苏里格气田水平段泥页岩对水泥浆性能影响评价

董志明， 曾 勇， 王海平

中国石油川庆钻探工程有限公司长庆固井公司

0 引言

苏里格气田上古生界气藏水平井全部采用Ø152.4 mm钻头下Ø114.3 mm生产套管完井，环空间隙19 mm，储层岩性不连续，含多段泥岩，为了提高长水平段钻遇率，需要穿越泥岩。当水平段内存在多段或连续长段泥页岩时，固井施工泵压普遍增高，易发生施工复杂事故。水平段套管试验固井到现在，发生多起固井施工泵压偏高的现象。

2020～2022年已完成了464口气水平井固井施工，发生了2起因施工泵压异常留长段水泥塞的固井工程复杂现象。为解决上述技术难题，通过对泥页岩的岩性和泥页岩对固井水泥浆性能影响研究，分析导致固井施工压力异常原因，形成泥页岩对水泥浆体系性能影响机理，制定相应的配套工艺技术[1- 5]，保证施工安全。

1 苏里格气田水平段泥页岩岩性研究

1.1 苏里格气田地质构造特征分析

目前苏里格区块气水平井主要采取的是三开井深结构，在钻井过程中，位于大斜度井段的山西组、太原组及本溪组的碳质泥岩和多套煤层的稳定性差，甚至在下古马家沟组、上古石盒子地层也钻遇碳质泥岩，容易发生井壁垮塌；在固井施工过程中，由于碳质泥岩井段微裂缝发育，脆而坚硬，易发生垮塌，固井施工时泵压普遍增高，易发生施工复杂事故。

1.2 苏里格气田泥页岩理化特性

泥页岩的结构、组成决定其物理化学性质，并对钻、固井过程中井壁稳定性产生很大影响。尤其是具有大量膨胀性黏土矿物的泥页岩地层发生的水化作用，不仅会影响地层孔隙压力，还会造成岩石强度的降低，增加井壁失稳的风险。研究泥页岩的组成和理化性能能够从理论上增加对泥页岩水化的认识，有助于研究泥页岩水化对岩石力学性能造成的影响，有助于从机理上把握泥页岩水化对井壁稳定性产生的影响。

1.2.1 泥页岩矿物组成定性分析

通过对黏土自然片、乙二醇饱和片、高温片与盐酸片的XRD谱图进行比对，进而定性分析泥页岩中黏土矿物的种类，结果表明，泥页岩中黏土的主要组成为高岭石(K)、伊利石(It)、绿泥石(C)、绿蒙间层(C/S)及伊蒙间层(I/S)黏土矿物,见图1。

图1 黏土自然片、乙二醇饱和片、高温片和盐酸片的XRD谱图对比

1.2.2 泥页岩黏土矿物定量分析

利用黏土矿物特征峰的D值，鉴定黏土矿物的类型，利用出现矿物对应的衍射峰强度，定量分析黏土矿物的相对含量,见表1。

表1 泥页岩黏土矿物相对含量

从黏土矿物组成可知，所取样的泥页岩黏土中不含蒙脱石，主要以高岭石为主，平均含量为40.47%，其晶间结构比较松，在流体的冲刷下容易随流体移动，堵塞、分割孔隙和喉道，是重要的速敏矿物。绿泥石一般可由蒙脱石转化而来，遇矿化度低的淡水易膨胀，有较强的吸水膨胀率，同时发育一定程度水敏性伊蒙间层，具有一定的水敏性，平均含量约为29.07%。矿物组分对页岩地层井壁稳定影响很大，尤其钻井液、水泥浆与黏土矿物接触后会发生复杂的物理化学反应，导致页岩地层物性变化，从而影响井壁稳定性。

1.2.3 苏里格气田泥页岩微观结构

通过环境扫描电镜(SEM)观察研究岩石内部微裂缝等微观结构。

由图2可以看出，呈书页状、蠕虫状存在的高岭石，其晶间结构比较松，在流体的冲刷下容易随流体移动，堵塞、分割孔隙和喉道，尤其在细小喉道中，影响很大，是重要的速敏矿物。呈绒球状、玫瑰花状的绿泥石一般由蒙脱石转化而来，遇矿化度低的淡水等发生膨胀，易堵塞空隙，有较强的水敏性。呈叶片状、丝发状的伊利石，容易被水冲移，堵塞孔隙和喉道。

图2 黏土矿物扫描电镜

2 泥页岩对固井水泥浆性能影响研究

苏里格气田上古生界气藏水平井全部采用Ø152.4 mm钻头下Ø114.3 mm生产套管完井，环空间隙19 mm，储层岩性不连续，含多段泥岩，为了提高长水平段钻遇率，需要穿越泥岩。泥页岩地层自身的特性容易造成井壁的不稳定，不同的黏土矿物含量、孔隙度、非黏土矿物以及不同的岩石具有不同的物理化学性能。泥页岩地层易水化膨胀，呈现出地层造浆能力强、膨胀率大和分散度高的特点。钻井过程所钻地层近70%均为泥页岩，泥页岩地层造成高达90%的井壁失稳，固井水泥浆在经过泥页岩段，存在一定程度上井壁失稳的潜在危险，造成固井质量不合格的问题。

2.1 水平井施工数据统计

在固井施工过程中，碳质泥岩微裂缝发育，脆而坚硬，易发生垮塌。2020～2022年完成了464口气水平井固井施工，发生了两起因施工泵压异常留长段水泥塞的固井工程复杂现象，且固井施工时泵压普遍增高，这就决定了科学评价泥页岩对水泥浆性能造成的影响，对于减少异常泵压、杜绝留塞，实现“安全、优质”固井具有非常重要的意义。Y32-X和SD014-X顶替后期均发生压力异常，分析其原因在于：

(1)井眼环空沉砂清扫不彻底，水泥浆携砂能力强，导致压力异常环空堵塞。

(2)水平段有大段泥岩段，泥岩段井壁失稳垮塌，固井施工过程存在环空憋堵，压力异常。

由表2、表3可知，在统计的278口水平井中，终了施工压力20～25 MPa占比10.79%，25～30 MPa占比74.10%，30～35 MPa占比15.11%，且水平段长度越长，施工压力越高；水平井终了施工压力大于25 MPa占比89.21%，相较于常规井终了施工压力大于25 MPa占比70.65%，高出18.56%其原因在于受水平段摩阻增大的影响。

表2 2020～2022年部分水平井施工数据统计

表3 水平井与常规井压力对比统计

2.2 泥页岩对水泥浆性能的影响

想要提高固井质量，防止气、水发生窜槽,必须满足[6- 9]：①水泥浆体系必须达到零游离液以保证环空上端没有积水带产生；②水泥浆失水必须控制在50 mL/30 min以内；③水泥浆必须有很好的沉降稳定性。

经过大量室内试验研究分析，完成适应泥页岩组份的水泥浆体系调配，水泥浆稠化时间可调且满足排量300 L/min条件下的施工安全，优选出高强韧性水泥浆体系。室内评价各项性能符合施工要求。

2.2.1 泥页岩对稠化时间、抗压强度的影响

为了进一步考察泥页岩对水泥浆性能的影响，室内研究了稠化时间和抗压强度受泥页岩的影响规律见图3、图4。

图3 泥页岩对稠化时间的影响规律

图4 24 h、48 h抗压强度影响规律

通过实验发现：

(1)泥页岩能明显缩短水泥浆的稠化时间，缩幅在4.9%～14.1%，在泥页岩加量至1%时，变化幅度趋于稳定；因此在含泥页岩段水平井施工时，会给固井施工产生一定的风险性。

(2)九G体系相比于青G、尧G体系，稠化时间受泥页岩的影响较大。

(3)在一定条件下，随泥页岩含量的增加，该水泥浆体系的抗压强度也随之升高，24 h的强度增幅达2.1%～15.4%，48 h的强度增幅达2.6%～11.3%；抗压强度在泥页岩1%加量下，基本达到最大值。

(4)针对不同水泥浆体系，泥页岩对九G体系抗压强度正增益最大。

2.2.2 泥页岩对水泥浆摩阻的影响

本文使用旋转黏度计测出的流变数计算水泥浆在套管和同心环空内的压降与流态。对于环空流，常用两套公式，一套是管近似法，适用于具有低直径比da/Da(da和Da分别为环空比的内径与外径)的环空；另一套是窄缝近似法，适用于直径比大于0.3的环空。

对于水平井水泥浆的平均流速与体积流量之间的关系：

环空流：

(1)

(2)

式中：v—流体平均流速，m/s;q—体积流量，m3/s;Da—环空外径，m;da—环空内径，m。

摩阻压力梯度Δp/L需要通过雷诺数Re和摩阻系数f进行计算：

(3)

式中：Δp/L—摩阻压力梯度，Pa/m；Δp—摩阻压力，Pa；L—套管或环空长度，m；ρ—流体密度，kg/m3；f—摩阻系数，壁上的剪切应力与单位体积的动能之比。

窄缝近似法—环空流：

(4)

式中：Repl—幂率流体雷诺数；n—幂率指数；k—稠度系数，Pa·sn。

其中：Repl1=3 250-1 150×n

Repl2=4 150-1 150×n

摩阻系数f可由式(5)计算：

(5)

(6)

从表4可知：

表4 温度及泥页岩对水泥浆流变动摩阻的影响

(1)在相同条件下，摩阻Δp随着井径与套管间隙的减小而逐渐增大，增加幅度约为66.8%～73.5%；且摩阻Δp随着温度的增加而下降，降低幅度约为7.0%～35.6%。

(2)针对不同G级水泥，f九G

(3)同等条件下，相比于不含泥页岩水泥浆体系，泥页岩的加入导致流动摩阻发生变化，一般情况下，摩阻系数f增幅4.5%～51.5%，摩阻Δp增幅10.1%～50.9%。

2.2.3 泥页岩与钻井液配伍性实验

实验步骤：将烘干的泥页岩加入钻井液中浸泡2 h，取滤网过滤，将滤饼烘干，研磨，按照1%含量加入水泥浆浆体，测试稠化时间、抗压强度、流变性能参数。

由表5可知，经过钻井液处理的泥页岩水泥浆体系中，稠化时间在泥页岩未浸泡的基础上缩短了29 min，抗压强度稍有增加；但对流变性、摩阻影响较小。

表5 泥页岩对比实验表

2.2.4 泥页岩对水泥浆水化产物的影响

为了进一步探究不同条件下水泥浆水化产物的区别，本研究采用水化热、XRD、SEM等现代测试分析方法对纯水泥、水泥浆体系及含泥页岩水泥浆体系水化产物进行测试，以分析、对比其水化产物的物相种类和微观形貌，如图5，图6，图7。

图5 水化热曲线

图6 XRD谱图

图7 水泥石的SEM照片

三种水泥浆的工作性能差异较小，纯水泥在2 d以前的水化放热量要高于水泥浆体系及泥页岩水泥，之后三者趋于平稳，数值差异较小；从XRD谱图可以看出，三种水泥的水化产物相差不大，并未发生晶体结构的改变，只是峰值稍有不同。相比于纯水泥浆体系水泥石，随着添加剂的加入，对水泥石抗压强度起决定性作用的硫铝酸钙(AFm)和硅酸钙凝胶(CSH)的峰强减小，表明含量降低；未水化的硅酸三钙和硅酸二钙含量明显减少，说明体系中的泥页岩和添加剂吸组分与水泥颗粒发生了反应，促进了水泥熟料的晶核形成和长大，这是导致水泥浆中体系水泥浆抗压强度大幅度增加的主要原因之一。

泥页岩水泥石的SEM说明：存在大量无定型的水化C-S-H凝胶(占水化产物的70%以上)，及晶型较好，呈六方板状的CH(占水化产物的20%左右，此外，相较于纯水泥而言，基体表面更为致密，生成了大量粒径小于1 μm白色颗粒状物。

利用扫描电镜(SEM)对比分析了泥页岩对水泥石的微观结构的影响，含泥页岩水泥石的主要产物是六方板状的Ca(OH)2晶体和柱状钙钒石晶体以及各型的C-S-H凝胶，结构致密，各种产物交错生长。而从图(a)、(b)中可以看出，纯水泥和体系水泥浆水泥石中的Ca(OH)2晶体和针状钙钒石晶体比例较少，多见C-S-H凝胶及及其他杂质，这也说明泥页岩促进了水泥石强度的增加。

3 结论

(1)所取泥页岩以速敏矿物高岭石(40.47%)为主，同时含一定量水敏性的绿泥石和伊蒙间层(29.07%)，液相易侵入微裂缝发育泥页岩地层，造成水化膨胀掉块。

(2)在一定条件下泥页岩可明显缩短固井水泥浆稠化时间，缩幅在4.9%～14.1%，且在一般情况下导致水泥浆流动摩阻发生变化，摩阻系数f增幅4.5%～51.5%，摩阻Δp增幅10.1%～50.9%。

(3)在含大量泥页岩段的固井施工中，可选用离子抑制剂为前置液以减少泥页岩水化膨胀，并适当延长水泥浆体系稠化时间，控制顶替排量，减少异常泵压、杜绝留塞，实现“安全、优质”固井。