苏里格气田分层压裂段固井水泥浆体系的研究与应用

李宪文 周文军 黄占盈 吴学升 张燕娜

（1.长庆油田油气工艺研究院，陕西西安 710018；2.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，陕西西安 710018）

苏里格气田分层压裂段固井水泥浆体系的研究与应用

李宪文1,2周文军1,2黄占盈1,2吴学升1,2张燕娜1,2

（1.长庆油田油气工艺研究院，陕西西安 710018；2.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，陕西西安 710018）

针对苏里格气田部分井压裂施工过程中出现的天然气窜槽问题，通过实验优选出性能良好的胶乳与外加剂，研发出防气窜高强度水泥浆体系。室内评价结果表明，该体系在不同温度下游离液低、流变性能好，水泥石抗折强度较常规水泥石提高了10%左右，48 h最大抗压强度29.5 MPa。现场试验3口井，储层段第一界面优质率100%，第二界面优质率大于94%，压裂施工中压力正常，未出现环空窜流，满足了苏里格气田分层压裂对环空水泥石完整性的要求。

苏里格气田；分层压裂；固井；防气窜；水泥浆

苏里格气田上古生界致密砂岩气藏地层渗透率0.06～2 mD、地层压力系数 0.87、天然气丰度（1.1～2）×108m3/km2，具有低压低渗低丰度特点。气藏无自然产能，压裂改造是最重要的增产手段［1-2］。用于砂岩多薄层改造的套管滑套分层压裂工艺对固井质量与水泥石抗冲击韧性提出了较高要求。由于水泥浆体系和固井工艺不能完全适应增产工艺需要，部分井压裂施工过程中出现了天然气窜槽的问题。为确保分层改造时水泥环能够有效封隔不同压力条件的各个产层，针对苏里格气田实际优选了防气窜高强度水泥浆体系。现场应用效果证明该体系可以有效提高长庆气田分层压裂段封固质量，对于实现气田高效开发具有促进作用。

1 分层压裂技术对水泥石胶结质量要求及影响分析

1.1 分层压裂气窜井分析

套管滑套完井多级分层压裂工艺应用以来，部分井压裂过程中出现天然气窜槽。如S16A-57L井与S11C-93L井，两井均属二开定向井，完钻井深2 820～2 950 m，井身结构为Ø311 mm钻头×Ø244.5 mm表层套管+Ø215.9 mm钻头×Ø114.3 mm生产套管，采用一次上返固井，常规降失水水泥浆体系，水灰比0.44，密度1.90 g/cm3，稠化时间120 min（95℃、55 MPa），失水 ＜100 mL（7 MPa、70 ℃、30 min），游离液 ＜0.5 mL，在 21 MPa、95 ℃条件下，24 h 抗压强度16 MPa，48 h抗压强度25 MPa；改造主要储层为盒8段、山1段。压裂施工过程中，孔眼周围水泥环出现不规则裂缝、小面积断裂破碎，水泥环层间封隔气、水失效，S16A-31L井压裂后出水无产能。

1.2 分层压裂对水泥环的影响分析

水泥石属于硬脆性材料，自身协调形变能力差，与套管钢材的弹性和变形能力存在较大差异。当受到由压裂产生的动态冲击载荷作用时，水泥环受到较大的内压力和冲击力，产生径向断裂；当压裂作业的冲击作用大于水泥石的破碎吸收能时，水泥石破碎，井筒的完整性被破坏，压裂施工中压裂液随水泥环本体的裂缝运移，进一步推动水泥环裂纹的不定向延展，不仅降低了压裂效果，也使被破坏后水泥环失去层间封隔和保护套管的作用，引起储层气体环空窜流，直接影响到天然气的正常开发与气井开采寿命。

1.3 分层压裂对水泥石质量要求

水泥石的碎裂是由微裂纹失稳、扩展和汇合造成的，因此，分层压裂段水泥石要具备井下环境条件下承受气层改造工况载荷时的抗冲击能力，改变水泥石本身硬脆性的特点，改善水泥石的抗冲击韧性、抗拉强度等塑性特征，保证水泥石具有高强度柔性胶结，从而达到提高固井质量、满足长庆气田分层压裂段封固质量要求。

2 防气窜高强度水泥浆体系优选

为了提高多层压裂段封固质量，水泥浆中引入膨胀材料及胶乳［3-9］，膨胀材料减少水泥收缩，胶粉填充于水泥骨架之间，成为冲击力的传递介质，吸收储层改造过程对水泥环的冲击功，提高了水泥环的抗冲击韧性，改善第二界面的封固质量。

2.1 高分子聚合物胶乳的评价与优选

针对3个胶乳样品LZ-1、GZ-1和SD-1进行了室内实验。通过测定80 ℃下胶乳的降失水性能，优选出性能良好的胶乳SD-1，当其加量占水泥6%～10% 时，6.9 MPa、30 min失水可控制在 20～30 mL，完全满足现场施工要求（表1）。

表1 高分子聚合物胶乳的优选实验数据

2.2 外加剂的评价与优选

2.2.1 分散剂 对分散剂 US-1、D96-1、XB-1、ST-1进行了性能评价及优选实验（见表2），实验配方：G级水泥+8%胶乳SD-1+1.8%消泡剂XP-3+分散剂，水灰比0.44。实验结果表明，US-1加量大（0.6%～0.8%）时，改善流变性能效果不好；D96-1改善水泥浆流变性能效果很好；XB-1与ST-1流动度较低，实验过程中ST-1有闪凝现象。因此优选D96-1为分散剂，加量3%。

表2 分散剂优选实验数据

2.2.2 缓凝剂 对缓凝剂GH-4、BR-20、SH-1进行了性能评价及优选实验（见表3），实验配方：G级水泥+8%胶乳SD-1+3%分散剂D96-1+1.8%消泡剂XP-3+缓凝剂，水灰比0.44，密度1.87 g/cm3。在80 ℃条件下测试水泥浆稠化时间，优选出BR-20（液体）为胶乳水泥浆体系缓凝剂，加量0.15%～0.22%时，稠化时间可控制在160～200 min，且过渡时间短。

表3 缓凝剂优选实验数据

2.3 水泥浆体系性能评价［10］

2.3.1 常规性能评价 在70、80、90 ℃条件下，对水泥浆稠化时间、游离液、失水、抗压强度进行评价（见表4）。结果表明，与气窜井固井水泥浆相比，胶乳水泥浆体系在不同温度条件下具有失水量小（＜50 mL）、游离液低（＜0.5 mL）、水泥石抗压强度高（48 h最大抗压强度29.5 MPa）、流变性能与体系稳定性好等特点。

表4 胶乳水泥浆体系常规性能

2.3.2 水泥浆胶凝强度性能评价 针对体系开展了胶凝强度室内实验评价，体系从稠化结束到初凝、终凝和凝固成水泥石分别比纯水泥体系缩短了8 min、13 min、26 min。图1为胶凝强度室内实验评价曲线，可以看出，在终凝结束凝固成水泥石过程中，静态胶凝强度呈指数曲线上升，不仅快速增强水泥石强度，且在一定程度上极大降低了气侵的危害，提高了固井质量。

图1 水泥浆体系胶凝强度曲线

2.3.3 水泥石抗折强度和抗冲击韧性评价 在70、80、90 ℃下，评价水泥石 24 h、48 h、72 h 抗折强度（图2），评价结果显示，胶乳水泥石较常规水泥石抗折强度提高10%左右。针对常规水泥石与研发的胶乳水泥石进行了抗冲击韧性的实验，分别用射钉枪将钉子从水泥石一端射入，从图3可看出，常规水泥石出现明显裂缝，胶乳水泥石无明显裂纹，说明胶乳水泥浆体系有利于改善水泥石的内部结构、提高水泥石的韧性，能有效防止压裂施工对水泥石破坏。

图2 胶乳水泥石与常规水泥石抗折强度对比

图3 常规水泥石与胶乳水泥石抗冲击韧性实验

3 现场试验

为进一步验证和优化防气窜高强度水泥浆体系性能，2012年9月先后在长庆苏里格东区3口井进行了固井试验（见表5）。试验井均属二开定向井，Ø114.3 mm套管固井完井，常规密度水泥返至气层顶界以上300 m，低密度水泥返至井口，除SD57C-65B采用分级固井外，其他2口井采用一次上返固井工艺。3口井施工顺利，全井段固井合格率100%，储层段第一界面优质率100%。

以SD57C-65B为例，该井完钻井深3 265 m，井身结构为Ø311 mm钻头×Ø244.5 mm表层套管+Ø215.9 mm钻头×Ø114.3 mm生产套管，套管滑套分层压裂工艺改造，主要储层盒8段、山1段与山2段。低密度水泥浆采用泡沫水泥浆体系，水灰比0.5～0.55，密度 1.35-1.45 g/cm3，稠化时间 135～185 min，失水小于50 mL，游离液小于1.5 mL，24 h抗压强度大于5.5 MPa，流性指数 0.4～0.8，稠度系数 1.7～2.5 Pa·sn；常规密度水泥浆采用胶乳水泥浆体系，水灰比0.44，密度 1.71～1.76 g/cm3，稠化时间 90～110 min，失水小于50 mL，游离液小于0.5 mL，24 h抗压强度大于18 MPa，流性指数 0.6～0.9，稠度系数 0.1～0.95 Pa·sn；反挤固井采用早强剂体系，密度1.88～1.92 g/cm3。固井注前置液10 m3，密度1.05 g/cm3；注水泥浆38 m3，压胶塞 1 m3，顶替 23.1 m3，反挤 16 m3，碰压 0—10—23 MPa，储层段固井质量优良率95%，后期套管滑套完井多级分层压裂施工中压力正常，未出现环空窜流，表明防气窜高强度水泥浆体系能有效满足长庆气田分层压裂对环空水泥石完整性的要求。

4 结论

（1）分层压裂施工会造成部分井孔眼周围水泥环断裂破碎，水泥环层间封隔气、水失效从而发生气窜。因此，要求改变水泥石硬脆性特点，改善抗冲击韧性、抗拉强度等塑性特征，保证水泥石具有高强度柔性胶结。

（2）评价与优选了高分子聚合物胶乳与配套外加剂，开发了胶凝强度、抗折强度、抗冲击韧性较高的防气窜高强度水泥浆体系，室内评价结果显示，在不同温度条件下该体系具有失水低、抗压强度高、流变性好、稳定性强等特点。

（3）现场试验3口井，储层段第一界面优质率100%，第二界面优质率大于94%，大幅提高了储层井段封固质量，后期套管滑套完井多级分层压裂施工未出现环空窜流，满足多层压裂对环空水泥石完整性的要求。

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（修改稿收到日期 2013-06-15）

Study and application of cementation slurry in Sulige gas field separate layer fracturing well section

LI Xianwen1,2, ZHOU Wenjun1,2, HUANG Zhanying1,2, WU Xuesheng1,2, ZHANG Yanna1,2
（1. Research Institute of Oil and Gas Techniques,Changqing Oilfield Company,Xi’an710018,China;2. Low permeability oil and gas field exploration and development of National Engineering Laboratory,Xi’an710018,China）

In view of gas channeling in the course of fracture construction in Sulige Gas Field, a gas channeling prevention and high strength cementation slurry has been researched to the enterprise by experiment optimized latex and cement additives. Experiment in lab shows that the slurry has low free fluid and good rheological property, the flexural strength increased about ten percents, the maximum compressive strength reach 29.5 MPa in 48 hours, It has passed through 3 wells test, the first interface merit factor of one hundred percent and the second interface merit factor more than 94%.The construction pressure is normal, gas channeling is not appeared, meet the stratification of Changqing gas field fracturing of annular cement stone integrity requirements.

Sulige gasfield; separate layer fracturing；well cementing；gas channeling prevention；cement slurry

李宪文，周文军，黄占盈，等. 苏里格气田分层压裂段固井水泥浆体系的研究与应用［J］. 石油钻采工艺，2013，35（4）：51-54.

TE256

：A

1000–7393（2013） 04–0051–04

中国石油集团（股份）公司重大科技专项“致密气藏开发重大工程技术研究”课题三“致密气藏钻完井技术研究”（编号：2010E-2303）部分成果。

李宪文，1963年生。1985年毕业于大庆石油学院，主要从事油气田技术管理与研究工作，教授级高级工程师。电话：029-86590698。E-mail：lxw_cq@petrochina.com.cn。

〔编辑 朱 伟〕