延长油田中西部水平井固井水泥浆配方优化研究

牛萌，刘云，姬伟

（1.延长油田股份有限公司勘探开发技术研究中心，陕西延安716000；2.中国石油长庆油田分公司第一采油厂，陕西延安716000）

延长油田中西部水平井固井水泥浆配方优化研究

牛萌1，刘云1，姬伟2

（1.延长油田股份有限公司勘探开发技术研究中心，陕西延安716000；2.中国石油长庆油田分公司第一采油厂，陕西延安716000）

延长油田中西部区块水平井需要压裂完井后投产，对固井水泥浆性能提出了更高的要求。结合水平井固井技术需求，通过室内试验优选水泥石脆性材料，对水泥浆体系外掺料及外加剂优选，确定了该区块水平井固井弹塑性水泥浆体系。室内评价结果表明，该体系具有API失水小于50 mL，自由液0 mL，流性指数n值大于0.7等性能。吴平1井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压裂投产施工要求。

水平井；水泥浆脆性；固井；弹塑性水泥浆

延长油田中西部地区水平井开发，多数采用套管射孔完井，射孔是造成套管和水泥环损坏的主要原因，当射孔弹引爆时，套管将承受射孔弹爆燃在套管内扩散的高压气体作用，引起套管壁迅速扩张。在水泥环局部区域会形成拉、压高应变区，由于水泥石属于脆性材料，当套管扩张引起的水泥环的环向应力超过其强度极限时，水泥环就会破裂而形成径向裂纹。裂纹将迅速扩张，发生多重“层裂”，影响固井质量。同时，压裂对水泥环也有很大的破坏作用［1，2］。

因此，延长油田水平井固井不仅要求水泥环有一定的强度，而且还要具备较好的抗冲击能力和耐久性。根据这个需求，笔者优选了水泥浆体系外掺料及外加剂，通过实验评价了脆性材料对水泥浆体系的影响，确定了该区块水平井固井水泥浆配方，满足水平井固井技术需求。

1　水泥浆体系外掺料及外加剂的优选

1.1低密度减轻材料的优选

本区块水平井固井水泥浆主要选择由改性粉煤灰、微硅、膨胀性材料、稳定剂等按照一定的比例复配而成的新型复合低密度水泥浆体系。

1.2非渗透降失水剂的优选

优选了非渗透防窜型降失水剂YC-JSS，加量一般为1.5%～2.5%。本失水剂不仅使水泥浆具有较好的防窜效果，而且所形成的水泥石具有一定的弹性，提高了水泥石抗拉强度，降低了射孔时水泥石的破裂度［3-6］。

1.3膨胀剂的优选

本体系优选膨胀剂YC-PZJ，本膨胀剂加量一般在1%～3%的范围内。加入此膨胀剂后可使水泥石凝固后产生微膨胀，有效减少微环隙及油气水窜的形成，并能够补偿水泥石收缩所造成的影响，降低气窜的危险性，提高胶结质量。

1.4分散剂的优选

优选了分散剂YC-F，本分散剂加量较小，一般加量为0.5%～2.0%（BWOC），有利于水泥石早期抗压强度发展，对水泥石后期抗压强度无不利影响。YC-F的主要用途是改善水泥浆的流动性能、减少失水量、提高顶替效率，便于水泥浆泵选。

1.5早强剂的优选

早强剂YC-Z的加入不仅可提高水泥石的早期强度，还可用来调节水泥浆的稠化时间，以满足施工的安全要求。

2　改善水泥石脆性材料的优选及对水泥浆体系性能的影响

2.1纤维材料优选

在水泥混凝土中掺加纤维能显著地提高其抗弯强度和降低干缩率，并能提高水泥固化物的抗拉强度和变形能力，改善其韧性和抗冲击性。本文选择的碳纤维是由聚丙烯腈纤维、黏胶纤维等经碳化而制得的纤维。强度和弹性模量相当高，能耐1 000℃高温且化学性能稳定。

笔者通过实验优选出综合性能良好的纤维塑性膨胀水泥浆体系配方，并将纤维对水泥浆体系性能的影响进行了分析研究（见表1）。

表1　加入纤维水泥浆性能

由表1可知，加入纤维的水泥浆体系无论低密度和常规密度都具有良好的流变性能；API失水小，小于50 mL；45°游离液析出0 mL；稠化过渡时间短，小于10 min；水泥石抗压强度高，大于14 MPa；满足水平井固井工程性能要求。

2.2纤维对稠化时间的影响

通过调整不同纤维的加量来考察对水泥浆稠化时间及浆体稠度的影响情况，典型的实验数据（见表2）。

从表2可以看出：

（1）无论是低密度水泥浆体系还是常规密度水泥浆体系，加入纤维后，水泥浆稠化时间普遍缩短，基本在30 min左右，且随着纤维加量的增加，其稠化时间缩短增幅不大；

（2）在纤维加量不变的情况下，改变调凝剂加量，其稠化时间延长，且对其他性能不影响；

表2　纤维水泥浆稠化时间情况

（3）加入纤维后的水泥浆浆体黏度普遍增大，增加10 Bc左右，但水泥浆仍有较好的可泵性，且浆体养护20 min左右，浆体稠度下降5 Bc～10 Bc；低密度水泥浆浆体稠度明显低于常规水泥浆浆体稠度。

2.3纤维对水泥浆流变性能的影响

室内实验考查了低密度和常规密度水泥浆加入纤维后的流变性能变化情况，具体（见表3）。

表3　水泥浆浆体流变性能

从表3可以看出：（1）对于常规密度水泥浆体系来说，加入纤维后，其水泥浆剪切应力读数增大，但其仍具有良好的流变性能，其流型指数n值大于0.7；（2）纤维不影响低密度水泥浆体系流变性能，且具有良好的流动度，流动度基本在20 cm～23 cm。

2.4纤维对水泥石韧性的影响

考查纤维加量对水泥石韧性的影响，实验数据（见表4）。由表4可知，针对长度为5 mm和10 mm的纤维，在保证水泥浆体系具有较好的流变性能情况下，水泥石的抗折强度和抗压强度随着纤维掺量的增加而增大，水泥石具有较高的抗折强度，这说明纤维可提高水泥石的韧性。

表4　纤维加量对水泥石韧性的影响

3　水平井固井水泥浆体系综合性能评价

3.1水平井弹塑性水泥浆体系优选

经过前期大量优选试验后，依据水泥浆性能试验标准，开展了水泥浆基本性能的评价，通过改变加量和配方，对水泥浆的流变、失水、强度等进行了调配与评价。另外通过在水泥中添加特殊弹性粒子橡胶粉，增加了水泥石抗冲击破碎性能。其水泥浆综合性能（见表5）。

3.2优选的水泥浆水泥石弹韧性评价

通过对水泥石机械性能评价试验分析可以发现，加入弹性材料的配方2水泥浆泊松比增加、弹性模量降低，抗折强度提高了44.8%以上（见表6）。

3.3优选的水泥浆水泥石柔性评价

弯曲韧性系数是对水泥石柔性的评价系数（见表7），该数值越高，水泥石柔性、抗弯曲性能越好。从表7结果看出，弹塑性水泥石柔性明显要好于常规水泥石柔性。

3.4水泥石膨胀收缩室内评价研究

本实验选择表5中的配方2作为测试配方，在膨胀剂YC-PZJ为2%加量的条件下测试水泥浆凝固过程的膨胀量，该体系在固结后没有发生体积收缩现象，水泥石产生了微膨胀，膨胀率经测定为0.81%，有利于提高胶结质量和防止固井后发生气窜。

3.5沉降稳定性能

按照API规范程序进行实验测试，固结后的水泥石体积基本没有收缩，该水泥浆体系具有较好的水泥浆沉降稳定性能，其水泥石上下密度差均在0.03 g/cm3以内。

表5　优选的水泥浆基本性能

表6　优选的弹塑性水泥体系综合力学性能

表7　优选水泥浆配方对比

4　现场应用

本次优选的水泥浆体系被应用于延长油田中西部采油厂水平井，采用优化过的水泥浆体系结合其他辅助手段进行施工，如吴平1井，钳平1井，蒲平2井。固井质量均达到合格率100%。

5　结论

（1）本水泥浆体系具有较高强度和弹塑性，水泥浆密度1.40 g/cm3～1.90 g/cm3，API失水＜50 mL，流性指数n值＞0.7，24 h抗压强度＞14 MPa，流动度＞20 cm，零自由液，且具有微膨胀作用。

（2）弹韧性材料的加入使水泥石的抗折强度提高了30%以上，弹性模量降低27%以上，弹塑性水泥石柔性明显要好于常规水泥石柔性；该水泥浆体系具有较好的水泥浆沉降稳定性能。能够有效满足水泥石长期密封性要求，各项性能均满足水平井固井技术需求。

（3）优化的水泥浆体系在吴平1，钳平1等井固井应用的成功，说明该水泥浆在延长油田中西部水平井固井作业中具有广泛的应用空间。

［1］孙展利，等.水泥浆在不同井斜的沉降失重和沉降-胶凝失重［J］.天然气工业，1998，18（4）：55-58.

［2］孙展利.水泥浆的沉降失重研究［J］.石油钻采工艺，1997，19（1）：31-36.

［3］刘崇建，等.油气井注水泥理论与应用［M］.北京：石油工业出版社，2001.

［4］吴叶成.易漏地层防漏增韧水泥浆体系的研究和应用［J］.钻井液与完井液，2006，23（3）：20-26.

［5］赖金荣，等.增韧纤维水泥浆在胜利泊田小间隙井的应用研究［J］.钻井液与完井液，2006，23（5）：59-63.

［6］王颜车，罗云，曹景萍.纤维水泥增强增韧实验［J］.大庆石油学院报，2005，29（5）：24-28.

Optimization research of cement slurry formulations of horizontal well cementing in middle and western area of Yanchang oilfield

NIU Meng1，LIU Yun1，JI Wei2
（1.Oil Exploration and Development Technology Research Center of Yanchang Petroleum Group，Yan'an Shanxi 716000，China；2.Oil Production Plant 1 of PetroChina Changqing Oilfield Company，Yan'an Shanxi 716000，China）

The horizontal well in middle and western area of Yanchang oilfield need go into production after fracturing，which imposes higher demand for cement slurry formulation.According to cementing requirements of horizontal well，cement stone brittle material and admixture of cementing system were optimized through experiments，then elastic-plastic cement slurry system of horizontal well was definitely established for this area.Experimental results show that this system with features of API fluid loss less than 50 mL，free surface 0 mL and liquidity index n greater than 0.7.The successful application in cementing of well Wuping1 and several other horizontal wells show that this system can meet the requirements of the later fracturing operation.

horizontal well；cement slurry brittleness；cementing；elastic-plastic cement slurry

TE256.7

A

1673-5285（2016）09-0057-04

10.3969/j.issn.1673-5285.2016.09.014

2016－07-20

牛萌，女（1984-），工程师，2010年毕业于西安石油大学油气田开发工程专业，硕士学位，现从事水平井钻井工艺技术方面的研究与现场应用工作，邮箱：moumou1115@163.com。