韧性水泥浆在长庆储气库固井中的研究与应用

罗长斌，李　治，胡富源，夏修建，刘子帅

（1.长庆油田储气库管理处，陕西靖边718500；2.长庆油田分公司工程技术管理部，陕西西安710000；3.天津大学化工学院，天津300072；4.中国石油集团钻井工程技术研究院，北京102206）

韧性水泥浆在长庆储气库固井中的研究与应用

罗长斌*1，李治1，胡富源2，夏修建3，4，刘子帅4

（1.长庆油田储气库管理处，陕西靖边718500；2.长庆油田分公司工程技术管理部，陕西西安710000；3.天津大学化工学院，天津300072；4.中国石油集团钻井工程技术研究院，北京102206）

针对储气库注、采气过程中产生的交变应力作用致使水泥石完整性发生破坏、形成微裂缝的问题，对水泥石进行韧性改造研究，使其具有“低弹性模量—高强度”的特性。利用紧密堆积理论对水泥浆体系中的活性矿物掺料（增强材料、弹性材料等）进行设计，以提高水泥石的致密性及其抗射孔冲击能力；开发了增韧材料DRE-100S和乳胶粉DRT-100S两种增韧主剂，形成了一套适用于储气库固井技术的韧性水泥浆体系，并对其性能进行了评价。结果表明，当DRE-100S和DRT-100S加量分别为4%和6%时，韧性水泥石的弹性模量较普通水泥石降低30%以上，24h抗压强度大于20MPa，7d强度高于30MPa，实现了水泥石“低弹性模量—高强度”的韧性改造，综合性能良好，提高了水泥环在循环注采过程中的层间封隔能力及结构完整性。该韧性水泥浆体系在长庆储气库固井中已成功应用3口井次，固井质量优质。

韧性水泥浆；储气库；紧密堆积；弹性模量；固井

储气库建设是国家级能源安全战略项目，在保障天然气安全供应、季节性调峰及提高管输效率等方面发挥着重要作用［1］。在储气库完井作业中，需对气储层进行射孔以提供注采通道，但射孔力对水泥环有很大的冲击作用，易造成水泥环结构破坏［2］；此外，储气库井每年要进行一个周期或多个周期的注采过程，井筒始终处于反复交变载荷的变化过程中，因此水泥石完整性易发生破坏，产生微裂缝，破坏水泥石的层间封隔作用，缩短储气库井的使用寿命，而储气库需要满足50年的使用要求，这些对水泥浆固井技术提出了非常高的要求［3］。

为解决上述问题，在常规水泥浆中掺入增韧材料以改善水泥石韧性性能（弹性模量）、抗压强度及加入相应的添加剂形成一种具有极低失水、良好抗冲击韧性和流变性的韧性水泥浆，可有效地消除水泥环在射孔、压裂及注采过程中交变应力引起的裂缝和膨胀—收缩引起的界面封隔失效，可提高水泥环对射孔等作业的抗破坏能力，延长油井寿命。研究表明［4］，韧性水泥浆较常规水泥浆抗冲击韧性增加20%，弹性模量降低约20%，可抵御射孔及交变应力对水泥环的冲击破坏作用。因此，本文利用紧密堆积理论，对水泥浆体系中的活性矿物掺料进行设计，开发了一套以DRE-100S和DRT-100S为主剂的韧性水泥浆体系，其弹性模量较普通水泥石降低25%以上，24h强度为24.2MPa，7d强度高于30MPa，实现了水泥石“低弹性模量—高强度”的韧性改造，增强水泥环在注采交变载荷作用下的层间封隔及保证水泥环的密封完整性能。该韧性水泥浆体系在长庆油田应用了3口井次，固井质量优质。

1　韧性水泥浆的研制

目前，主要通过在水泥中加入纤维、胶乳等对水泥石进行改造，提高水泥石韧性及二界面的胶结质量［5-6］。针对储气库井射孔及注采过程中对水泥环结构完整性以及水泥石力学性能的要求，利用韧性材料本体的低弹性模量特性，通过在水泥浆中加入颗粒状韧性材料降低外界作用力的传递系数，实现对水泥石的韧性改造；此外，利用不同粒径水泥外掺料间的颗粒级配作用，提高水泥石致密性，从而实现水泥石“低弹性模量—高强度”的目标。

1.1韧性材料的开发

（1）增韧材料DRE-100S是一种密度为1.70g/cm3的白色惰性颗粒状材料，具有较强的亲水性、分散性和较高的韧性。与其它外掺料共同均匀镶嵌在水泥石内部，当水泥石受到外部冲击力作用时，力将传递到充填其间的DRE-100S颗粒上，增韧颗粒发生弹性形变，吸收部分能量和降低应力传递速度，以避免水泥石内部裂纹的形成和发展，从而提高水泥石的韧性和保证水泥石结构的完整性［7］。

（2）乳胶粉DRT-100S是一种密度为1.70g/cm3的可再分散聚合物粉末，与水混合后，可恢复到其原始乳液状态，具有极突出的粘结强度，水溶性与再分散性强。在水泥浆中，随着水化反应的进行，水化产物增多，DRT-100S逐渐聚集在毛细孔中，并在凝胶体表面和未水化的水泥颗粒上形成紧密堆积层。由于水化使水分进一步减少，在凝胶体上和孔隙中堆积的聚合物颗粒便凝聚成连续的薄膜，形成与水化水泥浆体互传基质的混合体，并使水化产物之间相互胶结，改善了水泥石的物理组织结构，缓解内应力，减少了微裂缝的产生，使水泥石达到“低弹性模量—高强度”的特性［8］。

1.2水泥外掺料的紧密堆积

根据储气库井循环注、采气以及长使用寿命的需求，在射孔完井及交变载荷作用下应保持水泥环密封完整性，有效改善储层。采用紧密堆积理论优化水泥与充填材料间的粒度分布，在保证水泥浆流变性的情况下，增加单位体积水泥浆的堆积率PVF（干混合物中所有颗粒绝对体积之和除以干混成分的散装体积的值），PVF越大，紧密堆积的程度越高，水泥石孔隙度和渗透率越小，性能越好［9-10］。

韧性水泥浆体系主要由增强材料、微硅、增韧材料、乳胶粉等矿物掺料构成，其中，增强材料是由矿渣、超细水泥、微硅等不同粒径的多种活性无机材料组成，故，通过进一步优化各组分配比，水泥及外掺料间相互填充而形成最紧密堆积。此外，乳胶粉在水中乳化后形成均匀分布的乳状液，可进一步填充紧密排列颗粒构成的孔隙中，达到最优紧密堆积。同时，增强材料、微米级硅灰以及可分散性乳胶粉在水泥浆体系中可参与水泥水化的过程，使水泥石结构和界面结构更为致密，降低水泥石渗透率，提高水泥石强度和抗介质腐蚀能力。因此，通过紧密堆积优化可使水泥石具有良好的“低弹性模量—高强度”特性以及良好的防气窜能力。表1是韧性水泥浆体系经颗粒级配后的水泥浆性能。从表1可知，不同密度的韧性水泥浆具有良好的流动性能，水泥石渗透率较低、弹性模量较小，且后期强度较高。

1.3韧性水泥浆配方研究

表1　颗粒级配后水泥浆配方及性能

1.3.1增韧材料加量优选

以水泥浆配方（G级水泥+7%增强材料DRB-1S+ 3%微硅+DRE-100S+DRT-100S+0.8%分散剂DRS-1S+2.5%降失水剂DRF-300S+水，密度1.88g/cm3）为基础，考察了韧性材料加量对水泥石性能的影响，如表2所示。

由表2可知，DRT-100S和DRE-100S对水泥石抗压强度有一定影响，但24h强度大于20MPa，且7d抗压强度明显高于24h强度，无强度衰退现象；水泥石抗拉强度降低，且降低率在6%～20%之间；水泥石抗折强度明显提高，但加量6%以上时，抗折强度有降低的趋势，这是由于惰性的增韧材料DRE-100S过多地填充于水泥石空隙中，将一定程度影响水泥石的内部结构；水泥石弹性模量降低，泊松比升高，抗冲击功也明显升高，但DRE-100S抗冲击韧性贡献率大于DRT-100S；DRE-100S对水泥石抗压强度的影响低于DRT-100S，但对韧性改善作用强于DRT-100S。综合考虑，DRT-100S和DRE-100S加量分别为4%、6%时，水泥石弹性模量降低30%左右，抗冲击韧性好，抗压强度较高，满足储气库固井技术要求。

表2　不同DRE-100S、DRT-100S加量对水泥石性能的影响（60℃、0.1MPa）

1.3.2韧性水泥浆体系力学性能研究

相同温度下水泥石强度发展情况，如图1所示；不同温度下水泥石的力学性能（图2），其三轴力学性能如表3所示。由图1可知，韧性水泥石强度随养护时间逐渐增加，且无强度衰退现象。由图2和表3可知，韧性水泥石和原浆水泥石抗压强度随养护温度升高而逐渐增加，7d抗压强度明显大于24h；当试验温度高于80℃时，原浆水泥石强度发挥正常，但韧性水泥石抗压强度有下降的趋势，这可能是因为惰性的增韧材料在高温下结构发生了变化所致，但其性能也均能满足储气库完井技术要求。此外，韧性水泥石具有较低弹性模量和较高泊松比，较普通水泥石弹性模量降低了30%以上，且抗压强度随围压增加而逐渐增大，能够实现“低弹性模量—高强度”的韧性改造。水泥浆配方如下：

1#：G级水泥+7%增强材料DRB-1S+3%微硅+ 2.5%降失水剂DRF-300S+0.8%分散剂DRS-1S+水；

2#：1#配方+4%乳胶粉DRT-100S+6%增韧材料DRE-100S；

3#：1#配方+4%乳胶粉DRT-100S+6%增韧材料DRE-100S+0.6%缓凝剂DRH-100L。

1.3.3韧性水泥石抗冲击性能评价

图1　水泥石抗压强度发展曲线（60℃）

图2　水泥石不同温度下抗压强度

表3　水泥石三轴力学性能（60℃）

为了模拟储气库井循环注采气过程中，交变应力对水泥环力学性能的影响，对韧性水泥石进行了交变应力循环加载实验（交变载荷为6.9MPa），对比水泥石变形能力，结果如图3和图4所示。从图3、图4可知，韧性水泥石塑性变形能力远强于原浆水泥石；且前者轴向最大应变也远远大于后者，由此说明：在交变载荷作用下，韧性水泥石中的增韧材料可吸收大量冲击功以避免应力集中，从而阻止水泥石在交变应力作用下的循环加载破坏，保证水泥环力学和结构完整性以及保障了储气库井的长期使用寿命。

图3　水泥石塑性变形对比

1.4韧性水泥浆综合性能评价

对不同温度下的韧性水泥浆的综合性能进行考察，如表4所示。从表4中可知，该韧性水泥浆（1.88g/cm3）在40℃～80℃范围内具有良好的浆体稳定性和流变性能，流动度在20～23cm范围内，且随试验温度增加水泥浆流变性能基本不变，利于现场施工；水泥浆API失水量控制在50mL以内，具有良好的控滤失性能；稠化时间可通过缓凝剂加量进行有效调节，以满足现场施工要求；水泥石24h抗压强度大于20MPa，7d强度无衰退，且水泥石弹性模量小于7GPa，能满足储气库对水泥石“高强低模”要求。综上，DRE韧性水泥浆体系具有良好的现场施工性能以及保证水泥环结构完整性能力，可有效保护储层。

图4　水泥石轴向最大应变对比

2　现场应用成果

表4　韧性水泥浆的综合性能评价（1.88g/cm3）

DRE系列韧性水泥浆体系在长庆储气库中已成功应用3井次，如苏203-6-9H井、靖平22-4-2井等，固井质量优质。以苏203-6-9H井Ø244.2 mm技术套管固井为例［11］，该井位于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡中部的苏203井区储气库的第一口试采试验井。完钻井深5303m，水平段长1128m，封固段长4175m，分级箍位置2799.75～2791.75m，井底循环温度88℃。

2.1主要技术难点

（1）地质构造复杂，地层压力系数低，易垮、易塌、易漏，候凝期间水泥浆易受地层流体干扰；（2）井斜大，井底位移较大，井径不规则，顶替效率无法保证；（3）需压稳气层段，防止气侵、气窜及水窜发生，要求水泥浆具有较高的强度、良好的防窜性能以及流动性能；（4）储气库注采气井后期进行周期循环式的强注强采，要求水泥环必须承受强交变载荷的影响，保证水泥环结构完整性和良好的胶结性能。

2.2主要技术措施：

（1）采用三扶通井以及40m3稠浆进行循环携砂，保证井眼清洁，提高顶替效率；（2）优化扶正器使用；（3）使用前导低粘切抗钙钻井液，环空高度1348m，以稀释钻井液、冲洗管壁和井壁虚泥饼，降低摩阻；（4）优选冲洗隔离液体系；（5）采用DRE膨胀韧性水泥浆体系，通过调整缓凝剂加量实现三段阶梯式凝固，以实现阶梯压稳，防止因失重引起地层流体窜流；（6）水泥浆体系中加入弹性材料，增加水泥石在注采过程中的抗弯曲抗冲击能力，满足储气库后期注采对水泥石的要求。

2.3现场施工及固井质量

该井技术套管中，一级注入35m3前置液后，注入69.7m3DRE韧性水泥浆（平均密度1.88g/cm3）；二级注入25m3前置液和97.2m3DRT胶乳水泥浆，施工正常，水泥浆返至地面。测井结果表明：目的层和盖层固井质量优质，优质率82%，盖层以上固井质量好—中等，对马家沟储层具有良好封盖能力，全部达到和超过储气库固井质量标准要求。

一级韧性水泥浆性能见表5，采用双凝水泥浆技术，其配方如下：

一级1#：G级水泥+6%DRT-100S+4%增韧材料DRE-100S+0.6%分散剂DRS-1S+降失水剂DRF-100L+1.2%缓凝剂DRH-100L+水+0.2%消泡剂DRX-1L（密度1.88g/cm3）；

一级2#：G级水泥+6%乳胶粉DRT-100S+4%增韧材料DRE-100S+0.6%分散剂DRS-1S+降失水剂DRF-100L+水+0.2%消泡剂DRX-1L（密度1.88g/cm3）。

3　结论

表5　韧性水泥浆的综合性能评价（88℃）

（1）利用紧密堆积理论，以增韧材料DRE-100S和乳胶粉DRT-100S为基础，结合配套外加剂，研制了一套韧性水泥浆体系，并确定了DRE-100S、DRT-100S的最优加量分别为4%和6%。

（2）韧性水泥石较常规水泥石弹性模量降低30%，且24h抗压强度高于20MPa，7d强度高于30MPa （60℃），能实现“低弹性模量—高强度”特性。

（3）韧性水泥浆体系在长庆储气库已成功应用3井次，水泥浆综合性能良好，固井质量优质，故该韧性水泥浆体系可在储气库固井中推广应用。

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TE254

A

1004-5716（2016）01-0072-05

2015-01-28

2015-01-28

罗长斌（1972-），男（回族），宁夏固原人，工程师，现从事储气库钻完井工艺研究及项目建设管理工作。