这充分说明，柔性水泥浆具有良好的降低渗透率的作用。从而印证了柔性水泥浆体系具有较好的流体阻隔作用。

表5 柔性水泥石与聚合物水泥石渗透率试验对比

2.5 水泥石的力学性能研究

海上低渗气田多采用水平井、分支井水平井进行开发，为提高油气田产量需要进行一系列的增产措施，如压裂、酸化等。因此，固井水泥环的力学性能将直接影响后期增产的效果和气田产量。室内首先对水泥浆的强度发展情况进行了试验研究，结果见表6。由表6可见，常压下水泥浆在经过8h养护就能够形成一定强度，养护24h后水泥石已具有比较可观的强度。

水平井封固段水泥环的力学性能是关系到油气井增产措施顺利实施的关键。而提高水泥石的抗冲击韧性、降低水泥石弹性模量是改善水泥环力学性能的关键。只有具有较高韧性的水泥环才能在强力射孔以及高压增产措施下保持油气井水泥环的完整性。由表7所示结果可见，在水泥石抗压强度、抗折强度相差不大的情况下，柔性水泥浆的剪切强度、拉伸强度、抗冲击强度均较聚合物水泥石有着较大的提高，水泥石的弹性模量也有很大程度的改善。说明柔性水泥石具有较好的韧性，能够满足低渗油气田水平井固井要求。

表6 水泥浆不同养护时间下水泥浆抗压强度

表7 韧性水泥浆体系的力学性能

3 结 论

1）相对聚合物水泥浆，柔性水泥浆体系拥有更好的流变读数和更低的API失水量，另外水泥浆的自由液量也得到了更好的控制。

2）柔性水泥浆稠化时间可控，水泥浆稠化转化时间较短，能一定程度上降低油气水上窜的可能。

3）柔性水泥浆静凝胶强度发展较为迅速，第1和第2界面较高的胶结强度以及较低的渗透率充分说明水泥浆具有较好的防油、气、水上窜的能力。

4）柔性水泥石优异的力学性能能够很好地满足低渗油气田水平井段的固井要求。

该文是 《海上低渗油气田固井水泥浆技术研究》（CNOOCRC （LTD）－2010－ZHKY－024）项目的部分研究成果的产出论文。

［1］王毅，彭志刚，徐浩然.水平井复合水泥浆体系研究及应用 ［J］.钻采工艺，2009，34（2）：103～105.

［2］姜伟.渤海大位移水平井固井关键技术研究及其应用 ［J］.中国海上油气 （工程），2002，14（4）：28～34.

［3］许明标，彭雷，张春阳，等.聚合物胶乳水泥浆的流体阻隔性能研究 ［J］.油田化学，2009，26（1）：15～17.

Research on A Flexible Slurry System Suitable for Horizontal Well Cementing in Offshore Low Permeability Gas－fields

XU Ming－biao，WANG Xiao－liang，ZONG Xiao－sheng，LUO Li－qui，ZHU Jiang－ling（First Author's Address：College of Petroleum Engineering，Yangtze University，Jingzhou434023，Hubei，China）

It was difficult to effectively develop the low－permeability reservoirs in offshore oilfields by using conventional methods，perforation and fracturing technologies of horizontal wells and branched wells were generally adopted for completion.A low－density and impervious cement slurry system was designed to ensure a good quality of cementing，which would directly influence the production of gas field and stimulation effect.The laboratory evaluation results show that the slurry system has the characteristics of low filtration，good rheological property，stable performance，high strength in a short time，good anti－channeling performance，and high toughness.The cement slurry system can meet the requirements of cementing operation in horizontal wells and branched wells.It also can ensure the quality required by later development of offshore low permeability gas－fields.

offshore gas－field；low permeability gas－field；horizontal well；cementing；flexible cement slurry

TE254.3

A

1000－9752 （2012）03－0110－04

2011－11－03

许明标 （1962－），男，1983年大学毕业，博士，教授，现主要从事井下流体方面的研究工作。

［编辑］ 萧 雨