張順平， 張森， 覃毅， 丁志偉， 靳建洲， 徐明， 于永金（.中國石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院，北京006；.中國石油集團(tuán)長(zhǎng)城鉆探工程有限公司固井公司，遼寧盤錦400；.中國石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司第一固井分公司，河北任丘0655）

張順平等.威遠(yuǎn)頁巖氣水平井高密度防竄水泥漿固井技術(shù)[J].鉆井液與完井液，2016，33（1）：63-67.

?

威遠(yuǎn)頁巖氣水平井高密度防竄水泥漿固井技術(shù)

張順平1， 張森2， 覃毅3， 丁志偉1， 靳建洲1， 徐明1， 于永金1
（1.中國石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院，北京102206；2.中國石油集團(tuán)長(zhǎng)城鉆探工程有限公司固井公司，遼寧盤錦124010；3.中國石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司第一固井分公司，河北任丘062552）

張順平等.威遠(yuǎn)頁巖氣水平井高密度防竄水泥漿固井技術(shù)[J].鉆井液與完井液，2016，33（1）：63-67.

摘要威遠(yuǎn)地區(qū)頁巖氣井固井存在地層壓力高、水泥封固段長(zhǎng)、頂?shù)诇夭畲?、后期需要進(jìn)行高能射孔完井和多級(jí)壓裂作業(yè)等特點(diǎn)，這些都對(duì)水泥漿性能提出了較高的要求。針對(duì)這些問題，采用降失水劑DRF-120L、高溫緩凝劑DRH-200L、高溫穩(wěn)定劑DRK-3S、膠乳防竄劑DRT-100L和精鐵粉研究出了密度范圍為2.20～2.40 g/cm3的高密度防竄水泥漿體系。研究結(jié)果表明，該水泥漿體系具有穩(wěn)定性好（上下密度差為0）、流動(dòng)性好、無游離液、失水量低（小于50 mL）、彈性模量低（小于7 GPa）、抗壓強(qiáng)度適中和防竄能力強(qiáng) （過渡時(shí)間均小于10 min，SPN值均為1.47～1.80）等特點(diǎn)，其各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到了川南地區(qū)頁巖氣井的固井要求。截至2015年3月底，該體系已在威遠(yuǎn)地區(qū)應(yīng)用了13口井，截至2015年6月底，在已進(jìn)行電測(cè)的6口井中，4口井優(yōu)質(zhì)，2口井合格，固井質(zhì)量均較好。

關(guān)鍵詞頁巖氣水平井；固井；膠乳高密度防竄水泥漿；威遠(yuǎn)地區(qū)

Anti-channeling High Density Cement Slurry Technology for Horizontal Shale Gas Well in Weiyuan

ZHANG Shunping1, ZHANG Sen2, QIN Yi3, DING Zhiwei1, JIN Jianzhou1, XU Ming1, YU Yongjin1
(1. CNPC Drilling Research Institute, Beijing 102206,China; 2. Cementing Branch of CNPC Greatwall Drilling Company, Panjin Liaoning 124010,China; 3. The First Cementing Branch of CNPC Bohai Drilling Engineering Company Ltd.,Renqiu Hebei 062552,China)

Abstract High formation pressures, long cementing hole sections, big temperature differences between surface and bottom hole, and high energy perforation and multi-stage fracturing in later period prevail in well cementing jobs in Weiyuan area where shale gas wells have been drilled. A high density anti-channeling cement slurry is developed to solve these problems. The cement slurry is formulated with filter loss reducer DRF-2120L, high temperature retarder DRH-200L, high temperature stabilizer DRK-3S, latex anti-channeling agent DRT-100L and purified iron powder, with the density ranging in 2.20-2.40 g/cm3. This cement slurry has good stability (density difference between the top and the bottom is zero), good mobility, no free water, low filter loss (< 50 mL), low elastic modulus (< 7 MPa), moderate compressive strength and strong anti-channeling capacity. (transit time < 10 min, SPN = 1.47-1.80), satisfying the needs for shale gas well cementing in south Sichuan. This cement slurry has been applied on 13 wells in Weiyuan till the end of March, 2015. Till the end of June, 2015, 4 wells of the 6 electric-logged wells have been successfully cemented, and the other two cemented up to scratch.

Key words Horizontal shale gas well; Well cementing; High density latex anti-channeling cement slurry; Weiyuan area

由于目前中國能源的嚴(yán)重缺口和防止過度依賴進(jìn)口，國家能源局和中石油集團(tuán)公司在西南地區(qū)大力開發(fā)頁巖氣資源。威遠(yuǎn)地區(qū)作為首批頁巖氣國家級(jí)示范區(qū)，其產(chǎn)能目標(biāo)為1×109m3/年，完成該目標(biāo)任務(wù)艱巨。其中威202區(qū)塊和威204區(qū)塊主要采用水平井鉆井和水平儲(chǔ)層段大型體積壓裂的技術(shù)進(jìn)行頁巖氣的開采，目的層為龍馬溪組。氣層采用φ215.9 mm鉆頭和油基鉆井液鉆進(jìn)，鉆井液密度達(dá)2.10～2.25 g/cm3， 下入φ139.7 mm生產(chǎn)套管固井， 水泥漿領(lǐng)漿密度為2.20～2.40 g/cm3， 水泥漿尾漿密度為1.88～1.92 g/cm3， 水平段長(zhǎng)1 000～2 000 m，水泥封固段長(zhǎng)3 000～4 500 m，固井難度較大。

1　頁巖氣井固井技術(shù)難點(diǎn)及應(yīng)對(duì)措施

威遠(yuǎn)地區(qū)頁巖氣水平井固井主要存在以下技術(shù)難點(diǎn)：①水平段泥頁巖井壁不穩(wěn)定，易垮塌，引起縮徑或埋套管事故。②四開井眼斜度大、水平段長(zhǎng)，極易導(dǎo)致套管偏心和下入困難。③井壁和套管壁上的油基鉆井液很難替凈，嚴(yán)重影響第一、二界面的膠結(jié)質(zhì)量[1]。④地層壓力高。龍馬溪組地層壓力系數(shù)達(dá)2.0， 安全密度窗口窄， 因此防竄和防漏問題同時(shí)存在。⑤對(duì)水泥漿性能要求高。高壓地層需要采用高密度水泥漿壓穩(wěn)；水泥封固段長(zhǎng)、頂?shù)诇夭畲?，頂部水泥石?qiáng)度發(fā)展慢，甚至可能會(huì)出現(xiàn)“超緩凝”現(xiàn)象[2]；水平段穿越大段泥頁巖地層， 要求水泥漿失水量低和析水量為零；頁巖氣開采前需要進(jìn)行高能射孔完井和大規(guī)模壓裂作業(yè)， 要求水泥石具有足夠的抗沖擊能力和柔韌性， 以保證井筒的密封完整性[3]。

針對(duì)以上難點(diǎn)提出了如下的應(yīng)對(duì)措施：①優(yōu)化通井鉆具組合，在井眼沉砂多、掉塊多的井段、阻卡井段進(jìn)行短程起下鉆，反復(fù)拉劃通井，通井到底后要求大排量洗井，循環(huán)至少2周以上，確保井眼通暢，無沉砂；②調(diào)整鉆井液性能，確保壓穩(wěn)油氣層，無油氣上竄，并保證井壁穩(wěn)定的前提下降低鉆井液黏度；③按固井設(shè)計(jì)要求在指定位置下入足夠數(shù)量的扶正器，確保套管偏心度小于67%；④采用高密度驅(qū)油前置液，壓穩(wěn)地層，防止井壁失穩(wěn)，提高對(duì)油基鉆井液的沖洗頂替效率；⑤采用雙凝雙密度水泥漿技術(shù)，領(lǐng)漿采用高密度防竄增韌水泥漿以壓穩(wěn)地層和防止氣竄，尾漿采用高強(qiáng)低模彈性水泥漿以滿足后期高能射孔、大型體積壓裂和長(zhǎng)期安全開采的需求；⑥施工結(jié)束，在環(huán)空進(jìn)行憋壓候凝，以防止尾漿在終凝后，領(lǐng)漿壓不住地層，從而發(fā)生環(huán)空竄流；⑦配套高壓力級(jí)別固井裝備，確保注水泥施工連續(xù)，水泥漿密度均勻，注水泥漿排量符合設(shè)計(jì)要求。

2　高密度防竄水泥漿體系研究

2.1 水泥漿配方

針對(duì)威遠(yuǎn)地區(qū)頁巖氣井生產(chǎn)套管固井水泥封固段長(zhǎng)、 頂?shù)诇夭畲蟆?地層壓力高、 界面膠結(jié)質(zhì)量差等難題， 結(jié)合不同粒徑的油井水泥（粒徑為0.053～0.270 mm）、 微硅（粒徑為0.005～0.006 mm）、 精鐵粉（粒徑為0.100～0.355 mm）等粉體材料， 采用降失水劑DRF-120L、 高溫緩凝劑DRH-200L、 高溫穩(wěn)定劑DRK-3S以及膠乳防竄劑DRT-100L等外加劑對(duì)水泥漿體系配方進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，最終研究出一套適用于威遠(yuǎn)地區(qū)頁巖氣井固井的高密度防竄水泥漿體系，配方如下。

夾江G級(jí)水泥+（65%～105%）精鐵粉+（5%～7%）微硅+（2%～2.5%）DRF-120L+（2.3%～2.5%）DRH-200L+（0.9%～1.2%）DRK-3S+（1.0%～1.3%）DRS-1S+10%DRT-100L+1.5%DRT-100LT+0.5% DRX-1L+0.5%DRX-2L， 密度為2.20～2.40 g/cm3

2.2 水泥漿常規(guī)性能評(píng)價(jià)

2.2.1 穩(wěn)定性和游離液性能

由于高密度水泥漿中各材料間的密度存在較大差異，易產(chǎn)生輕質(zhì)材料上浮、重質(zhì)材料下沉的現(xiàn)象，水泥漿體系難穩(wěn)定， 易堵塞環(huán)空通道， 影響固井質(zhì)量甚至引發(fā)固井事故。水平井固井時(shí)游離液在水平段的上部貼近井壁處聚集， 形成一條水帶， 成為油氣竄流的通道， 不利于井筒的密封和防竄。同時(shí)，由于目的層龍馬溪組大都是泥頁巖， 遇水易水化膨脹甚至坍塌。因此， 頁巖氣水平井固井水泥漿的穩(wěn)定性和游離液量是非常關(guān)鍵的性能參數(shù)，必須保證穩(wěn)定性好和無游離液存在。5組不同配方、不同密度水泥漿的穩(wěn)定性和游離液性能，如表1所示。

表1　不同配方水泥漿的穩(wěn)定性

由表1可以看出， 由于水泥漿中含有超細(xì)微硅、抗高溫穩(wěn)定劑DRK-3S、 膠乳防竄劑DRT-100L，在3者的綜合作用下，提高了水泥漿的穩(wěn)定性，無游離液出現(xiàn)， 這有利于頁巖氣水平井固井水泥漿候凝期間的防竄和對(duì)井壁的膠結(jié)密封。

2.2.2 流變性

隨著水泥漿密度增大，水泥漿塑性黏度和動(dòng)切力隨之增大，這與水泥漿外加劑和外摻料相關(guān)，包括固相組成、性質(zhì)、含量，同時(shí)也受到溫度、壓力、攪拌時(shí)間的影響[4]。通過分散劑DRS-1S、 降失水劑DRF-120L和緩凝劑DRH-200L的協(xié)同作用， 水泥漿高溫下的觸變性明顯減弱、流動(dòng)性變好，有利于窄環(huán)空生產(chǎn)套管固井的注水泥安全。高密度水泥漿在常溫和93 ℃下的流變性能參數(shù)如表2所示。

表2　不同配方水泥漿的流變性能

由表2可知，密度在2.20～2.40 g/cm3的水泥漿流動(dòng)性較好，流變性能均滿足現(xiàn)場(chǎng)泵注要求；與常溫下水泥漿流變性能相比，高溫下水泥漿的塑性黏度、動(dòng)切力、稠度系數(shù)減小，流性指數(shù)增大，說明水泥漿的流動(dòng)性變好，觸變性減弱，這有利于現(xiàn)場(chǎng)安全注水泥作業(yè)。

2.2.3 失水性

DRF-120L為AMPS類共聚物降失水劑，其分子鏈中含有雙羧基基團(tuán)和剛性鏈基團(tuán)，使其在高溫下具有較高的控制失水的能力。其適用溫度為90～200 ℃，在淡水水泥漿中加量一般為2%～5%，含鹽水泥漿中加量一般為4%～6%[5-6]。

膠乳中聚合物膠粒粒徑在0.05×10-3～0.50×10-3nm之間， 其能均勻地分散在水泥漿中， 在一定程度上可以起到降低水泥石滲透率和失水量的作用。在水泥漿中引入降失水劑DRF-120L和膠乳DRT-100L，加上微硅等超細(xì)材料的緊密堆積效應(yīng)，可以將水泥漿的API失水量控制在50 mL以內(nèi)。該高密度水泥漿的失水性能如圖1所示。圖1表明，5組水泥漿在93和120 ℃下的API失水量均小于50 mL，滿足頁巖氣水平井固井對(duì)水泥漿的低失水要求。

圖1　不同配方水泥漿分別在93和120 ℃下的API失水性能

2.2.4 稠化時(shí)間

DRH-200L為抗高溫緩凝劑， 其使用溫度超過180 ℃。采用DRH-200L配制的高密度防竄水泥漿體系稠化時(shí)間在較寬溫度范圍內(nèi)可調(diào)。圖2為3#配方水泥漿在120 ℃、 75 MPa、 60 min下的稠化時(shí)間曲線。圖3為100、 120、 140 ℃下，DRH-200L對(duì)3#配方高密度防竄水泥漿的稠化時(shí)間影響規(guī)律曲線。

圖2　3#配方水泥漿在120 ℃下的稠化時(shí)間曲線

圖3　不同溫度下DRH-200L加量對(duì)3#配方水泥漿稠化時(shí)間的影響

由圖2、 圖3可知， 該高密度防竄水泥漿的稠化時(shí)間曲線呈 “直角” 稠化， 有利于防竄； 隨著緩凝劑DRH-200L加量的增加，高密度防竄水泥漿的稠化時(shí)間呈線性遞增的趨勢(shì)發(fā)展，稠化時(shí)間易調(diào)節(jié)。

2.2.5 防竄性能

通過考察水泥漿的SPN值和靜膠凝強(qiáng)度過渡時(shí)間，來評(píng)價(jià)水泥漿的防竄性能，結(jié)果如表3所示。圖4為4#配方高密度防竄水泥漿90 ℃下的靜膠凝強(qiáng)度發(fā)展曲線。由表3和圖4可知，加入膠乳防竄劑DRT-100L的5組配方水泥漿稠化過渡時(shí)間小于10 min，SPN值均小于3，靜膠凝強(qiáng)度過渡時(shí)間小于40 min，因此該水泥漿體系具有較好的防竄性能。

表3　不同配方水泥漿的SPN值

圖4　靜膠凝強(qiáng)度發(fā)展曲線

2.3 水泥石力學(xué)性能

頁巖氣井后期的開采需要進(jìn)行射孔完井和大規(guī)模的壓裂作業(yè)，因此對(duì)于水泥石的力學(xué)性能要求比常規(guī)天然氣固井水泥石高。通過在水泥漿中加入膠乳防竄劑DRT-100L可以提高水泥石的韌性，使其能夠經(jīng)受住高能射孔彈或大規(guī)模壓裂帶來的沖擊。

5組高密度水泥石的抗壓強(qiáng)度和彈性模量性能參數(shù)見表4。1#配方水泥石養(yǎng)護(hù)168 h的三軸應(yīng)力應(yīng)變曲線見圖5。表4和圖5表明， 5組水泥漿配方均可用于溫差達(dá)90 ℃的長(zhǎng)封固段固井，且水泥石頂部（30 ℃）的48 h抗壓強(qiáng)度大于14.0 MPa；加了膠乳防竄劑DRT-100L的5組配方水泥石彈性模量均小于7 GPa，即在較大的周向應(yīng)力作用下具有較高的形變能力，具有較好的韌性。

表4　5組不同配方水泥石的部分力學(xué)性能參數(shù)

圖5　1#配方水泥石養(yǎng)護(hù)168 h的三軸應(yīng)力應(yīng)變曲線

3　配套固井工藝技術(shù)

以威204區(qū)塊典型井為例，介紹該水泥漿配套固井工藝技術(shù)。

1）高效油基沖洗隔離液技術(shù)。采用高溫懸浮穩(wěn)定劑DRY-S2、高性能加重劑DRW-2S與油基鉆井液沖洗液DRY-200L配制隔離液，其密度為2.25 g/cm3，增加前置液用量，即40 m3，提高沖洗與隔離效果。

2）平衡壓力固井技術(shù)。即固井前、 固井中、固井后“三壓穩(wěn)”技術(shù)。固井前做好承壓試驗(yàn)；采用雙凝雙密度水泥漿技術(shù)，即領(lǐng)漿使用密度為2.35 g/cm3的DRT-100L高密度防竄增韌水泥漿，尾漿使用密度為1.92 g/cm3的DRT-100S高強(qiáng)低模彈性水泥漿。既能保證壓穩(wěn)地層，又能解決高密度水泥漿強(qiáng)度發(fā)展慢且強(qiáng)度不夠高的缺陷。高強(qiáng)度低模彈性水泥漿可以很好地彌補(bǔ)，2 d抗壓強(qiáng)度大于30 MPa，彈性模量低于7 GPa。

3）井眼準(zhǔn)備技術(shù)。下套管前采用“三扶”通井，通井到底大排量循環(huán)鉆井液2周以上，調(diào)整鉆井液性能，保證井眼質(zhì)量。

4）提高套管居中度技術(shù)。采用固井軟件模擬，合理設(shè)計(jì)扶正器的種類、數(shù)量和安放位置，保證套管居中度大于67%。

5）DRT韌性水泥漿技術(shù)。對(duì)水泥石進(jìn)行韌性改造，以提高水泥環(huán)的長(zhǎng)期力學(xué)完整性，保障頁巖氣井后期的大規(guī)模體積壓裂和安全生產(chǎn)。

4　現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

威204H3-6井三開完鉆井深為5 178 m，垂深為3 079 m，水平段長(zhǎng)1 800 m，完鉆鉆井液密度為2.20 g/cm3，采用密度為2.30 g/cm3的DRT-100L膠乳高密度防竄水泥漿作為領(lǐng)漿，密度為1.92 g/cm3常規(guī)密度高強(qiáng)度低模彈性水泥漿作為尾漿和密度為2.25 g/cm3的驅(qū)油沖洗隔離液的漿柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。領(lǐng)漿用量為40 m3，尾漿用量為35 m3，領(lǐng)漿設(shè)計(jì)返高為2 000 m。施工中順利碰壓，后環(huán)空憋壓8 MPa，憋壓24 h。測(cè)井結(jié)果表明，全井固井質(zhì)量合格率為97%，優(yōu)質(zhì)率為78%，水平段合格率為100%。

采用相同的水泥漿和沖洗隔離液方案，威204H3-3井全井固井質(zhì)量合格率為98%，優(yōu)質(zhì)率為76%，水平段優(yōu)質(zhì)率為100%。

該水泥漿體系已在威遠(yuǎn)地區(qū)成功地應(yīng)用了13口井，截至2015年6月底，在已進(jìn)行電測(cè)的6口井中，4口井固井質(zhì)量?jī)?yōu)質(zhì)，2口井固井質(zhì)量合格，固井合格率為100%，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

5　結(jié)果與討論

1.DRT-100L膠乳高密度防竄水泥漿體系穩(wěn)定，流動(dòng)性好，析水量為零，API失水量小于50 mL，稠化時(shí)間易調(diào)節(jié)。

2.DRT-100L膠乳高密度防竄水泥石頂部強(qiáng)度發(fā)展快，抗壓強(qiáng)度適中，彈性模量低于7 GPa，力學(xué)性能滿足頁巖氣井固井要求。

3.DRT-100L膠乳高密度防竄水泥漿稠化過渡時(shí)間小于10 min，SPN值均小于3，靜膠凝強(qiáng)度過渡時(shí)間小于40 min，強(qiáng)度發(fā)展快，防竄效果較好。

4.DRT-100L膠乳高密度防竄水泥漿體系與常規(guī)密度高強(qiáng)低模彈性水泥漿體系、高效油基沖洗隔離液技術(shù)和其他配套的固井工藝技術(shù)在威遠(yuǎn)區(qū)塊頁巖氣井固井中配合使用取得了良好的效果，測(cè)井結(jié)果表明：采用該套固井技術(shù)的井，固井質(zhì)量均較好，達(dá)到了頁巖氣井固井高要求的目標(biāo)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]崔思華，班凡生，袁光杰.頁巖氣鉆完井技術(shù)現(xiàn)狀及難點(diǎn)分析[J].天然氣工業(yè)，2011，31（4）：72-75. Cui Sihua， Ban Fansheng， Yuan Guangjie. Status quo and challenges of global shale gas drilling and completion[J]. Natural Gas Industry，2011，31（4）：72-75.

[2]瞿佳.大溫差超高密度水泥漿固井技術(shù)研究與應(yīng)用[J].鉆井工藝，2012，35（3）：17-20. Qu Jia. Research and application on big-temperaturedifference high-density cement slurry cementing technology[J]. Drilling & Production Technology，2012，35（3）：17-20.

[3]陶謙，丁士東，劉偉，等.頁巖氣井固井水泥漿體系研究[J].石油機(jī)械，2011，39（S0）：17-19. Tao Qian，Ding Shidong，Liu Wei，et al.Research on shale gas well cementing slurry system[J].China Petroleum Machinery，2011，39（S0）：17-19.

[4]嚴(yán)海兵， 張成金， 冷永紅.精鐵礦粉加重水泥漿體系研究與應(yīng)用[J].鉆井液與完井液，2009，26（6）：43-46. Yan Haibing，Zhang Chengjin，Leng Yonghong. Research and application on pure iron-ore-powder high-density cement slurry system[J].Drilling Fluid & Completion Fluid，2009，26（6）：43-46.

[5]于永金，劉碩瓊，劉麗雯，等.高溫水泥漿降失水劑DRF-120L的制備及評(píng)價(jià)[J].石油鉆采工藝，2011，33 （3）：24-27. Yu Yongjin，Liu Shuoqiong，Liu Liwen，et al. Preparation and evaluantion of high temperature cement slurry loss reduction additive DRF-120L[J]. Drilling & Production Technology，2011，33（3）：24-27.

[6]齊奉忠， 劉愛平， 袁進(jìn)平，等.柴達(dá)木盆地北緣斷塊帶高密度防竄水泥漿固井技術(shù)研究與應(yīng)用[J].鉆采工藝，2002，25（3）：8-11. Qi Fengzhong，Liu Aiping，Yuan Jinping，et al. Research and application on high density anti channeling cement slurry cementing technology in northern qaidam basin fault block[J]. Drilling & Production Technology，2002，25（3）：8-11.

收稿日期（2015-6-19；HGF=1506M2；編輯 馬倩蕓）

作者簡(jiǎn)介：第一張順平， 助理工程師， 1985年生， 2013年畢業(yè)于西南石油大學(xué)材料學(xué)院， 獲油氣田材料與應(yīng)用專業(yè)碩士學(xué)位，現(xiàn)在主要從事固井及水泥漿的研究工作。電話 （010）80162263/13980818545；E-mail：1429849021@qq.com。

基金項(xiàng)目：國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃） 項(xiàng)目“中國南方海相頁巖氣高效開發(fā)的基礎(chǔ)研究”課題3“頁巖氣水平井鉆完井關(guān)鍵基礎(chǔ)研究”（2013CB228003）。

doi:10.3696/j.issn.1001-5620.2016.01.013

中圖分類號(hào)：TE256.6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-5620（2016）01-0063-05