低摩阻水泥浆在长庆气田桃2 区块长水平段固井中的应用

付雄涛，罗延庆，杨晓龙，刘 云

（1.中国石油集团川庆钻探工程有限公司长庆固井公司，陕西西安 710018；2.中国石油长庆油田苏里格气田开发分公司，内蒙古鄂尔多斯 017300；3.西安长立油气工程技术服务有限公司，陕西西安 710065）

长庆苏里格气田是典型的“三低”气田，为提高开发效益，越来越普及水平井开采技术。水平井在低孔低渗、非常规油气藏中应用效果良好，较长的水平段与油气层接触面积广，能大大提高采收率[1]。近年来，随着钻井技术的提升，水平段长度越来越长。苏里格区域水平井主要为三开结构：一开Φ346.0 mm 钻头+Φ273.0 mm表层套管；二开Φ222.2 mm/215.9 mm 钻头+Φ177.8 mm技术套管；三开Φ152.4 mm 钻头+Φ114.3 mm 生产套管。技术套管一般下至水平段入窗点，部分井技术套管封固易漏层，下至石千峰组。水平段固井采用一次上返，水泥返至技术套管内800 m 以上，水平段固井主要使用低弹模高强韧性水泥浆体系以满足高强度压裂改造需求。2020 年苏里格区域部署的桃2-H 井，水平段长4 466 m，创造了区域最长水平段记录，但在固井施工中出现了失返性漏失。为了保证长水平段一次上返成功，上部井段采用低密度水泥浆体系降低施工压力，保证水泥返高。常用的低密度水泥浆体系耐压性能差，经过井底高压后颗粒破碎、密度升高、流动度变差、范宁摩阻系数变大，导致实际施工压力高出理论施工压力，甚至造成漏失发生。

1 普通低密度水泥浆体系

1.1 水泥浆体系类型及对比

目前常用的低密度水泥浆体系减轻材料种类较多，主要包括玻璃微珠、珍珠岩、粉煤灰等。不同的减轻材料来源不同，性能差异较大，所配制的水泥浆体系都有一定的密度限制。珍珠岩属于火山玻璃质熔岩，属富含SiO2的酸性岩类，密度一般为2.40 g/cm3，堆积密度为0.10～0.20 g/cm3，孔隙间可吸存比自质量重5～6 倍的水分。这类减轻材料耐压能力有限，通常压力超过20 MPa 就会出现大量破碎，致使实际水泥浆体系密度明显增加，无法满足一些高压易漏井的要求。粉煤灰作为一种来源广、成本低，且具有潜在活性的减轻材料，具有较好的应用价值。其形状各不相同，粒径大小不等，一般在0.5～300.0 μm，堆积密度为1.00～1.80 g/cm3，真密度为2.00～2.60 g/cm3，其配制的水泥浆体系密度一般在1.50～1.55 g/cm3，难以获得密度再低的水泥浆体系。玻璃微珠是一种人造的空心微珠，其真密度在0.20～0.60 g/cm3，粒径在2.0～130.0 μm，具有质量轻、抗压强度高、流动性好等特点。其优点是可人为控制密度，制备性能优良的超低密度水泥浆体系，耐压程度可通过工艺控制，制备出耐压程度很强的空心微珠，从而满足高压复杂地层的固井需求。其缺点是成本很高，在低成本开采模式下不利于其推广应用[2]。

实验主要通过增压稠化仪来测试对比常用水泥浆体系的耐压能力。具体做法是：配制低密度水泥浆体系测定初始密度，在增压稠化仪内加压至一定压力并保持恒定压力30 min，再取出浆杯测试加压后水泥浆体系的密度，减轻剂含有一定的空心材料，存在随压力增加水泥浆体系密度增大的情况，水泥浆体系前后密度差反映出水泥浆体系的破碎率高低。实验中对常用的低密度水泥浆体系加压40 MPa，测试结果见表1。

表1 不同水泥浆体系加压40 MPa 后密度变化

由表1 可知，常用的膨胀珍珠岩类低密度水泥浆体系在经过井底高压后，体系密度明显增加。破碎的膨胀珍珠岩内空气被释放出来，在顶替运移过程中发生气体滑脱效应[3]，带动轻质膨胀珍珠岩碎屑运移，易在环空发生聚集堵塞，施工压力增大。粉煤灰体系虽然具有很好的耐压性能，但可配制的水泥浆体系密度有限，在易漏区块、超深井中使用存在一定缺陷。

1.2 低密度水泥浆体系的应用情况

目前轻珠体系和粉煤灰体系都在苏里格区域水平段固井中有所使用。通过统计分析，裸眼尺寸按钻头扩大6%，基本与实际环容相符，碰压排量一般为8 L/s，Φ177.8 mm 技术套管壁厚为9.19 mm，Φ114.3 mm 生产套管壁厚为7.37 mm，根据水泥浆体系流变参数计算范宁摩阻系数[4]，进而计算理论施工压力。选取使用轻珠体系的靖27-81H1、双24-76H2 和使用粉煤灰体系的苏东40-26H2、苏东17-43H2 四口水平井进行对比分析，其实际施工情况见表2。

表2 四口水平井施工情况统计

从表2 可以看出，轻珠体系施工摩阻明显要高于粉煤灰体系，这与膨胀珍珠岩类材料耐压性差的结果是一致的。理想的低密度水泥浆体系要具备密度低、浆体稳定、耐压性好、摩阻低等特点。

2 低摩阻水泥浆体系评价

通过筛选评价，以实芯的超细粉体为主要材料的次纳米硅复合材料具有较高抗压强度。该材料主要以粒径尺寸不同的超细矿渣、超细微硅、粉煤灰、珍珠岩等复配，加以合适的激活剂，有效控制水化速度，对粉煤灰和矿渣进一步激活，更好的提高体系的结构强度。通过室内大量的实验筛选，调配出密度为1.40 g/cm3的低摩阻水泥浆体系，稠化时间可调。配方为：35%G 级水泥+40%次纳米硅+25%粉煤灰+6%微硅+2%降失水剂+0.8%缓凝剂，水固比0.9。

2.1 低摩阻水泥浆体系耐压性能实验

针对低摩阻水泥浆体系，在不同的压力下进行测试，结果见表3，可以看出该体系超过50 MPa 后破碎率基本不再增加，密度增加值保持在0.04 g/cm3，在深井中使用仍具有较好的耐压性能。

表3 低摩阻水泥浆体系不同压力下密度变化

2.2 低摩阻水泥浆体系流变性能实验

通过六速旋转黏度计测量低摩阻水泥浆体系在常温和井底高温下的流变参数，结果见表4。由表4数据可以看出，低摩阻水泥浆体系经过高温后仍然具有较小的稠度系数，浆体具有较好的流动性和稳定性。

表4 低摩阻水泥浆体系流变参数

2.3 低摩阻水泥浆体系综合性能评价

室内对低摩阻水泥浆体系沉降稳定性、抗压强度、游离液等进行测试，并根据流变参数计算出不同低密度水泥浆体系的范宁摩阻系数，见表5。由表5 可知，低摩阻水泥浆体系流动性好，具有较小的范宁摩阻系数。

表5 不同低密度水泥浆体系的综合性能对比

3 现场应用

桃2-H 井位于内蒙古自治区鄂尔多斯市乌审旗苏力德苏木，为常规三开结构水平井，水平段长度3 931 m，垂深3 190.5 m。二开Φ177.8 mm 技术套管，壁厚9.19 mm 套管下深2 998.73 m，壁厚10.36 mm 套管下深3 430.00 m；三开Φ114.3 mm 生产套管，壁厚8.56 mm 下深7 371.54 m。完钻钻井液密度1.35 g/cm3。固井施工注前置隔离液4 m3，注1.40 g/cm3的低摩阻水泥浆体系11 m3，注1.80 g/cm3的常规密度中浆18 m3，注1.85 g/cm3的常规密度尾浆25 m3，驱替量54.8 m3碰压，压力0～18～25 MPa，碰压前排量8 L/s。测三样水泥返高2 421 m，固井质量合格。

通过反推计算出各水泥浆体系的实际封固段和实际摩阻压力，由各流体的流变参数计算出理论摩阻压力，结果见表6。

表6 桃2-H 井摩阻压力对比

与其他水泥浆体系相比，在裸眼段加长的情况下，应用低摩阻水泥浆体系，实际施工压力下降5～6 MPa，由表6 可以看出，理论摩阻压力6.8 MPa，与反推实际摩阻压力接近，说明水泥浆体系相对稳定，在井底高压后性能变化不大。

4 结论

（1）通过对比分析发现，常用的低密度水泥浆体系经井底高压后密度普遍增高，施工摩阻变大，膨胀珍珠岩类低密度水泥浆体系更为明显。

（2）通过筛选评价，调配以次纳米硅复合材料为减轻剂的低摩阻水泥浆体系，耐压性好、摩阻低，具有较好的流动性。

（3）低摩阻水泥浆体系在桃2-H 井长水平段固井中使用，实际施工压力下降5～6 MPa，理论摩阻压力与实际接近，有效控制施工起压压力18 MPa，固井质量合格，为后期长水平段固井施工提供参考基础。