塑性膨胀防气窜水泥浆体系研究与应用

郑国生 朱礼平 李群生 周仕明

（1.中国石化天然气工程项目管理部，四川成都 610081；2.中国石化西南油气分公司工程技术研究院，四川德阳 618000；3.中国石化石油工程技术研究院，北京 100101）

塑性膨胀防气窜水泥浆体系研究与应用

郑国生1朱礼平2李群生2周仕明3

（1.中国石化天然气工程项目管理部，四川成都 610081；2.中国石化西南油气分公司工程技术研究院，四川德阳 618000；3.中国石化石油工程技术研究院，北京 100101）

川西高压低渗水平井需压裂完井后投产，对固井水泥浆性能提出了更高的要求。结合川西水平井固井技术需求，通过室内实验优选了膨胀剂、防气窜剂、稳定剂和增塑剂，确定了塑性膨胀防气窜水泥浆体系配方。室内评价结果表明，该体系具有API失水小于30 mL、自由液0 mL、SPN值小于3等性能。XS21-3H等多口水平井油层固井中的成功应用表明，该体系可以满足后期分段压裂投产施工要求。

低渗透气藏；水平井；固井；塑性膨胀水泥浆；防气窜

与常规直井或定向井相比，水平井由于斜井段轨迹影响，普遍存在水平段居中度不高、水泥浆顶替效率差等问题，致使大多数水平井固井质量不甚理想，难以保证长效封固质量，影响着油气井长期安全生产。总体上，影响水平井固井质量因素可概括为固井工艺技术和水泥浆体系两个方面，其中前者可依靠研发新型水平井固井工具或提高施工工艺技术得以解决，而后者只能依靠开发新水泥浆体系来解决。

川西中浅层高压低渗气藏，在前期直井/定向井开发时形成了适合定向井开发的膨胀、KQ/FLOK等系列水泥浆体系，基本满足了川西中浅层气藏勘探开发要求［1-3］。然而，在“十二五”水平井规模开发下，需使用裸眼或套管分段压裂完井投产工艺，对水平井固井质量提出了更高要求，至今还未形成完全适应水平井开发的水泥浆技术。为此，笔者结合川西高压低渗水平井固井技术需求，通过室内实验优选了膨胀剂、防气窜剂、稳定剂和增塑剂，确定了塑性膨胀防气窜水泥浆体系配方［4-8］，并成功应用于XS21-3H等多口水平井油层套管固井中。

1 添加剂优选实验

1.1 膨胀剂

根据常用发气或晶格膨胀剂特点［5］，为满足低渗气藏水平井防气窜要求，通过大量室内实验选用DZP-1作为膨胀剂，其主要成分为硫酸钙，加入后与水泥中铝酸三钙反应生成艾丁依特，产生晶格胀大，可有效弥补水泥石体积收缩。使用HTP-0650型油井水泥膨胀收缩测试仪，在90 ℃、20 MPa条件下测定了配方为嘉华G级水泥（JHG）+水+不同加量膨胀剂DZP-1制备的水泥石膨胀率（表1）。

表1 不同DZP-1加量下水泥石膨胀测试数据

由表1可知，JHG水泥浆在未加入膨胀剂和1%加量下，凝固后水泥石体积收缩率为10.8‰和9.10‰，加入2%膨胀剂DZP-1水泥浆，凝固后水泥石体积膨胀为3.41‰，说明膨胀剂DZP-1可克服水泥浆收缩缺点，使水泥浆具有微膨胀特性。

1.2 防气窜剂和稳定剂

1.2.1 防气窜剂 在膨胀剂选用DZP-1的基础上，根据成膜类非渗透防气窜剂应用效果较好的特点，本实验采用了非渗透防气窜剂FSAM，按不同加量配制了4种水泥浆配方，并测定了其性能参数（表2），其实验配方如下：

1#：JHG+2.0%DZP-1+6.0%FSAM+2.0%分散剂DZS+0.20%缓凝剂DZH+44%德州自来水；

2#：JHG+2.0%DZP-1+7.0%FSAM+2.0%分散剂DZS+0.15%缓凝剂DZH+44%德州自来水；

3#：JHG+2.0%DZP-1+7.0%FSAM+2.2%分散剂DZS+0.17%缓凝剂DZH+44%德州自来水；

4#：JHG+2.0%DZP-1+7.0%FSAM+2.2%分散剂DZS+0.16%缓凝剂DZH+44%德州自来水。

表2 不同FSAM加量水泥浆性能表

从表2可知，JHG水泥浆中加入非渗透防气窜剂FSAM，能有效控制水泥浆API失水小于30 mL，减小水泥浆滤液对储层污染；SPN值小于3，水泥浆防气窜能力强；水泥浆稠化过渡时间小于10 min，24 h强度大于15 MPa。

1.2.2 稳定剂 通过大量室内实验，选用液态硅DZW作为稳定剂，按规范要求选用自由液作为评价指标，将配置好的水泥浆在常压稠化仪里养护20 min，倒入250 mL量筒里做45°自由液实验，其结果见表3。

表3 自由液实验

从表3可知，DZW具有较好的降低水泥浆自由液能力，随着DZW加量增大，水泥浆自由液逐渐降低；当DZW加量为3%时水泥浆自由液降低到0，水泥浆具有较优稳定性；此外加入7%FSAM和3%DZW水泥浆，其自由液为0，说明DZW与FSAM具有较好的配伍性。

1.3 增塑剂

通过大量室内实验，选用了纤维类的增塑剂DZZ-2和弹性材料DZZ-1作为增塑剂，按加入单一增塑剂和复配增塑剂进行实验，测定其对应水泥石性能参数（表4～6），实验基本配方为：JHG+DZZ+7.0%FSAM+3.0%DZW+44%德州自来水。

表4 加入DZZ-1水泥石性能

表5 加入DZZ-2水泥石性能

表6 加入复合增塑剂后水泥石性能

从表4～6可看出：（1）JHG水泥浆中加入单一增塑剂后，水泥石抗压强度和抗折强度均有明显增加，当DZZ-1或DZZ-2加量大于5%后，水泥石抗压和抗折强度增加不明显；（2）将两种增韧剂掺混使用，可较小幅度地提高水泥石抗压强度，但可大幅度提高水泥石抗折强度，提高水泥石韧性，当DZZ-1和DZZ-2按质量比3:2复配时的水泥石弹性性能最好，为此本水泥浆体系选用此复配增塑剂DZZ。

2 塑性膨胀防气窜水泥浆性能评价

2.1 综合评价

根据各种添加剂优选实验结果，使用优选出的膨胀剂DZP-1、防气窜剂FSAM、稳定剂DZW和增塑剂DZZ，并复配分散剂、缓凝剂等其他外加剂，对塑性膨胀防气窜水泥浆体系进行了综合性能评价（表7）。实验基本配方为：JHG+2.0%DZP-1+DZZ+7.0%FSAM+2.5%DZS+DZH+3.0%DZW+44%德州自来水。

表7 塑性膨胀防气窜水泥浆性能（养护温度75 ℃）

从表7可看出：（1）水泥浆稠化时间可通过缓凝剂调节，能够满足水平井固井施工需要，而且该体系稠化过渡时间短，具有较优的直角稠化特性，其SPN值小于3，有利于防气窜；（2）该体系水泥浆瞬间失水后能迅速成膜，可大幅降低水泥浆在高渗透地层失水，其API失水均小于30 mL，一方面可增加气体在水泥浆中运移阻力，补偿水泥浆胶凝失重影响，另一方面有利于提高水泥浆稳定性，防止环空气窜，有利于保护油气层；（3）优选出的外加剂相互之间配伍性良好，有利于配方调整。

2.2 防气窜特性评价

利用水泥浆防气窜特性评价仪对塑性膨胀防气窜水泥浆的防气窜特性进行评价。水泥浆初始稠化时间72 min内，模拟的水泥浆压力曲线与地层孔隙压力曲线基本重合，模拟试验未发生气窜，表明该体系具有良好的防气窜能力。

2.3 沉降稳定性评价

水泥浆经养护后用500 mL量筒放置2 h后分别用上部和下部浆倒入强度试模养护，凝固后测其密度（表8），从表中可知，上下部水泥石模块换算密度均为1.90 g/cm3，表明塑性膨胀防气窜水泥浆体系具有较优的沉降稳定性，自由液为0。

表8 沉降稳定性实验

2.4 韧性和膨胀性评价

按照材料弹性模量越小或泊松比越大其韧性越好原则，使用三轴应力实验仪和水泥石膨胀收缩仪对水泥石弹性模量和膨胀性进行测试，其评价结果（表9）。实验基本配方为，1#常规体系：JHG+7.0%FSAM+2.5%DZS+0.2%DZH+3.0%DZW+44%德州自来水；2#本文体系：JHG+2.0%DZP-1+5.5%DZZ+7.0%FSAM+2.5%DZS+0.3%DZH+3.0%DZW+44%德州自来水。

表9 塑性膨胀防气窜水泥浆体系弹性模量和膨胀率

从表9可看出,塑性膨胀防气窜水泥浆体系的弹性模量较常规体系降低了18.3%，具有更好的塑性；同时该体系不发生体积收缩，膨胀率3.41%。

3 现场应用

塑性膨胀防气窜水泥浆体系已在XS21-3H、XS21-2H等多口水平井油层套管固井中进行了现场应用，总体上油层套管固井合格率88.76%，能够满足水平井分段压裂投产施工要求。以XS21-3H井为例，完钻井深2 942 m、套管下深2 938.64 m，最大井斜91.60°，使用的塑性膨胀防气窜水泥浆体系基本性能见表10，配合采用前期水平井前置液性能优化、细化固井施工工艺等技术措施，明显提高了水平井固井质量，该井固井质量合格率达93.30%，优良率64.57%。2010年该井分段压裂施工井口压力高达65 MPa，在井口油压 23.31 MPa、套压 23.86 MPa下投产至今未发生环空气窜现象。

表10 XS21-3H井水泥浆基本性能

4 结论

（1）采用实验方法优选出的膨胀剂DZP-1、非渗透防气窜剂FSAM、稳定剂DZW和增塑剂DZZ具有很好配伍性，确定了塑性膨胀防气窜水泥浆基本配方。

（2）室内实验评价塑性膨胀防气窜水泥浆体系具有API失水小于30 mL、自由液为0 mL、SPN值小于3等性能，满足川西高压低渗气藏水平井固井要求。

（3）川西多口水平井油层套管现场应用结果表明，该水泥浆体系防气窜效果好，固井质量合格率高，可满足分段压裂投产施工要求。

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［2］ 莫军. 塑性水泥体系在川西固井中的应用研究［J］.天然气工业，2005，25（11）：72-75.

［3］ 舒秋贵，姚勇，张洪印，等.川西水平井固井技术［J］.钻采工艺，2011，34（1）：22-24.

［4］ 朱礼平，廖忠会，刁素，等.川西水平井水泥浆防气窜评价方法［J］.石油钻采工艺，2012，34（1）：60-62.

［5］ 刘宏梁，代礼杨，徐学军，等.不收缩微膨胀水泥浆研究［J］.石油钻采工艺，2005，27（S0）：22-25.

［6］ 莫继春，杨玉龙，李杨，等. DRK韧性水泥浆体系的研制［J］.石油钻采工艺，2005，27（2）：21-24.

［7］ 步玉环，王瑞和，程荣超. 油气固井纤维水泥浆性能研究［J］.石油钻采工艺，2005，27（2）：25-27.

［8］ 余婷婷，邓建民，李键，等.纤维堵漏水泥浆的室内研究［J］.石油钻采工艺，2007，29（4）：89-91.

（修改稿收到日期 2013-07-26）

Study and application of plastic expansion anti-channeling slurry system

ZHENG Guosheng1, ZHU Liping2, LI Qunsheng2, ZHOU Shiming3
（1. Natural Gas Project Management Department,Sinopec,ChengDu610081,China;2. Engineering and Technology Institute,Southwest Petroleum Branch,Sinopec,Deyang618000,China;3. Sinopec Research Institute of Petroleum Engineering,Beijing100101,China）

The horizontal wells with high pressure and low permeability need fracturing operation before being on production in West Sichuan, which puts forward higher requirements on the performance of cement slurry. The expansive agent, anti-channeling agent,stabilizer and plasticizer have been optimized and selected through indoor experiment, and a plastic expansion anti-channeling cement slurry system has been formed. The results of the laboratory show that the system has some features like API fluid loss less than 30mL,free liquid equal to 0mL, and SPN value less than 3. It has been successfully used in oil zone cementing on many horizontal wells such as XS21-3H, and satisfies the later staged fracturing production requirements.

low permeability gas reservoir; horizontal well; cementing; plastic expansion cement; gas channeling control

郑国生，朱礼平，李群生，等. 塑性膨胀防气窜水泥浆体系研究与应用［J］. 石油钻采工艺，2013，35（5）：52-55.

TE256

：B

1000–7393（2013） 05–0052–04

国家科技重大专项专题“低渗气藏水平井固井技术研究及应用”（编号：2011ZX05022-006-003）。

郑国生，1955年生。2000年毕业于西南石油大学,获工学硕士学位，2007年毕业于中欧国际工商学院MBA专业，高级工程师。电话：13908105539。E-mail：anweichu@163.com。

〔编辑 朱 伟〕