韧性膨胀胶乳水泥浆在水平井上的应用

印洪亮 韩云

摘要：水平井水平段固井完井方式已成为提高油田勘探开发综合效益的主要技术手段之一，储层油气段的封固好坏直接影响后续的施工作业，采用韧性膨胀胶乳水泥浆体系可有效解决水平井固井问题，可有效防止油气水窜及后期射孔压裂造成的水泥石破坏及常规水泥石体积收缩产生的微间隙，目前已成功在新疆油田昌吉致密油区块推广使用2井次，固井质量优质。

关键词：韧性膨胀;胶乳;机械性能;膨胀率;防窜性

新疆油田昌吉致密油区块以陆相沉积为主，油层薄、纵向物性变化大、储层非均质性严重，裂缝发育较好，储层活跃，存在丰富的油层底水，为提高单井产量，避免油井过早见水，采用水平井水平段固井射孔完井方式来完井，既可实现有效的层间分隔，又能选择性的压裂增产作业。非韧性水泥浆固井不能避免射孔、压裂等增产施工过程中产生的冲击力对水泥环的破坏，造成层间封隔失效，油井产水，增加开采成本，产油量下降并影响油井使用寿命。通过开展公关研究，针对水平井固井完井并采用射孔压裂增产措施的固井难题，调试出了韧性膨胀胶乳水泥浆体系，可解决水平井固井难题，并降低后期射孔压裂造成的水泥石破坏及收缩产生微间隙的风险。

一、主要技术难点与对策

1、技术难点

（1）水平段长达2000m，套管下放摩阻大，安全下至井底难度大。

（2）水平井水平段完井固井属于小井眼固井，环空间隙小。

（3）水平封固段要进行射孔压裂作业，非韧性水泥浆固井存在压裂施工中水泥环破坏的风险。

（4）储层油气活跃。

2、 技术对策

（1）良好的井眼条件，下套管前用原钻具通井，对缩径段划眼，并进行大排量循环洗井，确保井眼干净、稳定、不漏、不涌、无阻卡和稳定，满足固井施工要求;

（2）针对目的层水泥石受射孔和压裂等冲击力的破坏，采用韧性膨胀防窜胶乳水泥浆体系，该体系水泥石具有较低的弹性模量和较高的泊松比，相同外力作用下，具有更好的抗压、抗拉强度。

（3）采用批混水泥浆方式确保入井水泥浆密度均匀，降低水泥浆过渡稠化时间，进一步增强水泥石形成速度，缩短水侵时间。

（4）针对储层油气活跃，采用水泥浆中加入胶乳，通过胶乳粒子之间相互电荷作用及胶乳成膜的特性，降低水泥石渗透率，增大油气运移阻力，达到防气窜的效果。

二、室内研究

昌吉油田致密油地区完钻井深4500m左右，总体评价储层属低孔～特低孔、低～特低渗的较差～差储集层。根据该地区地质及工程条件，该地区水平井固井水泥浆须满足以下技术要求：水泥浆密度1.89 g/cm3，API失水量≦50 mL，24小时抗压强度≧14MPa，48h顶部抗压强度≧7 MPa，防气窜，浆体稳定，游离液为零，满足后期大型压裂增产措施要求。

1、水泥浆性能要求

（1）水泥浆密度应与地层承压能力相适应，防止发生井漏;（2）针对地层水侵和后期射孔、压裂特征，水泥浆体系应具有较好的防窜性能、较低弹性模量，同时为避免水泥石成型造成的收缩问题，水泥石应具有好的膨胀性;（3）为提高顶替效率和水泥浆在裸眼段的覆盖率，水泥浆、隔离液、清水应具有较好的流变梯度，同时水泥浆应具有良好的触变性能和早期强度;（4）严格控制水泥浆的滤失量，要求在50ml以内;（5）在确保施工安全的前提下，尽可能缩短稠化时间。

2、干混材料的颗粒级配

各种干混材料进行激光粒度分析，便于更好的应用紧密堆积理论，材料大、中、小各级填充结构相互穿插、互为支撑，总体积基本不变、密实度大幅提高，小颗粒对大颗粒能够起到滚动润滑的作用，有利于减少配浆用水量，提高水泥石强度和浆体稳定性。

3、韧性膨胀胶乳水泥浆性能评价

为满足后续储层的改造，水平井水泥浆在满足固井技术要求的前提下，良好的稳定性、零游离液、低滤失量是设计的基础， 提高水化速度，使体系有较好的韧性、抗水侵及膨胀性是韧性膨胀水泥浆设计的关键。

3.1弹性模量性能评价

弹性模量是材料在外力作用下产生单位弹性变形所需要的应力。它是反映材料抵抗弹性变形能力的指標，它只与材料成分有关，与其组织变化、状态无关。

非韧性水泥石，弹性模量高，在外力的作用下易导致试块碎裂，影响油井完井后续工作及增产上储目标的实现，如何降低水泥石弹性模量提高水泥石抗冲击能力是水平段固井成败的关键因素。经过模拟分析，水泥石的抗拉强度、抗压强度均大于射孔及压裂的压应力、拉应力时水泥环在射孔、压裂施工时不会碎裂。

3.2水泥浆防窜性能评价

水泥浆入裸眼环空后将在压差作用下向渗透性地层失水，从而导致环空液体体积变化引起失重。因此可以综合水泥浆的失水和稠化过渡时间性能评价，水泥浆的防窜性可用水泥浆性能系数SPN来评价。SPN值越小，防气窜能力越强。用水泥浆性能系数评价水泥浆的防窜性能，计算公式为：

式中QAPI为API失水量，t30BC、t100BC分别为水泥浆达到30BC和100BC的时间。

评价标准：SPN值为0～3，防窜性能好;SPN值为4～6，防窜性能中等;SPN值大于6，防窜性能差。SPN =0.1826API〔（T100Bc）1/2-（T30Bc）1/2〕=0.1826×26×〔（194）1/2-（181）1/2 〕=2.25，该体系1.80g/cm3密度水泥浆SPN<3，有极好的防气窜效果。

三、施工过程与结果

JHW017井完钻井深5220m，垂深3290m，水平段长1752m，套管下深5198.5m，水泥返高2585m，下送油层套管至预计井深后，开泵循环正常，满足要求后，进行固井施工;注入冲洗液10 m3，密度为1.03g/cm3;注入4.0m3的隔离液，密度1.40g/cm3;注水泥浆21m3，密度1.80g/cm3;注后置液2m3，压胶塞;替顶替液清水42.4m3，碰压36MPa～42MPa，放回水检查浮箍工作情况，施工过程正常顺利，泵压平稳，未发现漏失现象，环空逐步加压至5Mpa候凝。

韧性膨胀胶乳水泥浆体系在新疆油田昌吉致密油地区JHW017井、JHW020井上成功使用，表明该体系水泥浆在解决油水同层、水侵风险的井，有较好的效果。JHW017经过24级分级压裂，排量10m3/min，在千方砂、万方液的压裂条件下，压力监测正常，井口未见水相，表明射孔、压裂造成的冲击力，未对水层水泥石造成破坏。

四、结论

（1）通过合理的颗粒级配，不同的实验评价韧性膨胀胶乳水泥浆的膨胀性、弹性模量、抗水侵和防气窜效果，并优化水泥浆性能参数，满足固井技术要求;

（2）韧性胶乳膨胀水泥浆可有效保证昌吉致密油地区固井质量。通过体系解决固井过程中的水侵问题，防止后期射孔压裂造成的水泥石破坏及常规水泥石凝固造成水泥石收缩产生微间隙;

（3）韧性胶乳膨胀水泥浆防气窜性能优良，减少了油气水窜的风险。