付雄濤，羅延慶，楊曉龍，劉 云

（1.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司長慶固井公司，陜西西安 710018；2.中國石油長慶油田蘇里格氣田開發(fā)分公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017300；3.西安長立油氣工程技術(shù)服務(wù)有限公司，陜西西安 710065）

長慶蘇里格氣田是典型的“三低”氣田，為提高開發(fā)效益，越來越普及水平井開采技術(shù)。水平井在低孔低滲、非常規(guī)油氣藏中應(yīng)用效果良好，較長的水平段與油氣層接觸面積廣，能大大提高采收率[1]。近年來，隨著鉆井技術(shù)的提升，水平段長度越來越長。蘇里格區(qū)域水平井主要為三開結(jié)構(gòu)：一開Φ346.0 mm 鉆頭+Φ273.0 mm表層套管；二開Φ222.2 mm/215.9 mm 鉆頭+Φ177.8 mm技術(shù)套管；三開Φ152.4 mm 鉆頭+Φ114.3 mm 生產(chǎn)套管。技術(shù)套管一般下至水平段入窗點，部分井技術(shù)套管封固易漏層，下至石千峰組。水平段固井采用一次上返，水泥返至技術(shù)套管內(nèi)800 m 以上，水平段固井主要使用低彈模高強韌性水泥漿體系以滿足高強度壓裂改造需求。2020 年蘇里格區(qū)域部署的桃2-H 井，水平段長4 466 m，創(chuàng)造了區(qū)域最長水平段記錄，但在固井施工中出現(xiàn)了失返性漏失。為了保證長水平段一次上返成功，上部井段采用低密度水泥漿體系降低施工壓力，保證水泥返高。常用的低密度水泥漿體系耐壓性能差，經(jīng)過井底高壓后顆粒破碎、密度升高、流動度變差、范寧摩阻系數(shù)變大，導(dǎo)致實際施工壓力高出理論施工壓力，甚至造成漏失發(fā)生。

1 普通低密度水泥漿體系

1.1 水泥漿體系類型及對比

目前常用的低密度水泥漿體系減輕材料種類較多，主要包括玻璃微珠、珍珠巖、粉煤灰等。不同的減輕材料來源不同，性能差異較大，所配制的水泥漿體系都有一定的密度限制。珍珠巖屬于火山玻璃質(zhì)熔巖，屬富含SiO2的酸性巖類，密度一般為2.40 g/cm3，堆積密度為0.10～0.20 g/cm3，孔隙間可吸存比自質(zhì)量重5～6 倍的水分。這類減輕材料耐壓能力有限，通常壓力超過20 MPa 就會出現(xiàn)大量破碎，致使實際水泥漿體系密度明顯增加，無法滿足一些高壓易漏井的要求。粉煤灰作為一種來源廣、成本低，且具有潛在活性的減輕材料，具有較好的應(yīng)用價值。其形狀各不相同，粒徑大小不等，一般在0.5～300.0 μm，堆積密度為1.00～1.80 g/cm3，真密度為2.00～2.60 g/cm3，其配制的水泥漿體系密度一般在1.50～1.55 g/cm3，難以獲得密度再低的水泥漿體系。玻璃微珠是一種人造的空心微珠，其真密度在0.20～0.60 g/cm3，粒徑在2.0～130.0 μm，具有質(zhì)量輕、抗壓強度高、流動性好等特點。其優(yōu)點是可人為控制密度，制備性能優(yōu)良的超低密度水泥漿體系，耐壓程度可通過工藝控制，制備出耐壓程度很強的空心微珠，從而滿足高壓復(fù)雜地層的固井需求。其缺點是成本很高，在低成本開采模式下不利于其推廣應(yīng)用[2]。

實驗主要通過增壓稠化儀來測試對比常用水泥漿體系的耐壓能力。具體做法是：配制低密度水泥漿體系測定初始密度，在增壓稠化儀內(nèi)加壓至一定壓力并保持恒定壓力30 min，再取出漿杯測試加壓后水泥漿體系的密度，減輕劑含有一定的空心材料，存在隨壓力增加水泥漿體系密度增大的情況，水泥漿體系前后密度差反映出水泥漿體系的破碎率高低。實驗中對常用的低密度水泥漿體系加壓40 MPa，測試結(jié)果見表1。

表1 不同水泥漿體系加壓40 MPa 后密度變化

由表1 可知，常用的膨脹珍珠巖類低密度水泥漿體系在經(jīng)過井底高壓后，體系密度明顯增加。破碎的膨脹珍珠巖內(nèi)空氣被釋放出來，在頂替運移過程中發(fā)生氣體滑脫效應(yīng)[3]，帶動輕質(zhì)膨脹珍珠巖碎屑運移，易在環(huán)空發(fā)生聚集堵塞，施工壓力增大。粉煤灰體系雖然具有很好的耐壓性能，但可配制的水泥漿體系密度有限，在易漏區(qū)塊、超深井中使用存在一定缺陷。

1.2 低密度水泥漿體系的應(yīng)用情況

目前輕珠體系和粉煤灰體系都在蘇里格區(qū)域水平段固井中有所使用。通過統(tǒng)計分析，裸眼尺寸按鉆頭擴大6%，基本與實際環(huán)容相符，碰壓排量一般為8 L/s，Φ177.8 mm 技術(shù)套管壁厚為9.19 mm，Φ114.3 mm 生產(chǎn)套管壁厚為7.37 mm，根據(jù)水泥漿體系流變參數(shù)計算范寧摩阻系數(shù)[4]，進而計算理論施工壓力。選取使用輕珠體系的靖27-81H1、雙24-76H2 和使用粉煤灰體系的蘇東40-26H2、蘇東17-43H2 四口水平井進行對比分析，其實際施工情況見表2。

表2 四口水平井施工情況統(tǒng)計

從表2 可以看出，輕珠體系施工摩阻明顯要高于粉煤灰體系，這與膨脹珍珠巖類材料耐壓性差的結(jié)果是一致的。理想的低密度水泥漿體系要具備密度低、漿體穩(wěn)定、耐壓性好、摩阻低等特點。

2 低摩阻水泥漿體系評價

通過篩選評價，以實芯的超細粉體為主要材料的次納米硅復(fù)合材料具有較高抗壓強度。該材料主要以粒徑尺寸不同的超細礦渣、超細微硅、粉煤灰、珍珠巖等復(fù)配，加以合適的激活劑，有效控制水化速度，對粉煤灰和礦渣進一步激活，更好的提高體系的結(jié)構(gòu)強度。通過室內(nèi)大量的實驗篩選，調(diào)配出密度為1.40 g/cm3的低摩阻水泥漿體系，稠化時間可調(diào)。配方為：35%G 級水泥+40%次納米硅+25%粉煤灰+6%微硅+2%降失水劑+0.8%緩凝劑，水固比0.9。

2.1 低摩阻水泥漿體系耐壓性能實驗

針對低摩阻水泥漿體系，在不同的壓力下進行測試，結(jié)果見表3，可以看出該體系超過50 MPa 后破碎率基本不再增加，密度增加值保持在0.04 g/cm3，在深井中使用仍具有較好的耐壓性能。

表3 低摩阻水泥漿體系不同壓力下密度變化

2.2 低摩阻水泥漿體系流變性能實驗

通過六速旋轉(zhuǎn)黏度計測量低摩阻水泥漿體系在常溫和井底高溫下的流變參數(shù)，結(jié)果見表4。由表4數(shù)據(jù)可以看出，低摩阻水泥漿體系經(jīng)過高溫后仍然具有較小的稠度系數(shù)，漿體具有較好的流動性和穩(wěn)定性。

表4 低摩阻水泥漿體系流變參數(shù)

2.3 低摩阻水泥漿體系綜合性能評價

室內(nèi)對低摩阻水泥漿體系沉降穩(wěn)定性、抗壓強度、游離液等進行測試，并根據(jù)流變參數(shù)計算出不同低密度水泥漿體系的范寧摩阻系數(shù)，見表5。由表5 可知，低摩阻水泥漿體系流動性好，具有較小的范寧摩阻系數(shù)。

表5 不同低密度水泥漿體系的綜合性能對比

3 現(xiàn)場應(yīng)用

桃2-H 井位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市烏審旗蘇力德蘇木，為常規(guī)三開結(jié)構(gòu)水平井，水平段長度3 931 m，垂深3 190.5 m。二開Φ177.8 mm 技術(shù)套管，壁厚9.19 mm 套管下深2 998.73 m，壁厚10.36 mm 套管下深3 430.00 m；三開Φ114.3 mm 生產(chǎn)套管，壁厚8.56 mm 下深7 371.54 m。完鉆鉆井液密度1.35 g/cm3。固井施工注前置隔離液4 m3，注1.40 g/cm3的低摩阻水泥漿體系11 m3，注1.80 g/cm3的常規(guī)密度中漿18 m3，注1.85 g/cm3的常規(guī)密度尾漿25 m3，驅(qū)替量54.8 m3碰壓，壓力0～18～25 MPa，碰壓前排量8 L/s。測三樣水泥返高2 421 m，固井質(zhì)量合格。

通過反推計算出各水泥漿體系的實際封固段和實際摩阻壓力，由各流體的流變參數(shù)計算出理論摩阻壓力，結(jié)果見表6。

表6 桃2-H 井摩阻壓力對比

與其他水泥漿體系相比，在裸眼段加長的情況下，應(yīng)用低摩阻水泥漿體系，實際施工壓力下降5～6 MPa，由表6 可以看出，理論摩阻壓力6.8 MPa，與反推實際摩阻壓力接近，說明水泥漿體系相對穩(wěn)定，在井底高壓后性能變化不大。

4 結(jié)論

（1）通過對比分析發(fā)現(xiàn)，常用的低密度水泥漿體系經(jīng)井底高壓后密度普遍增高，施工摩阻變大，膨脹珍珠巖類低密度水泥漿體系更為明顯。

（2）通過篩選評價，調(diào)配以次納米硅復(fù)合材料為減輕劑的低摩阻水泥漿體系，耐壓性好、摩阻低，具有較好的流動性。

（3）低摩阻水泥漿體系在桃2-H 井長水平段固井中使用，實際施工壓力下降5～6 MPa，理論摩阻壓力與實際接近，有效控制施工起壓壓力18 MPa，固井質(zhì)量合格，為后期長水平段固井施工提供參考基礎(chǔ)。