汪杰 周福建 王云 劉洪利 牛莉 黃怡瀟

1.中國(guó)石油大學(xué)非常規(guī)天然氣研究院；2.西部鉆探鉆井工程技術(shù)研究院；3.新疆油田公司勘探開(kāi)發(fā)研究院；4.斯倫貝謝中國(guó)公司

吉木薩爾凹陷位于準(zhǔn)噶爾盆地東部隆起的西南部，主要以二疊系蘆草溝組為目的層系，大部分烴源巖有機(jī)碳含量大于1.0%，其中泥巖平均含量為6.1%，白云巖類平均含量為3.2%，儲(chǔ)集層被烴源巖包裹，屬于自生自儲(chǔ)、源儲(chǔ)一體的典型致密油藏。據(jù)統(tǒng)計(jì)吉木薩爾致密油儲(chǔ)層平均層厚200～350 m、孔隙度10%～15%、滲透率0.01～1.0 mD，具有特低滲、層厚、砂泥巖薄互層發(fā)育等特點(diǎn)，采用超長(zhǎng)水平井開(kāi)采，需要對(duì)超長(zhǎng)水平井段射孔及多級(jí)壓裂才能實(shí)現(xiàn)該類油藏的商業(yè)化開(kāi)采［1-5］。

超長(zhǎng)水平井固井主要存在以下難點(diǎn)：（1）水平井裸眼段長(zhǎng)1 800 m，水平段油層套管重力全部作用在井壁下端，造成下套管摩阻大，安全下至井底有一定難度，為降低套管下放阻力，故減少扶正器使用數(shù)量，造成下入套管居中度不高；（2）水泥漿在水平段易造成沉降、失水、析水等，且水泥漿膠結(jié)過(guò)程中，水平段水泥漿重力無(wú)法完全作用于井底形成靜液柱壓穩(wěn)效果，易造成地層流體入侵影響水泥漿膠結(jié)質(zhì)量；（3）小井眼環(huán)空間隙小，固井過(guò)程中鉆井液清洗效率及頂替效率低，影響固井質(zhì)量；（4）采用鉀鈣基混油鉆井完井液體系，影響水泥漿膠結(jié)及水泥漿與井壁的第一膠結(jié)面質(zhì)量；（5）壓裂裂縫延伸壓力約70 MPa（超過(guò)水泥石強(qiáng)度），對(duì)不同層位間的水泥石強(qiáng)度、韌性要求較高［6-14］。同時(shí)，射孔及多級(jí)壓裂對(duì)水泥環(huán)會(huì)造成較強(qiáng)的沖擊作用而破壞水泥石的完整性，不同層間壓力體系和潛在水層對(duì)致密油氣井長(zhǎng)期穩(wěn)產(chǎn)存在干擾風(fēng)險(xiǎn)。以吉木薩爾致密油藏的X井為例，通過(guò)對(duì)水泥石力學(xué)性能的優(yōu)化，在提高固井質(zhì)量的基礎(chǔ)上，確保射孔及多級(jí)壓裂后水平井段水泥石完整性，尋找降低層間干擾和邊底水侵等問(wèn)題的有效解決方法。

1 水泥漿體系及其性能評(píng)價(jià)

1.1 水泥漿體系配方

為提高水泥漿體系的穩(wěn)定性和防竄能力，在韌性膨脹膠乳水泥漿體系中加入防竄劑、膨脹劑并采用顆粒級(jí)配理論。

水泥漿材料：天山G級(jí)油井水泥（密度3.20 g/cm3），新疆天山水泥股份有限公司；大顆粒材料 D181（漂珠），小顆粒填充劑 D178（硅粉），膨脹劑D174，高溫抗衰減劑D154，消泡劑D047，分散劑D145，緩凝劑D081，防竄劑D600G，防沉降劑D153，均來(lái)自斯倫貝謝中國(guó)公司；清水取自吉木薩爾井場(chǎng)。

實(shí)驗(yàn)儀器：3260型水泥漿混配器，3530型電動(dòng)六速黏度計(jì)，4300型水泥漿靜態(tài)失水儀，8040型水泥漿稠化儀，4265型水泥漿超聲波強(qiáng)度分析儀，均來(lái)自美國(guó)CHANDLER公司；YYM型液體壓力密度計(jì)，青島膠南分析儀廠；HH型恒溫水浴鍋，青島聚創(chuàng)環(huán)保公司。

優(yōu)化后的水泥漿密度1.80 g/cm3，配方：48%混灰體積D181+42%%混灰體積G級(jí)水泥+10%混灰體積D178+5%水泥質(zhì)量D174+4%混灰質(zhì)量D154+0.33%水泥質(zhì)量D047+2.91%水泥質(zhì)量D145+0.10%水泥質(zhì)量D081+23.68%水泥漿質(zhì)量D600G+0.25%水泥質(zhì)量D153+43.13%水泥質(zhì)量井場(chǎng)清水。

1.2 水泥漿性能評(píng)價(jià)

1.2.1 穩(wěn)定性 按照標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)流程配置及養(yǎng)護(hù)水泥漿后，取100 mL量筒，倒入10 mL水泥漿體系和90 mL淡水搖勻。在循環(huán)溫度80 ℃條件下靜置養(yǎng)護(hù)4～5 h，并參考膠乳體系穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析確定膠乳穩(wěn)定性。如圖1所示，（a）參照穩(wěn)定膠乳體系，固相水泥沉淀于混合液底部，白色膠乳體系自上而下均勻分布量筒中；（b）參照非穩(wěn)定膠乳體系，固相水泥沉淀于混合液底部，膠乳絮凝在水泥上部，清水在量筒最上部；（c）現(xiàn)場(chǎng)用膠乳體系具有良好的穩(wěn)定性，能夠滿足施工要求。

1.2.2 防竄性能評(píng)價(jià) 防竄膠乳體系采用微顆粒材料，具有降低水泥漿體系的滲透率和孔隙度作用，增強(qiáng)其防竄、防侵能力。同時(shí)，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明水泥漿在井內(nèi)失重環(huán)境下，靜膠凝值從0 Pa升至200 Pa，用時(shí)3.5 min，防竄、防侵能力強(qiáng)，如圖2所示。

圖1 循環(huán)溫度80 ℃下膠乳體系的穩(wěn)定性測(cè)試Fig. 1 Stability test on latex system at the circulating temperature of 80 ℃

圖2 水泥漿靜膠凝防竄性能測(cè)試曲線Fig. 2 Anti-channeling property of static gelling of slurry

1.2.3 膨脹性 水泥漿凝固后具有一定的膨脹性能，解決套管收縮、地層蠕動(dòng)等造成的微環(huán)空問(wèn)題，如圖3所示。

圖3 水泥環(huán)線性膨脹率測(cè)試Fig. 3 Linear expansion rate of cement sheath

膨脹率的具體計(jì)算公式為

式中，P為水泥石膨脹率，%；L為膨脹環(huán)的周長(zhǎng)，mm；L1和L2分別為水泥漿倒入試模后和水泥漿養(yǎng)護(hù)到期齡后測(cè)得的膨脹環(huán)間距，mm。

通過(guò)水泥環(huán)線性膨脹率測(cè)試裝置測(cè)定油層溫度81 ℃和壓力70 MPa條件下的線性膨脹率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，水泥漿中加入5%水泥質(zhì)量的膨脹劑，在確保水泥石強(qiáng)度的條件下，水泥漿凝固后的膨脹率達(dá)到1.4%，有效解決了微環(huán)空或微間隙問(wèn)題（如圖4所示），同時(shí)水泥石適量的膨脹率不僅有利于彈性水泥漿不斷閉合微裂縫，而且會(huì)增大水泥環(huán)與界面的膠結(jié)強(qiáng)度，增大壁面抗水壓滲透能力，阻止流體在環(huán)空中竄移。

圖4 水泥環(huán)線性膨脹率隨時(shí)間變化曲線Fig. 4 Relationship of linear expansion rate of cement sheath vs.time

1.3 水泥漿顆粒級(jí)配優(yōu)化

如圖5所示，采用顆粒級(jí)配和緊密堆積理論，將大顆粒彈性材料（D181）、中顆粒材料（天山G級(jí)油井水泥）、細(xì)顆粒材料（D178）等其他外加劑合理搭配（大、中、小顆粒占混灰體積比例為48∶42∶10），中顆粒材料充填大顆粒材料孔隙，小顆粒材料充填中顆粒材料孔隙，并利用不同材料的密度差異。與常規(guī)水泥漿體系相比，同等密度1.80 g/cm3下的水泥漿體系固相含量高達(dá)55%以上（常規(guī)水泥漿體系固相含量為35%～40%），可減小水泥漿孔隙度，提高水泥漿穩(wěn)定性與水泥石機(jī)械性能。

圖5 固相顆粒級(jí)配示意圖Fig. 5 Sketch of solid particle size distribution

2 水泥石力學(xué)性能測(cè)試

使用力學(xué)軟件模擬水泥石在受到拉伸、擠壓等作用下的力學(xué)完整性。分別模擬密度1.90 g/cm3和1.80 g/cm3的水泥石在壓裂過(guò)程中壓差0～70 MPa、溫差0～45 ℃變化范圍內(nèi)的完整性。結(jié)果表明：密度1.90 g/cm3的水泥石在拉伸和壓縮作用下不會(huì)受到破壞，但由于套管、地層膨脹和收縮會(huì)造成微環(huán)空問(wèn)題，而微環(huán)空會(huì)造成環(huán)空帶壓和層間竄流，進(jìn)而影響產(chǎn)能；密度1.80 g/cm3的水泥漿，相同壓力和溫度變化范圍內(nèi)，受拉伸和壓縮時(shí)不會(huì)被破壞，且無(wú)微裂縫產(chǎn)生。因此優(yōu)選密度為1.80 g/cm3的水泥漿體系。

實(shí)驗(yàn)室測(cè)定致密油地層、套管和水泥石三者的彈性模量和泊松比，對(duì)比分析三者在受同等作用力下優(yōu)先破壞程度，如表1所示，在受到同等應(yīng)力作用下，水泥石具有較低的彈性模量和較大的泊松比，展現(xiàn)出良好的彈性和韌性，水泥石受到保護(hù)。

表1 套管、頁(yè)巖、水泥石三者力學(xué)性能對(duì)比Table 1 Mechanical property comparison between casing, shale and set cement

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 X井概況

X井一開(kāi)?444.5 mm鉆頭鉆至500 m，?339.7 mm表層套管下深498 m；二開(kāi)?241.3 mm鉆頭鉆至2 400 m，換?215.9 mm鉆頭鉆至2 910 m，?177.8 mm技術(shù)套管下深2 810 m；三開(kāi)?152.4 mm鉆頭鉆至5 273 m，?114.3 mm油層套管下深5 225 m。全井垂深3 259 m，最大井斜89.7°，造斜點(diǎn)位于2910 m處，水平段長(zhǎng)1 800 m。針對(duì)致密油儲(chǔ)層水敏等特性，為更好地保護(hù)地層不受鉆井液傷害、保持井壁穩(wěn)定性，采用密度1.55 g/cm3的鉀鈣基混油鉆井完井液體系。設(shè)計(jì)油層套管封固井段位于造斜點(diǎn)以上200 m，即封固水泥漿返高面位于2 710～2 910 m井段。

為降低套管下放過(guò)程中的遇阻風(fēng)險(xiǎn)，采用?147 mm單扶+雙扶正器鉆具組合通井2次至無(wú)明顯阻卡為止；水平段采用剛性扶正器確保套管居中，并采用軟件模擬優(yōu)化居中度、扶正器數(shù)量與下放阻力；套管下放到位后，充分循環(huán)鉆井液并注意觀察排量與壓力變化情況。

3.2 施工步驟

固井主要施工步驟：連接設(shè)備與管線，進(jìn)行試壓；以0.75 m3/min排量泵注密度為1.55 g/cm3的前置隔離液15 m3；投上膠塞；以0.75 m3/min排量泵注密度為1.60 g/cm3的低密度漂珠水泥漿36 m3；以0.75 m3/min排量泵注密度為1.80 g/cm3的韌性膨脹防竄水泥漿22 m3；投下膠塞；以0.75 m3/min泵注密度為1.55 g/cm3的后置隔離液4 m3，轉(zhuǎn)注密度為1.50 g/cm3的鉆井液頂替；碰壓后泄壓檢查回流正常，拆卸設(shè)備，水泥漿候凝48 h后進(jìn)行測(cè)井。

3.3 應(yīng)用效果

根據(jù)CBL/VDL測(cè)井結(jié)果解釋為全井固井質(zhì)量合格，目的層段固井質(zhì)量為優(yōu)，其CBL聲幅值均小于20%。同時(shí)根據(jù)X井生產(chǎn)數(shù)據(jù)可知，自2014年7月11日投產(chǎn)至2017年5月21日未產(chǎn)水，油井沒(méi)有出現(xiàn)層間竄流等其他異常情況。該水泥漿體系滿足超長(zhǎng)水平井固井質(zhì)量及壓裂施工后水泥石完整性和封隔性要求。

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

（1）力學(xué)分析軟件和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：韌性膨脹防竄水泥漿體系具有較好的穩(wěn)定性；防竄、防侵能力強(qiáng)；水泥石適量的膨脹率不僅有利于彈性水泥漿不斷閉合微裂縫，而且會(huì)增大水泥環(huán)與界面的膠結(jié)強(qiáng)度，增大壁面抗水壓滲透能力，阻止流體在環(huán)空中竄移。

（2）水泥石的力學(xué)參數(shù)測(cè)試表明，水泥石具有較低的彈性模量和較大的泊松比，展現(xiàn)出良好的彈性和韌性。

（3）致密油藏超長(zhǎng)水平井采用韌性膨脹防竄水泥漿體系固井，既能提高水平段固井質(zhì)量，又能確保射孔及壓裂施工后水泥石的完整性，建議在同類井中使用韌性膨脹膠乳防竄水泥漿體系固井。