鄂南致密砂岩储层弹塑性水泥浆体系研究与应用

杨大足 刘永胜

中国石化华北油气分公司石油工程技术研究院

鄂南致密砂岩储层弹塑性水泥浆体系研究与应用

杨大足 刘永胜

中国石化华北油气分公司石油工程技术研究院

鄂南油田生产层属于低孔隙度、低渗透率致密砂岩储层，普遍采用水平井套管固井完井加大型压裂进行有效开发。为提高水泥环承受大型压裂对其的冲击力和水泥环的完整性，水泥石不仅要有很好的强度,还要有较好的弹塑性。为此,研制开发了弹塑性材料MFR并对其性能进行了室内测试，在室内实验的基础上,优选出MFR合理加量为1%～3%，优化了弹塑性水泥浆体系配方，形成的水泥石弹性模量适当，抗折强度高（断裂韧性可增加44.8%），综合性能满足水平井固井要求。该水泥浆体系在鄂南HH73P92井φ139.7 mm生产套管固井中进行了应用,通过变密度测井检测结果显示，固井质量良好。

致密储层水平井固井弹塑性水泥浆体系

鄂南油田位于鄂尔多斯盆地南部，主要储层属于低孔隙度、低渗透率致密砂岩储层，采用水平井技术和压裂技术进行开发。初期采用裸眼完井，压裂后投产初始效果明显，但随着开发进程，裸眼完井的局限性逐渐显现，如产量递减快、地层出水治理难度大、二次改造困难等问题，因此完井方式改成套管固井射孔完井。完井方式改变后，水平井固井要求高性能的水泥浆体系，才能保证固井质量；同时大型压裂要求水泥环既要承受射孔、大型分段压裂对其产生较大的内压力和冲击力而不致径向断裂，又要承受射孔、压裂作业的冲击势能而不产生破碎。因此，水泥环应有较高的强度，具备较好的抗冲击能力和耐久性。根据这个需求，研制开发了具有较高强度的弹塑性水泥浆体系，以提高水泥环质量，满足水平井固井技术和射孔压裂后水泥环的完整性。

1 弹塑性水泥浆体系研究

为了减轻射孔、压裂对水泥石的破坏作用，可通过在水泥浆中添加适当的外加剂来改善油井水泥石力学性能,赋予油井水泥石一种可控塑性形变能力,增加水泥石抗冲击破碎性能,减轻水泥环在受冲击力作用时因应力集中造成的破裂伤害程度，提高水泥石的强度和弹塑性[1-5]。

1.1 弹塑性材料研发

根据超混复合材料原理，改善材料抗冲击性能的方法一般是通过增韧和止裂[6-9]。通过对具有增韧和止裂作用的纤维材料和具有弹性强的橡胶材料优选，以及大量实验，将抗拉强度高、弹性模量分布合理且截面不规则的不同长度不同粒径纤维材料掺杂在一起，并经过表面活性处理；将优选弹性性能强的橡胶材料进行破碎后再进行球化处理，最终与处理的纤维材料复配，研制成弹塑性材料MFR。该材料与水泥浆配伍良好,能很好地分散到水泥浆体系中,对水泥浆体系的流变性基本没有影响，基本性能见表1。

1.2 弹塑性评价

使用美国千德乐公司的CHANDLER 5265U机械性能测定仪对弹塑性水泥石进行了力学评价，结果见表2。从表2可以发现，加有MFR材料的水泥石比常规水泥石的泊松比、抗折强度分别提高了7.7%和44.8%，而弹性模量降低了27.2%，说明加有MFR的水泥石具有良好的弹塑性。

表1 MFR水泥浆体系的基本性能统计表

表2 MFR弹塑性水泥体系综合力学性能统计表

此外采用德国Toni高精密抗折试验机进行弹塑性水泥石韧性评价。从测试结果可以看出，加入MFR对水泥石起裂强度影响不大，在载荷150 N左右，但是对后期裂纹扩展影响较大。图1为原浆抗折试验曲线，消除自由挠度后的实际加载挠度仅为0.3 mm时，试件断裂，且峰值小于250 N，后期无假塑裂纹扩展，充分反映了原浆在起裂后裂纹的快速扩展过程，以及原浆的脆性。对比图2可以发现，MFR水泥石在裂纹扩展过程中挠度大、载荷高，水泥石的增韧止裂效果比较明显。

图1 原浆挠度-载荷曲线图

图2 MFR弹塑性水泥浆挠度-载荷曲线图

弯曲韧性系数（JCI-SF4）是对水泥石柔性的评价系数，该数值越高，水泥石柔性、抗弯曲性能越好。本文同时采用JCI-SF4进行论证，实验数据见表3。从表3解释结果看，弹塑性水泥石柔性明显要好于常规水泥石柔性。

表3 常规水泥浆与弹塑性水泥浆的弯曲韧性系数表

通过以上3种方法对MFR弹塑性水泥石的力学评价，均说明MFR水泥浆具有较好的弹塑性。

1.3 弹塑性材料MFR加量优化

依据《GB/T19139-2012油井水泥试验方法》，开展了水泥浆基本性能的评价，通过改变加量，对水泥浆体系进行了流变、失水、强度等进行了调配与评价。经过大量优选实验后,确定最佳的弹性粒子MFR掺量1%～3%。其水泥浆综合性能见表4。从表4中数据可以看出：在4%～6%的MFR加量能够控制保持浆体良好的流变性和适宜的水泥石抗压强度。

表4 55℃实验条件基本性能统计表

2 作用机理分析

弹塑性材料MFR加入油井水泥浆后，能够无序、均匀地分散在水泥浆体中，充分搅拌后的稠化过程中MFR均匀分布并填充于C-H-S固体凝胶间。当水泥石受冲击力作用时，在水泥石骨架空间的MFR材料起缓冲作用并吸收部分能量，从而减少冲击力对水泥石的破坏，达到提高水泥石的抗冲击性能。同时MFR能在水泥石中形成柔韧网络，贯穿于水泥石空间的骨架中的空隙和裂缝，并牢固地结合在一起，与水泥互相取长补短，形成具有结构密闭性能优良的弹性复合体。纤维材料在水泥中产生了“梁”的作用，当水泥石受到外力作用时，纤维作为“加强筋”改善水泥石力学形变能力；根据夹杂第二相桥联原理中Bucknall的多重银纹理论，在水泥基体中引入的球形橡胶颗粒相当于“缓冲器”和“变向器”，可以起到应力集中点的作用，在受到冲击载荷作用时，引发粒子周围的基体产生大量银纹，使大量能量得以充分耗散，从而降低了水泥石的脆性。防止水泥石早期微裂纹的产生和拓展，从而提高水泥环的抗拉强度、抗冲击性能，并且减少射孔时微裂纹的数量。

3 弹塑性水泥浆体系综合性能评价

通过室内实验,优选出了弹塑性水泥浆配方及配套的外加剂，综合性能良好，见表5和图3。

表5 弹塑性水泥浆体系综合性能统计表（水泥浆密度1.88 g/cm3，实验温度55℃）

图3 弹塑性水泥浆体系稠化曲线图

4 实例应用

HH73P92是鄂南油田部署的一口评价水平井，采用二级井身结构，φ244.5 mm表层套管下至井深350 m，φ139.7 mm油层套管下至井深3 559 m。封固裸眼段长3 209 m，水平段970 m，套管下入难度大；地层压力体系变化大，在罗汉洞组、直罗组、延长组多次发生漏失；水平段钻遇两处裂隙，分别为井段3 060～30 69 m及井段3 560～3 561 m裂缝发育，施工中漏失风险大。

4.1 固井主要技术措施

1）通井过程中要大排量洗井，要求排量不小于30 L/s，并进行分段循环钻井液，水平段及大斜度井段每200 m循环钻井液一周，确保循环井眼干净，振动筛上无岩屑。

2）为降低下套管摩阻，要求通井结束起钻前在水平及大斜度井段钻井液中加入润滑材料或者2%的玻璃微珠，提高润滑性能，降低下套管摩阻，使摩阻系数降至0.05。

3）下套管前通井过程中做承压试验，承压1.5 MPa，稳压10 min，压降0.1 MPa。

4）严格安放扶正器，以确保套管顺利下到位和提高套管居中度。

5）固井施工前降低钻井液黏度和动切力，并注入6～8 m3前置冲洗液，以有效地冲洗泥饼隔离钻井液，提高水泥浆的顶替效率，确保固井质量。

6）为更好防止井漏，本井采用冲洗液注完后先注10 m3密度1.28 g/cm3的冲洗浆。

7）采用“双凝”水泥浆体系，即低密度领浆与弹塑性尾浆，压稳地层，而不压漏地层。

8）注浆过程中先以不超过地层承压能力为上限逐渐增大排量，后期逐渐降低排量直至碰压。这样既满足固井返高的要求，同时能尽可能防止注浆期间的漏失。

4.2 现场施工及固井质量

该井生产套管固井施工共注入弹塑性水泥浆33 m3，平均密度为1.88 g/cm3，领浆65 m3，平均密度为1.35 g/cm3。替浆至39 m3时井口失返，碰压20 MPa，回压凡尔关闭良好，关井候凝，候凝期满后环空无气窜。候凝48 h后变密度检测固井质量，尾桨封固井段2 350～3 561 m固井质量良好。水平段采用射孔、分段压裂，共压裂12段。该井投产6个月后未见窜流现象，表明水泥石完整性良好。

5 结论

1）弹性材料MFR加入使水泥石具有良好的弹塑性，合理加量区间介于1%～3%。

2）研制的弹塑性水泥浆体系，弹性模量适当，能明显增加水泥石的弹性，抗折强度高（断裂韧性增加44.8%），且各项性能指标均满足水平井固井技术要求。

3）弹塑性水泥浆体系在鄂南HH73P92井成功应用，证实该体系能够满足鄂南致密砂岩储层水平井固井要求，为大型压裂提供技术保障。

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（修改回稿日期 2016-08-11 编辑 景岷雪）

国家重大专项“低丰度致密低渗油气藏开发关键技术”（编号：2016ZX05048）。

杨大足，1980年生，工程师；主要从事钻井工艺研究工作。地址：（450000）河南省郑州市中原区陇海西路199号。电话：（0371）86002177。E-mail:ydz432800@126.com