韧性胶乳水泥浆在试验评价及其水平井固井作业中的应用

吴雪平（中石化江汉石油工程公司钻井一公司，湖北 潜江 433121）

许明标（长江大学石油工程学院，湖北 武汉 430100）

周福新，袁欢（中石化江汉石油工程公司钻井一公司，湖北 潜江 433121）

王晓亮（荆州嘉华科技有限公司，湖北 荆州 434000）

页岩气大位移水平井固井水泥浆与一般的气井固井水泥浆相比，要求更高，难度也更大。主要难点体现在以下几个方面［1，2］：

1）长水平井固井 水泥浆应具有良好的浆体稳定性，以保证水平段套管内水泥环薄厚均匀；另外水泥浆的自由液量应为零，以有效防止窜槽现象发生。

2）保证压裂完井下水泥环的完整性 页岩气井分段压裂技术会对水泥环的完整性造成很大的影响，水泥环完整性受到破坏将直接影响页岩气的采收，因此页岩气井固井不仅要求水泥环具有足够高的强度，而且还要具备较好的抗冲击能力和耐久性。

3）具有储层保护效果 页岩气藏的储层一般呈低孔、低渗透率的物性特征，气流的阻力比常规天然气大，这要求固井水泥浆应具有良好的储层保护性，也就是要求固井作业过程中，进入到储层的漏失和滤失量应尽可能的少。

4）气井的防窜性能要求 地层中气体最为活跃，易窜流，直接影响气层的采收率，不利于增产措施实施。水泥浆良好的防窜性正是保障页岩气井长期有效封固的关键。只有水平段页岩气层获得了有效封固，良好的油气采收率才能获得。

为满足页岩气长水平井固井技术要求，经过室内试验摸索，构建了一套性能优良的韧性胶乳水泥浆体系。

1 试验部分

1.1 试验材料

LATEX胶乳；RET－M缓凝剂；STAB56－1胶乳稳定剂；FLO－S聚合物降失水剂；STR增强增韧剂；G级水泥；淡水；DWR漂珠；DESIL消泡剂；FIB－1杜拉纤维；MX空隙支撑剂。

1.2 试验设备

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；六速旋转黏度计；水泥石胶结强度拉伸剪切实验仪；水泥石抗冲击试验机。

1.3 水泥浆配方

1＃配方：“JH”G级水泥＋67%淡水＋20%增强增韧剂STR＋30%减轻剂DWR＋1.5%降滤失剂FLO－S＋5%胶乳LATEX＋0.2%分散剂DISP＋6%防窜增韧剂 MX＋0.5%缓凝剂RET－M＋0.5%消泡剂DESIL＋0.2%增韧纤维FIB（密度为1.40g／cm3）（配方中百分数为质量分数，下同）；

2＃配方：“JH”G级水泥＋62%淡水＋20%增强增韧剂STR＋25%减轻剂DWR＋1.5%降滤失剂FLO－S＋5%胶乳LATEX＋0.2%分散剂DISP＋6%防窜增韧剂 MX＋0.75%缓凝剂RET－M＋0.5%消泡剂DESIL＋0.2%增韧纤维FIB（密度为1.50g／cm3）；

3＃配方：“JH”G级水泥＋43%淡水＋12%增强增韧剂STR＋17%减轻剂DWR＋1.5%降滤失剂FLO－S＋5%胶乳LATEX＋0.2%分散剂DISP＋6%防窜增韧剂 MX＋0.8%缓凝剂RET－M＋0.5%消泡剂DESIL＋0.2%增韧纤维FIB（密度为1.60g／cm3）；

4＃配方：“JH”G级水泥＋27%淡水＋1.0%降滤失剂FLO－S＋0.2%分散剂DISP－S＋0.1%缓凝剂RET－M＋0.9%消泡剂DESIL＋12%胶乳LATEX＋6%防窜增韧剂 MX＋1%膨胀剂BOND－1＋0.15%增韧纤维FIB（密度为1.90g／cm3）。

2 试验结果与讨论

2.1 水泥浆稳定性、自由液的评价

水平段水泥环的厚薄均匀程度直接关系到水泥环抗外界冲击能力的大小。水平井固井要保证封固水泥环的厚薄均匀，首先要保证套管居中，其次需要具有零自由液和良好沉降稳定性能的水泥浆体系。水泥浆的自由液和沉降稳定性是室内评价水平井固井水泥浆性能的2个关键指标。若水泥浆中有自由液析出，析出液会在水平段的顶部形成一条横向水槽，地层流体可能会通过这条流道发生渗窜；同样，固相沉降的存在会使水平段井筒上部水泥强度降低，造成胶结疏松甚至无胶结。若自由液和固相沉降伴随存在，不仅地层流体运移会发生，水平段地层的封固也可能会失效。室内对页岩气水平井固井水泥浆的研究，侧重于优化水泥浆体系性能，以保证水泥浆零自由液和稳定性的实现。由于页岩气井井深浅，地质结构复杂，在钻进中常有井漏现象发生，为保证固井中不压漏地层，室内对1＃～4＃水泥浆配方的稳定性和自由液进行了评价（表1）。由表1可见，随养护温度升高水泥浆上下密度差Δρ略有增大，总体的密度差依然能够控制在0.02g／cm3内，而水泥浆的自由液折出量始终为0。在进行水泥浆设计时，为提高水泥浆的稳定性，适当地提高了水泥浆旋转黏度计6、3r／min的数值，这样有利于提高固相颗粒的悬浮性能力。高强韧性胶乳水泥浆的固相稳定性的控制方法主要从聚合物以及胶乳质量分数，固体颗粒材料的颗粒级配理论的应用，微纳米材料的应用这3个方面着手。综合作用下，韧性胶乳水泥浆的自由水以及固相沉降稳定性都能够得到较好地控制。

表1 水泥浆自由水与固相沉降稳定性性能

2.2 水泥浆滤失性能评价

页岩气固井为了保证良好的固井质量，防止页岩膨胀引起固井质量不合格，一般要求产层段封固水泥浆要具有较低的滤失性。室内为研究水泥浆失水量与试验温度的关系以及水泥浆失水对页岩岩心的影响，进行了相关的测试评价。

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由表2可见，随试验温度升高，水泥浆的滤失量略有增大，但最高滤失量依然能够控制在15mL以内；另外水泥浆滤液侵入岩心的深度，随试验温度的升高也存在略有增大的现象，但是最大深度也仅仅为4.4mm，充分说明水泥浆具有较低的滤失，能够有效保证其与地层的胶结。水泥浆中使用了2种降失水剂FLO－S聚合物和LATEX胶乳，2种降失水剂的协同作用能够提高水泥浆滤液黏度，降低水泥浆滤失阻力。

2.3 水泥石的力学性能评价

固井水泥环的完整性直接影响着其对地层和套管的封固效果。页岩气井多采用水平井进行开发，为提高气田产量还需实施压裂、酸化等增产措施。这对水平段固井水泥环的力学性能提出了更高的要求，水泥环的力学性能将直接影响后期增产措施的效果以及后续气田产量。为有效防止页岩气侵入环空，保证水泥环的完整性，在水泥浆设计时，室内实验要求水泥浆在井底温度养护8h后就要形成一定强度，以应对复杂的井底情况。室内测试了1.40、1.50、1.60、1.90g／cm3配方水泥浆在养护8、12、24h后所形成的水泥石抗压强度，由表3可见各密度水泥浆在养护8h后均能形成大于2MPa的强度。

页岩气开发井分段压裂技术会对水泥环的完整性造成很大的影响，只有具有足够高强度的韧性水泥环才能抵抗分段压裂技术所造成的冲击。所以足够高的强度以及柔韧性，是页岩气水平井实现长期有效封固的关键。室内考察了密度为1.40～1.90g／cm3水泥石在83℃养护24h的抗折、剪切、拉伸、抗冲击等强度性能。由表4可见，相对于常规密度水泥浆，韧性胶乳水泥浆的抗压强度已经能够满足后续增产作业的需要。同时韧性胶乳水泥浆的剪切强度、拉伸强度、抗冲击强度以及弹性模量的测量值均较常规水泥浆有着较大的改善；其中韧性胶乳水泥浆的抗冲击强度较常规水泥浆最高可以提高46.8%；水泥浆的弹性模量相对降低44.6%。韧性胶乳水泥石优良的力学性能，能够最大程度地满足页岩气水平井固井对水泥石韧性方面的要求。

表2 温度与水泥浆的API滤水量的关系

表3 水泥浆不同养护时间下水泥浆抗压强度

表4 韧性胶乳水泥浆体系的力学性能

为验证水泥石的韧性，室内用强力射钉枪模拟射孔弹，对常规水泥石和韧性胶乳水泥石，进行了“射孔”试验。由图1可以看到，常规水泥石在模拟 “射孔”后，水泥面发生了明显的龟裂，而韧性胶乳水泥石除了明显的射孔口，水泥面完好无损。韧性胶乳水泥石的柔韧性相对常规水泥石无疑得到了很大的改善。

图1 射钉枪模拟射孔试验

2.4 水泥浆防窜性能评价

2.4.1 水泥浆静凝胶强度的发展

水泥浆的凝胶强度发展速度是水泥浆防窜能力评价的重要指标之一［3］。一般认为水泥浆静凝胶强度从100lb／100ft2发展至500lb／100ft2（48～240Pa）所用时间越短，水泥浆抵抗气体侵入的能力就越强。室内采用超声波水泥分析仪（UCA）对1.60g／cm3水泥浆凝胶强度发展情况进行了测试，试验曲线见图2。水泥浆在静凝胶强度从100lb／100ft2发展至500lb／100ft2（（48～240Pa））所用时间为20min，说明该水泥浆具有较强的防窜能力。

2.4.2 水泥浆稠化转化时间的控制

水泥浆的稠化时间主要测试的是一定温度压力下，水泥浆水化、凝结、硬化一系列物理化学变化过程所需要的时间。稠化过程中水泥浆由30Bc发展至100Bc所需时间称之为稠化转化时间。水泥浆稠化转化时间越短，稠化过程中发生气窜的可能性就越小。室内对不同密度韧性胶乳水泥浆的稠化性能进行了测试，结果见表5。韧性胶乳水泥浆体系稠化转化阶段时间均能够较好控制，最长转化时间为17min，最短转化时间仅有6min。水泥浆稠化转化时间越短，井下流体侵入环空的可能性就越低。

3 现场应用

图2 1.60g／cm3水泥浆在90℃时静凝胶强度发展曲线

建页2井是在建南区块页岩气勘探的第2口参数井。该地区裂隙较发育，在钻井过程中，曾多次发生钻井液漏失的现象。下套管前最高泥浆密度为1.44g／cm3，为防止固井中压漏地层，清洗液、冲洗液以及水泥浆的当量密度都控制在1.40g／cm3左右，固井水泥浆分为领浆和尾浆设计，领浆作为先导浆主要用于平衡地层压力，井眼1330～2860m为水平段采用1.90g／cm3韧性胶乳水泥浆进行封固。具体段塞设计如表6所示。

1）具体固井措施 增加旋流扶正器的安放数量，提高套管居中度；采用柴油稀释油基泥浆；选用大量的高性能油基泥浆清洗液和冲洗液对井眼进行冲洗；采用高黏度、密度1.40g／cm3水泥浆作为领浆；采用密度1.90g／cm3韧性胶乳水泥浆作为尾浆封固水平段；采用漂浮顶替技术。

2）现场施工情况 建页2井固井施工作业总体上较为顺利，现场施工过程流畅，碰压明显，井口敞开顺利，各项施工参数均能按设计要求进行。固井作业具体流程如下：①泵入少量柴油，对井筒内的油基泥浆进行稀释，一方面能够防止油基泥浆破乳增稠，另一方面能够形成清晰的界面，区分油基泥浆与清洗液，方便油基泥浆回收、避免污染；②注入清洗液，清洗液密度略低于油基泥浆，具有低黏度、高稳定性特点，通过清洗、乳化增溶作用将油基泥浆滤饼和油膜清洗干净带出井口；③紧接着注入冲洗液，冲洗液密度略高于清洗液，冲洗液主要目的是清洁壁面，改善界面的亲水性；④注入领尾浆，双车注浆，排量控制在2m3／min以上，尾浆密度控制在1.88～1.90g／cm3；⑤压塞，之后全井段采用清水顶替，保证水平段套管的居中度，保证固井质量；⑥碰压，碰压前应逐渐降低排量，以方便清晰地观察压力变化；⑦敞开井口，候凝。

3）固井质量 页岩气水平井开发，水平段固井质量关系到后期压裂增产措施能否顺利进行，直接影响到气井产量及寿命；所以针对建页2井固井作业采取了多种方法确保固井质量，通过努力也取得了良好的成果。候凝48h，经固井质量检测，总长为1050m的水平段固井质量全优质。

表5 不同温度下水泥浆的稠化性能

表6 现场固井段塞设计

4 结论

1）通过水泥浆的稳定性和自由液的室内评价结果，可见韧性胶乳水泥浆具有较好的浆体稳定性，水泥浆自由液能够得到较好的控制，能够满足水平井封固要求。

2）水泥浆具有极低的滤失量，滤液侵入岩心的深度较浅，能够保证具有较好的胶结面。

3）韧性胶乳水泥浆强度发展较快，养护24h后水泥石的抗冲击强度和弹韧性均较常规水泥石有着很大的改善，水泥浆优良的柔韧性为满足页岩气井增产措施施工的需要提供了必要的基础。

4）韧性胶乳水泥浆具有较快的稠化转化时间，水泥浆的静凝胶强度由48～240Pa发展速度能够控制在20min以内，能够有效地防止水平井眼发生流体窜，保证气层的封固效果。

5）韧性胶乳水泥浆在建页2井固井应用的成功，说明该水泥浆能够很好地适应页岩气水平井固井作业，其在页岩气水平井固井作业中具有广泛的应用空间。

［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.