低渗透油气藏水平井固井用增韧防窜剂的研发和应用

滕兆健，郭文猛，饶辰威，邹建龙

(1中国石油海洋公司渤星公司 2中国石油集团钻井工程重点实验室 3中国石油渤海钻探第一固井公司 4中国石油川庆钻探固井公司)

中国非常规油气资源丰富，发展潜力大。其中低渗透气可采资源量为(8.8～12.1)×1012m3，低渗透油可采资源量为(13～14)×108t。未来10～20年，中国低渗透油气产量将显著增长，在弥补常规油气产量短缺中扮演日益重要的角色[1]。

低渗透油气低孔、低渗、低压特征突出，为实现低渗透油气的规模效益开发，采用包括“一体化”设计、“平台式”长水平井钻井、“规模化”体积压裂、“控制式”采油、“工厂化”作业等开发技术。低渗透油气复杂的地质条件、水平井多级体积压裂以及工厂化作业等特殊的开发方式，给固井提出了更高的要求和挑战，具体表现在固井水泥浆方面主要为：①低失水、零游离液、适度的膨胀性能，避免在井眼上侧形成窜槽；②水泥石必须具有良好的韧性，满足水平井后期投产要进行大规模多级压裂改造的需求和长期有效的层间封隔；③为提高采收率，前期的高压注水，形成了地下高压层与低压层共存的多压力体系，层间压差大、产层水淹严重，地下流体活跃，固井施工存在水泥顶替到位及候凝期间窜槽现象；④为满足工厂化作业要求，所有固井外加剂尽可能为可干混的粉体材料，一次混配大批量灰样，实现批量固井作业，提高施工时效，同时也可避免普通配水固井施工作业时的药液浪费和伤害环境[2-7]。

要达到以上要求，关键在于需要利用功能型固井外加剂，提高水泥浆的防窜性能，改善水泥石的韧性。本文开发了一种油井水泥用高分子聚合物类增韧防窜剂，可同时提高水泥浆防窜性能，改善水泥石力学性能，其形成的水泥浆体系，可适用于低渗透油气藏水平井开发。

一、增韧防窜剂的研发

1. 研发思路

利用小分子单体合成体型高分子聚合物，加入到水泥浆中后形成网状三维结构，提高水泥浆的内聚力，降低渗透率，防止油、水、气侵入水泥浆中，使水泥浆具有良好的防窜性能。通过选用柔性单体，并调节高分子聚合物的聚合度和粒径大小，形成纳米级的弹性粒子，加入到水泥浆中后，降低水泥石弹性模量，提高水泥石抗冲击性能，改善水泥石的韧性。

2. 实验材料与仪器

G级高抗硫油井水泥，硅粉，缓凝剂BCR-201S，降失水剂BCF-200S，减阻剂CF40S，消泡剂G603，单体醋酸乙烯酯Vac，甲基丙烯酸酯MMa，pH调节剂，引发剂过硫酸钾等。

三口烧瓶，搅拌器，水浴锅，增压稠化仪，千德乐7150型窜流分析仪，三轴试验机，压力机，常压稠化仪，5265静胶凝强度仪，抗冲击功试验机，TREOS激光光散射与凝胶色谱系统等。

3. 增韧防窜剂的合成

取一定量Vac，加入三口烧瓶中，同时加入200 mL水，加入pH调节剂，保持pH在2.0～3.0之间，搅拌加热到75℃，然后加入MMa，通氮气除氧，缓慢加入引发剂，继续通氮气，恒温度聚合4～5 h，冷却至室温，调节pH至7.0，烘干、研磨，得到体型高分子聚合物增韧防窜剂。

4. 分子量表征

体型高分子聚合物分子量的大小直接影响水泥浆中三维网状结构的形成，当分子量过小时，不足以形成高内聚力的水泥浆，对水泥浆的防窜性能改善不大；当分子量太大了，会造成水泥浆的黏度和初始稠度过高，直接影响施工安全。通过室内大量试验，本文最终确定了高分子体型聚合物的最佳分子量范围(80～120)×104之间。本文利用TREOS激光光散射与凝胶渗透色谱仪，测定了增韧防窜剂分子量分布增韧防窜剂重均分子量在1.10×106g/mol。

5. 粒径表征

该增韧防窜剂可再分散于水中，可形成均匀溶胶体系。通过粒径测试，粒度分布在50～145 nm之间，中值粒径98 nm(D50)，与油井水泥的粒径15 μm(D50)相差较大，易于填充在水泥颗粒之间的空隙，有利于降低水泥石的渗透率和提高水泥石致密性，提高水泥浆防窜性能。

二、增韧防窜剂水泥浆性能评价

1.增韧防窜水泥浆失水和游离液性能

增韧防窜剂在水泥浆中形成的网络结构，提高了水泥浆的稳定性，降低了水泥浆游离液，同时其粒径为纳米级，有利于水泥浆实现紧密堆积，降低水泥浆失水，试验结果如表1所示。

表1 增韧防窜水泥浆游离液和失水性能

2. 水泥浆防窜性能评价

根据行业标准《油井水泥外加剂评价方法第5部分：防气窜剂SYT 5504.5-2010》，利用水泥浆窜流分析仪器，在50℃和80℃下，进行了水泥浆防窜试验，如表2。

表2 增韧防窜剂水泥浆防窜试验结果

注：水泥浆组成：水泥/100 g+水/44 g+降失水剂BCF-200S/2 g+增韧防窜剂。

为对于常规密度水泥浆，增韧防窜剂加量为3%BWOC时，可明显缩短静胶凝过渡时间在15 min内。在2.8 MPa的压差下，水泥浆窜流分析仪窜流体积为一直为0 mL，水泥浆防窜性能得到明显提高，如图1所示。

图1 增韧防窜剂水泥浆防窜曲线

三、增韧防窜剂水泥石力学性能评价

1. 水泥石弹性模量评价

增韧防窜剂本身为一种弹性粒子颗粒材料，分散到水泥浆中后可起到应力集中点的作用，在受到冲击载荷作用时，大量能量充分耗散，从而降低了水泥石的脆性，如图2所示。同时弹性粒子作为水泥石的骨架结构，是冲击力的传递介质，冲击力传到填充于其间的弹性粒子，弹性粒子产生缓冲作用并吸收部分能量，从而改善了水泥石的韧性。

弹性模量作为油井水泥石韧性评价重要指标之一，一般认为弹性模量越低，水泥石形变能力越好，其韧性越好，越有利于水泥环完整性的保持。利用岩石三轴抗压强度试验机，测定了增韧防窜剂不同掺量下的水泥石弹性模量，结果如表3所示。

图2 增韧防窜水泥石SEM图

表3 增韧防窜水泥石抗压强度与弹性模量试验结果

通过表3的试验结果可以看出，随增韧防窜剂加量的提高，水泥石弹性模量逐渐降低，增韧防窜剂掺量为10%BWOC时，弹性模量可达4.68 GPa，水泥石形变能力得到较大提高，水泥石韧性明显改善。

2. 水泥石抗冲击性能评价

水泥石的抗冲击功的大小能够直接反映其抗冲击韧性的大小，在钻井及射孔等施工作业中都有可能对水泥石产生强烈的冲击，一般的水泥石抗冲击能力有限，采用了摆锤法对掺入增韧防窜剂的水泥石进行了抗冲击试验评价，结果如表4所示。

表4 增韧防窜水泥石抗冲击功试验结果

通过表4实验结果可以看出，增韧防窜剂在2.0%～6.0% BWOC的掺量范围内，水泥石抗冲击功明显提高，增韧防窜剂改善了水泥石的韧性，但是当掺量在8.0%BWOC以上时，水泥石强度下降较大，冲击功增加幅度反而减小。

3. 水泥石膨胀性能评价

增韧防窜剂在水泥石中形成的网络结构，可有效防止水泥浆塑性收缩和水泥石硬化体收缩，同时增韧防窜剂中的羟基OH，能与水分子形成氢键，具有较强的吸水性。在水泥水化过程中，吸水溶胀，与水泥水化物共同形成含有大量水的凝胶状物质，使得水泥石本身表现出了一定的膨胀性，如表5。

表5 增韧防窜水泥石膨胀试验结果

通过表5的实验结果可知，掺有增韧防窜剂的水泥石具有明显的膨胀，防止水泥浆塑性收缩，有利于改善水泥环与套管、地层的界面胶结状况，进一步提高了水泥浆整体的防窜能力。

四、现场应用情况

长庆油田陇东区块为更有效开发低渗透油气藏，目前主要采用超前注水方式开发，完井方式采用水平井。固井前由于超前注水，目的层原始压力被破坏，层间水窜严重；固井后试采及井下增产措施容易造成水泥环破坏及一二界面二次窜流，导致层间封隔失效，直接影响油气井的开采和使用寿命。

针对这些问题，以增韧防窜剂为基础，配套粉体降失水剂BCF-200S，粉体缓凝剂BCR-210S等固井外加剂，形成了具有防窜、增韧、微膨胀、低失水、零游离液等综合性能满足低渗透油气藏开发水平井固井水泥浆体系。

2013年以来在长庆油田合水、马岭、华池等区域的24口井的水平段固井作业中采用了该技术，对水平段水泥胶结质量进行了统计：一、二界面平均优良率为93.99%和60.95%，同周围区块固井质量相比，分别提高15%和30%以上；在后期改造过程中未发现水窜，与周围邻井相比由原来含水率30%～60%，降低到5%左右，有效抑制了井底压裂后的油气水窜问题，产油量明显增大。

长庆固平28-21井超低渗透油藏2 000 m水平段，采用增韧防窜水泥浆体系固井后，成功进行了18段66簇压裂，该井投产第一个月平均日产油25.5 t，创造了低渗透油藏水平井单井产量最高纪录。

五、结论

(1)针对低渗透油气藏水平井开发对固井水泥浆体系的要求，开发了高分子体型聚合物类增韧防窜剂，对其分子量和粒径进行了表征，对其水泥浆和水泥石性能进行了评价，当增韧防窜剂掺量大于3%BWOC时防窜性能可满足防气窜剂行业标准的要求，有效提高了水泥浆防窜性能；可降低水泥石弹性模量10%以上，可提高水泥石抗冲击功高达16%，明显改善水泥石膨胀性能。

(2)以增韧防窜剂为基础，配套其他功能外加剂，形成了具有防窜、增韧、微膨胀、低失水、零游离液等综合性能满足低渗透油气藏开发水平井固井技术，在长庆油田陇东区块采用该技术进行固井作业后，同周围区块固井质量相比，一界面和二界面固井质量分别提高15%和30%以上；在后期压裂改造过程中未发现水窜，与周围邻井相比由原来含水率30%～60%，降低到5%左右，有效抑制了井底压裂后的油气水窜问题。