威远页岩气水平井高密度防窜水泥浆固井技术

张顺平， 张森， 覃毅， 丁志伟， 靳建洲， 徐明， 于永金（.中国石油集团钻井工程技术研究院，北京006；.中国石油集团长城钻探工程有限公司固井公司，辽宁盘锦400；.中国石油集团渤海钻探工程有限公司第一固井分公司，河北任丘0655）

张顺平等.威远页岩气水平井高密度防窜水泥浆固井技术[J].钻井液与完井液，2016，33（1）：63-67.



威远页岩气水平井高密度防窜水泥浆固井技术

张顺平1， 张森2， 覃毅3， 丁志伟1， 靳建洲1， 徐明1， 于永金1
（1.中国石油集团钻井工程技术研究院，北京102206；2.中国石油集团长城钻探工程有限公司固井公司，辽宁盘锦124010；3.中国石油集团渤海钻探工程有限公司第一固井分公司，河北任丘062552）

张顺平等.威远页岩气水平井高密度防窜水泥浆固井技术[J].钻井液与完井液，2016，33（1）：63-67.

摘要威远地区页岩气井固井存在地层压力高、水泥封固段长、顶底温差大、后期需要进行高能射孔完井和多级压裂作业等特点，这些都对水泥浆性能提出了较高的要求。针对这些问题，采用降失水剂DRF-120L、高温缓凝剂DRH-200L、高温稳定剂DRK-3S、胶乳防窜剂DRT-100L和精铁粉研究出了密度范围为2.20～2.40 g/cm3的高密度防窜水泥浆体系。研究结果表明，该水泥浆体系具有稳定性好（上下密度差为0）、流动性好、无游离液、失水量低（小于50 mL）、弹性模量低（小于7 GPa）、抗压强度适中和防窜能力强 （过渡时间均小于10 min，SPN值均为1.47～1.80）等特点，其各项性能指标达到了川南地区页岩气井的固井要求。截至2015年3月底，该体系已在威远地区应用了13口井，截至2015年6月底，在已进行电测的6口井中，4口井优质，2口井合格，固井质量均较好。

关键词页岩气水平井；固井；胶乳高密度防窜水泥浆；威远地区

Anti-channeling High Density Cement Slurry Technology for Horizontal Shale Gas Well in Weiyuan

ZHANG Shunping1, ZHANG Sen2, QIN Yi3, DING Zhiwei1, JIN Jianzhou1, XU Ming1, YU Yongjin1
(1. CNPC Drilling Research Institute, Beijing 102206,China; 2. Cementing Branch of CNPC Greatwall Drilling Company, Panjin Liaoning 124010,China; 3. The First Cementing Branch of CNPC Bohai Drilling Engineering Company Ltd.,Renqiu Hebei 062552,China)

Abstract High formation pressures, long cementing hole sections, big temperature differences between surface and bottom hole, and high energy perforation and multi-stage fracturing in later period prevail in well cementing jobs in Weiyuan area where shale gas wells have been drilled. A high density anti-channeling cement slurry is developed to solve these problems. The cement slurry is formulated with filter loss reducer DRF-2120L, high temperature retarder DRH-200L, high temperature stabilizer DRK-3S, latex anti-channeling agent DRT-100L and purified iron powder, with the density ranging in 2.20-2.40 g/cm3. This cement slurry has good stability (density difference between the top and the bottom is zero), good mobility, no free water, low filter loss (< 50 mL), low elastic modulus (< 7 MPa), moderate compressive strength and strong anti-channeling capacity. (transit time < 10 min, SPN = 1.47-1.80), satisfying the needs for shale gas well cementing in south Sichuan. This cement slurry has been applied on 13 wells in Weiyuan till the end of March, 2015. Till the end of June, 2015, 4 wells of the 6 electric-logged wells have been successfully cemented, and the other two cemented up to scratch.

Key words Horizontal shale gas well; Well cementing; High density latex anti-channeling cement slurry; Weiyuan area

由于目前中国能源的严重缺口和防止过度依赖进口，国家能源局和中石油集团公司在西南地区大力开发页岩气资源。威远地区作为首批页岩气国家级示范区，其产能目标为1×109m3/年，完成该目标任务艰巨。其中威202区块和威204区块主要采用水平井钻井和水平储层段大型体积压裂的技术进行页岩气的开采，目的层为龙马溪组。气层采用φ215.9 mm钻头和油基钻井液钻进，钻井液密度达2.10～2.25 g/cm3， 下入φ139.7 mm生产套管固井， 水泥浆领浆密度为2.20～2.40 g/cm3， 水泥浆尾浆密度为1.88～1.92 g/cm3， 水平段长1 000～2 000 m，水泥封固段长3 000～4 500 m，固井难度较大。

1　页岩气井固井技术难点及应对措施

威远地区页岩气水平井固井主要存在以下技术难点：①水平段泥页岩井壁不稳定，易垮塌，引起缩径或埋套管事故。②四开井眼斜度大、水平段长，极易导致套管偏心和下入困难。③井壁和套管壁上的油基钻井液很难替净，严重影响第一、二界面的胶结质量[1]。④地层压力高。龙马溪组地层压力系数达2.0， 安全密度窗口窄， 因此防窜和防漏问题同时存在。⑤对水泥浆性能要求高。高压地层需要采用高密度水泥浆压稳；水泥封固段长、顶底温差大，顶部水泥石强度发展慢，甚至可能会出现“超缓凝”现象[2]；水平段穿越大段泥页岩地层， 要求水泥浆失水量低和析水量为零；页岩气开采前需要进行高能射孔完井和大规模压裂作业， 要求水泥石具有足够的抗冲击能力和柔韧性， 以保证井筒的密封完整性[3]。

针对以上难点提出了如下的应对措施：①优化通井钻具组合，在井眼沉砂多、掉块多的井段、阻卡井段进行短程起下钻，反复拉划通井，通井到底后要求大排量洗井，循环至少2周以上，确保井眼通畅，无沉砂；②调整钻井液性能，确保压稳油气层，无油气上窜，并保证井壁稳定的前提下降低钻井液黏度；③按固井设计要求在指定位置下入足够数量的扶正器，确保套管偏心度小于67%；④采用高密度驱油前置液，压稳地层，防止井壁失稳，提高对油基钻井液的冲洗顶替效率；⑤采用双凝双密度水泥浆技术，领浆采用高密度防窜增韧水泥浆以压稳地层和防止气窜，尾浆采用高强低模弹性水泥浆以满足后期高能射孔、大型体积压裂和长期安全开采的需求；⑥施工结束，在环空进行憋压候凝，以防止尾浆在终凝后，领浆压不住地层，从而发生环空窜流；⑦配套高压力级别固井装备，确保注水泥施工连续，水泥浆密度均匀，注水泥浆排量符合设计要求。

2　高密度防窜水泥浆体系研究

2.1 水泥浆配方

针对威远地区页岩气井生产套管固井水泥封固段长、 顶底温差大、 地层压力高、 界面胶结质量差等难题， 结合不同粒径的油井水泥（粒径为0.053～0.270 mm）、 微硅（粒径为0.005～0.006 mm）、 精铁粉（粒径为0.100～0.355 mm）等粉体材料， 采用降失水剂DRF-120L、 高温缓凝剂DRH-200L、 高温稳定剂DRK-3S以及胶乳防窜剂DRT-100L等外加剂对水泥浆体系配方进行合理设计，最终研究出一套适用于威远地区页岩气井固井的高密度防窜水泥浆体系，配方如下。

夹江G级水泥+（65%～105%）精铁粉+（5%～7%）微硅+（2%～2.5%）DRF-120L+（2.3%～2.5%）DRH-200L+（0.9%～1.2%）DRK-3S+（1.0%～1.3%）DRS-1S+10%DRT-100L+1.5%DRT-100LT+0.5% DRX-1L+0.5%DRX-2L， 密度为2.20～2.40 g/cm3

2.2 水泥浆常规性能评价

2.2.1 稳定性和游离液性能

由于高密度水泥浆中各材料间的密度存在较大差异，易产生轻质材料上浮、重质材料下沉的现象，水泥浆体系难稳定， 易堵塞环空通道， 影响固井质量甚至引发固井事故。水平井固井时游离液在水平段的上部贴近井壁处聚集， 形成一条水带， 成为油气窜流的通道， 不利于井筒的密封和防窜。同时，由于目的层龙马溪组大都是泥页岩， 遇水易水化膨胀甚至坍塌。因此， 页岩气水平井固井水泥浆的稳定性和游离液量是非常关键的性能参数，必须保证稳定性好和无游离液存在。5组不同配方、不同密度水泥浆的稳定性和游离液性能，如表1所示。

表1　不同配方水泥浆的稳定性

由表1可以看出， 由于水泥浆中含有超细微硅、抗高温稳定剂DRK-3S、 胶乳防窜剂DRT-100L，在3者的综合作用下，提高了水泥浆的稳定性，无游离液出现， 这有利于页岩气水平井固井水泥浆候凝期间的防窜和对井壁的胶结密封。

2.2.2 流变性

随着水泥浆密度增大，水泥浆塑性黏度和动切力随之增大，这与水泥浆外加剂和外掺料相关，包括固相组成、性质、含量，同时也受到温度、压力、搅拌时间的影响[4]。通过分散剂DRS-1S、 降失水剂DRF-120L和缓凝剂DRH-200L的协同作用， 水泥浆高温下的触变性明显减弱、流动性变好，有利于窄环空生产套管固井的注水泥安全。高密度水泥浆在常温和93 ℃下的流变性能参数如表2所示。

表2　不同配方水泥浆的流变性能

由表2可知，密度在2.20～2.40 g/cm3的水泥浆流动性较好，流变性能均满足现场泵注要求；与常温下水泥浆流变性能相比，高温下水泥浆的塑性黏度、动切力、稠度系数减小，流性指数增大，说明水泥浆的流动性变好，触变性减弱，这有利于现场安全注水泥作业。

2.2.3 失水性

DRF-120L为AMPS类共聚物降失水剂，其分子链中含有双羧基基团和刚性链基团，使其在高温下具有较高的控制失水的能力。其适用温度为90～200 ℃，在淡水水泥浆中加量一般为2%～5%，含盐水泥浆中加量一般为4%～6%[5-6]。

胶乳中聚合物胶粒粒径在0.05×10-3～0.50×10-3nm之间， 其能均匀地分散在水泥浆中， 在一定程度上可以起到降低水泥石渗透率和失水量的作用。在水泥浆中引入降失水剂DRF-120L和胶乳DRT-100L，加上微硅等超细材料的紧密堆积效应，可以将水泥浆的API失水量控制在50 mL以内。该高密度水泥浆的失水性能如图1所示。图1表明，5组水泥浆在93和120 ℃下的API失水量均小于50 mL，满足页岩气水平井固井对水泥浆的低失水要求。

图1　不同配方水泥浆分别在93和120 ℃下的API失水性能

2.2.4 稠化时间

DRH-200L为抗高温缓凝剂， 其使用温度超过180 ℃。采用DRH-200L配制的高密度防窜水泥浆体系稠化时间在较宽温度范围内可调。图2为3#配方水泥浆在120 ℃、 75 MPa、 60 min下的稠化时间曲线。图3为100、 120、 140 ℃下，DRH-200L对3#配方高密度防窜水泥浆的稠化时间影响规律曲线。

图2　3#配方水泥浆在120 ℃下的稠化时间曲线

图3　不同温度下DRH-200L加量对3#配方水泥浆稠化时间的影响

由图2、 图3可知， 该高密度防窜水泥浆的稠化时间曲线呈 “直角” 稠化， 有利于防窜； 随着缓凝剂DRH-200L加量的增加，高密度防窜水泥浆的稠化时间呈线性递增的趋势发展，稠化时间易调节。

2.2.5 防窜性能

通过考察水泥浆的SPN值和静胶凝强度过渡时间，来评价水泥浆的防窜性能，结果如表3所示。图4为4#配方高密度防窜水泥浆90 ℃下的静胶凝强度发展曲线。由表3和图4可知，加入胶乳防窜剂DRT-100L的5组配方水泥浆稠化过渡时间小于10 min，SPN值均小于3，静胶凝强度过渡时间小于40 min，因此该水泥浆体系具有较好的防窜性能。

表3　不同配方水泥浆的SPN值

图4　静胶凝强度发展曲线

2.3 水泥石力学性能

页岩气井后期的开采需要进行射孔完井和大规模的压裂作业，因此对于水泥石的力学性能要求比常规天然气固井水泥石高。通过在水泥浆中加入胶乳防窜剂DRT-100L可以提高水泥石的韧性，使其能够经受住高能射孔弹或大规模压裂带来的冲击。

5组高密度水泥石的抗压强度和弹性模量性能参数见表4。1#配方水泥石养护168 h的三轴应力应变曲线见图5。表4和图5表明， 5组水泥浆配方均可用于温差达90 ℃的长封固段固井，且水泥石顶部（30 ℃）的48 h抗压强度大于14.0 MPa；加了胶乳防窜剂DRT-100L的5组配方水泥石弹性模量均小于7 GPa，即在较大的周向应力作用下具有较高的形变能力，具有较好的韧性。

表4　5组不同配方水泥石的部分力学性能参数

图5　1#配方水泥石养护168 h的三轴应力应变曲线

3　配套固井工艺技术

以威204区块典型井为例，介绍该水泥浆配套固井工艺技术。

1）高效油基冲洗隔离液技术。采用高温悬浮稳定剂DRY-S2、高性能加重剂DRW-2S与油基钻井液冲洗液DRY-200L配制隔离液，其密度为2.25 g/cm3，增加前置液用量，即40 m3，提高冲洗与隔离效果。

2）平衡压力固井技术。即固井前、 固井中、固井后“三压稳”技术。固井前做好承压试验；采用双凝双密度水泥浆技术，即领浆使用密度为2.35 g/cm3的DRT-100L高密度防窜增韧水泥浆，尾浆使用密度为1.92 g/cm3的DRT-100S高强低模弹性水泥浆。既能保证压稳地层，又能解决高密度水泥浆强度发展慢且强度不够高的缺陷。高强度低模弹性水泥浆可以很好地弥补，2 d抗压强度大于30 MPa，弹性模量低于7 GPa。

3）井眼准备技术。下套管前采用“三扶”通井，通井到底大排量循环钻井液2周以上，调整钻井液性能，保证井眼质量。

4）提高套管居中度技术。采用固井软件模拟，合理设计扶正器的种类、数量和安放位置，保证套管居中度大于67%。

5）DRT韧性水泥浆技术。对水泥石进行韧性改造，以提高水泥环的长期力学完整性，保障页岩气井后期的大规模体积压裂和安全生产。

4　现场应用

威204H3-6井三开完钻井深为5 178 m，垂深为3 079 m，水平段长1 800 m，完钻钻井液密度为2.20 g/cm3，采用密度为2.30 g/cm3的DRT-100L胶乳高密度防窜水泥浆作为领浆，密度为1.92 g/cm3常规密度高强度低模弹性水泥浆作为尾浆和密度为2.25 g/cm3的驱油冲洗隔离液的浆柱结构设计。领浆用量为40 m3，尾浆用量为35 m3，领浆设计返高为2 000 m。施工中顺利碰压，后环空憋压8 MPa，憋压24 h。测井结果表明，全井固井质量合格率为97%，优质率为78%，水平段合格率为100%。

采用相同的水泥浆和冲洗隔离液方案，威204H3-3井全井固井质量合格率为98%，优质率为76%，水平段优质率为100%。

该水泥浆体系已在威远地区成功地应用了13口井，截至2015年6月底，在已进行电测的6口井中，4口井固井质量优质，2口井固井质量合格，固井合格率为100%，取得了良好的经济效益。

5　结果与讨论

1.DRT-100L胶乳高密度防窜水泥浆体系稳定，流动性好，析水量为零，API失水量小于50 mL，稠化时间易调节。

2.DRT-100L胶乳高密度防窜水泥石顶部强度发展快，抗压强度适中，弹性模量低于7 GPa，力学性能满足页岩气井固井要求。

3.DRT-100L胶乳高密度防窜水泥浆稠化过渡时间小于10 min，SPN值均小于3，静胶凝强度过渡时间小于40 min，强度发展快，防窜效果较好。

4.DRT-100L胶乳高密度防窜水泥浆体系与常规密度高强低模弹性水泥浆体系、高效油基冲洗隔离液技术和其他配套的固井工艺技术在威远区块页岩气井固井中配合使用取得了良好的效果，测井结果表明：采用该套固井技术的井，固井质量均较好，达到了页岩气井固井高要求的目标。

参 考 文 献

[1]崔思华，班凡生，袁光杰.页岩气钻完井技术现状及难点分析[J].天然气工业，2011，31（4）：72-75. Cui Sihua， Ban Fansheng， Yuan Guangjie. Status quo and challenges of global shale gas drilling and completion[J]. Natural Gas Industry，2011，31（4）：72-75.

[2]瞿佳.大温差超高密度水泥浆固井技术研究与应用[J].钻井工艺，2012，35（3）：17-20. Qu Jia. Research and application on big-temperaturedifference high-density cement slurry cementing technology[J]. Drilling & Production Technology，2012，35（3）：17-20.

[3]陶谦，丁士东，刘伟，等.页岩气井固井水泥浆体系研究[J].石油机械，2011，39（S0）：17-19. Tao Qian，Ding Shidong，Liu Wei，et al.Research on shale gas well cementing slurry system[J].China Petroleum Machinery，2011，39（S0）：17-19.

[4]严海兵， 张成金， 冷永红.精铁矿粉加重水泥浆体系研究与应用[J].钻井液与完井液，2009，26（6）：43-46. Yan Haibing，Zhang Chengjin，Leng Yonghong. Research and application on pure iron-ore-powder high-density cement slurry system[J].Drilling Fluid & Completion Fluid，2009，26（6）：43-46.

[5]于永金，刘硕琼，刘丽雯，等.高温水泥浆降失水剂DRF-120L的制备及评价[J].石油钻采工艺，2011，33 （3）：24-27. Yu Yongjin，Liu Shuoqiong，Liu Liwen，et al. Preparation and evaluantion of high temperature cement slurry loss reduction additive DRF-120L[J]. Drilling & Production Technology，2011，33（3）：24-27.

[6]齐奉忠， 刘爱平， 袁进平，等.柴达木盆地北缘断块带高密度防窜水泥浆固井技术研究与应用[J].钻采工艺，2002，25（3）：8-11. Qi Fengzhong，Liu Aiping，Yuan Jinping，et al. Research and application on high density anti channeling cement slurry cementing technology in northern qaidam basin fault block[J]. Drilling & Production Technology，2002，25（3）：8-11.

收稿日期（2015-6-19；HGF=1506M2；编辑 马倩芸）

作者简介：第一张顺平， 助理工程师， 1985年生， 2013年毕业于西南石油大学材料学院， 获油气田材料与应用专业硕士学位，现在主要从事固井及水泥浆的研究工作。电话 （010）80162263/13980818545；E-mail：1429849021@qq.com。

基金项目：国家重点基础研究发展计划（973计划） 项目“中国南方海相页岩气高效开发的基础研究”课题3“页岩气水平井钻完井关键基础研究”（2013CB228003）。

doi:10.3696/j.issn.1001-5620.2016.01.013

中图分类号：TE256.6

文献标识码：A

文章编号：1001-5620（2016）01-0063-05