合川001-84-H1井固井水泥浆体系研究与应用

宋伟宾，卢海川，周 雪，滕兆健，刘 勇，李建华

（中国石油集团海洋工程有限公司渤星公司，天津 300451）

位于四川盆地的合川区块地处川渝交界，天然气资源储量丰富，是我国非常规油气资源的重要组成部分，主力含气层系为须家河二段。合川001-84-H1井位于四川省广安市武胜县，构造位置处于合川须三底界构造西端，属合川区块。该区块漏失层系多，沙溪庙至须家河组孔隙裂缝发育，该层位渗透性漏失与裂缝性漏失并存，特别是马鞍山—珍珠冲层段为区域性恶性漏层，井漏失返频繁[1]。合川构造气层活跃，该区块单井平均日产气约40×104m3[2]，对防气窜提出了很高要求，同时该井后续要进行压裂等增产措施，要求水泥石有较好的韧性。

1 固井难点分析

（1）该区块地层承压能力低，漏失层系多，固井施工时存在较大的漏失风险；

（2）气层活跃，水泥浆在候凝过程中存在气窜风险；

（3）水平段长1532m，下套管难度大。下套管摩阻大，易遇卡，对固井工具及附件的可靠性要求非常高；

（4）多层系气层活跃且地层承压能力差，一次上返封固段长，安全密度串口窄，压稳和防漏矛盾突出；

（5）固井后，页岩产层需要大型压裂改造，对水泥石性能（韧性）要求高。

2 固井方法和主要技术措施

2.1 固井方法

本井∅215.9mm 钻头钻深3855m，∅139.7mm 套管下深3853m。A点2323m,B点3855m，水平段长1532m，最大垂深2089m。上层∅244.5mm 套管下深2193m。

采用一次上返方式固井，水泥浆采用双凝双密度水泥浆体系，井底到2000m采用1.90g/cm3的增韧防窜水泥浆体系，2000m 到井口采用1.55g/cm3的纳米基低密度水泥浆体系。

2.2 主要技术措施

本次∅139.7mm 生产套管固井，固井封固段、水平段长，全井段承压能力低，多层系，尤其是目的层气层活跃，为保证固井施工顺利完成，采取如下措施：

（1）调整好洗井钻井液性能，为井眼替净提供条件，在下套管前，双扶通井，对阻卡井段认真做好划眼工作，消除井壁台阶，确保井眼圆滑、无阻卡；

（2）下套管前进行地层承压实验，要求钻井队进行地层承压能力实验时，缓慢增加压力，使井底当量密度达到1.62g/cm3，满足固井施工安全需要，确保下套前井底安全方可进行下套管作业，下套管前如发生井漏，堵漏成功后进行固井；

（3）在下套管过程中，控制下套管速度，分段循环，减小后期循环阻力，降低井漏风险；

（4）下完套管后，小排量顶通，循环30min以上，后采用1.6m3/min排量循环2周以上，钻井液粘度调整到80s以下，进出口密度差小于0.02g/cm3。循环过程中，如果出现漏失，测好漏失速度，水泥量按漏失速度考虑附加量；

（5）保证水平段套管居中度，水平段1 根套管安放1个整体弹性扶正器，为套管顺利下入和提高固井顶替效率创造条件；

（6）优化水泥浆设计，提高气层封固效果和水泥环质量，固井前按照最大施工排量充分循环排除后效。领浆使用纳米基低密度水泥浆体系，满足产层压稳和防漏固井需要；水平段使用增韧防窜水泥浆体系，实现水泥浆低失水、零自由水、短过渡、韧性强等目标，有效解决气层封固质量问题。

3 水泥浆体系

3.1 纳米基低密度水泥浆体系

低密度水泥浆体系包括需水类、空心微珠类和泡沫类等三种类型[3]。需水类低密度水泥浆主要包括膨润土、水玻璃和粉煤灰等，其优点是成本低且耐压，缺点是稠化时间和失水等性能不易调节、强度发展缓慢和渗透率大等。空心微珠类低密度水泥浆体系优点是强度较高、密度易调节，缺点是不耐压，或者耐压的成本较高。泡沫类低密度水泥浆体系分为机械发泡和化学发泡两种水泥浆体系，机械发泡类设备，工艺都较复杂，化学发泡类水泥浆的密度不易控制。

为克服现有低密度水泥浆体系的缺点，研制了新型纳米基减轻增强材料BCE-680S。并以BCE-680S为核心形成了纳米基低密度水泥浆体系，该体系具有高强度、高耐压和稳定性良好等特点。根据BCE-680S 和水的加量不同，可设计出不同密度的纳米基低密度水泥浆体系，

分别从以BCE-680S为核心形成的纳米基低密度水泥浆体系的抗压强度、稳定性和耐压性能等方面进行评价。

3.1.1 抗压强度性能

以BCE-680S为核心形成的纳米基低密度水泥浆体系虽然液固比大，但是纳米材料高反应活性使得水泥石抗压强度较高。评价结果见表1。

表1 实验结果显示，相同缓凝剂加量条件下，水泥石抗压强度随水泥浆密度和养护温度的升高而增大，1.35g/cm3以上密度的纳米基低密度水泥浆体系48h抗压强度大于14MPa，与常规密度水泥浆的抗压强度相当，满足固井技术要求。

表1 水泥石抗压强度评价

3.1.2 沉降稳定性性能

由于油井水泥外加剂的部分降解或高温剪切稀释作用等因素，水泥浆稳定性变差，易造成环空憋堵。因此，水泥浆沉降稳定性是保证固井安全施工的关键之一。对不同温度和密度下的水泥浆沉降稳定性进行了评价，评价结果见表2。

评价方法：将制备好的水泥浆倒入常压稠化仪中，在目标温度下搅拌20min，然后倒入500mL量筒，在目标温度养护箱内静置2h。取出测上部、中部、下部密度。水泥浆上下密度差=水泥浆下部密度-上部密度。

表2实验结果显示，该水泥浆体系养护后上下密度差小于0.03g/cm3，具有良好的沉降稳定性，这主要是由于该体系中的纳米材料的尺寸特性和表面特性起到了良好的悬浮作用，进一步保证了浆体持续稳定。

表2 纳米基低密度水泥浆沉降稳定性评价

3.1.3 耐压性能

耐压性能是纳米基低密度水泥浆体系的一大特点，该体系以水作为减轻剂，故而耐压性能良好。评价结果见表3。

表3 60MPa条件下水泥浆耐压评价

评价方法：测量制备好的水泥浆的密度，然后将其倒入高温高压稠化仪中，按照升温升压方案将温度和压力升至目标温度和压力后恒温恒压继续搅拌30min，然后停机，取出水泥浆，测量养护后的水泥浆密度。水泥浆加压前后密度差=养护后水泥浆密度-养护前水泥浆密度。

表3实验结果显示，温度对该水泥浆体系耐压性能影响不大，随着水泥浆密度的升高，耐压性能有所增强。该水泥浆体系在60MPa压力下加压前后密度差小于0.03g/cm3，具有良好的耐压性能。

3.2 增韧防窜水泥浆体系

增韧防窜水泥浆体系是一种聚合物柔性水泥浆体系。其机理是通过在水泥浆中引入高分子柔性聚合物（BCG-300S），形成抑制渗透的柔性聚合物薄膜，防止流体侵入水泥浆，起到防窜的效果；同时当水泥石受到外部冲击时，该柔性聚合物可以分散一定的应力，增加了水泥石的变形能力，从而改善了水泥石的韧性。

3.2.1 防窜性能

根据SY/T 5504.5-2010行业标准，进行了水泥浆防窜试验，结果见图1。图1 表明，增韧防窜水泥浆体系防窜性能优良。

图1 增韧防窜水泥浆体系防窜实验

3.2.2 增韧防窜水泥浆体系水泥石力学性能

增韧防窜水泥浆体系的水泥石力学性能见图2。

从图2可以看出，增韧防窜水泥浆体系在较高抗压强度下随BCG-300S 掺量增加弹性模量明显下降，说明该体系有较好的韧性。

图2 增韧防窜水泥浆体系弹性模量

3.2.3 膨胀性能

增韧防窜水泥浆体系中聚合物与水泥水化产物相互作用，使得水泥石表现出一定的膨胀性能，有利于改善水泥石界面胶结。结果如表4所示。

表4 膨胀性能

4 现场应用

合川001-84-H1 井设计井深3818m，实际完钻井深3855m，垂深2078m，钻进采用∅215.9mm 钻头，下入∅139.7mm套管进行固井。该井在3651m钻进过程发生井漏，漏失密度1.50g/cm3，漏失量12m3，经桥浆堵漏成功堵漏。在垂深2057m 处做地层承压实验，当量钻井液密度1.58g/cm3未压破。

根据合川001-84-H1 井钻井复杂和地破实验等条件对∅139.7mm 生产套管固井的要求，确定固井实验条件（75℃×35MPa×35min），领浆纳米低密度水泥浆密度为1.55g/cm3，尾浆增韧防窜水泥浆密度为1.90g/cm3。实验研究了水泥浆体系的稠化、失水、抗压强度、游离液、稳定性和耐压能力等综合性能，实验结果见表5，稠化曲线见图3和图4。

图3 领浆（75℃）稠化曲线

图4 尾浆（75℃）稠化曲线

表5 水泥浆体系综合性能

领浆实验配方：四川嘉华G级水泥+纳米基减轻增强材料BCE-680S40%+降失水剂BCF-200S 4%+缓凝剂BXR-200L0.35%+水95%+消泡剂G603 0.5%，密度为1.55g/cm3。

尾浆实验配方：四川嘉华G级水泥+防窜剂BCG-300S5%+降失水剂BCF-200S2%+缓凝剂BXR-200L 0.10%+水43%+消泡剂G603 0.5%，密度为1.90g/cm3。

从表5、图3和图4可以看出，纳米基低密度水泥浆体系稠化线型良好，API 失水可控制在50mL 以内，养护后水泥浆无游离液，上下密度差小于0.03g/cm3，35MPa 加压前后密度差小于0.03g/cm3，48h 水泥石底部抗压强度在14MPa 以上，顶部强度大于3.5MPa；增韧防窜水泥浆体系失水，稳定性等性能良好，抗压强度高，弹性模量低，满足现场施工要求和后期压裂等增产措施的需要。

2020年9月实施固井施工，注入20m3密度为1.53g/cm3的驱油型隔离液，47m3密度为1.55±0.02g/cm3的纳米基低密度水泥浆和50m3密度为1.90g/cm3的增韧防窜水泥浆，替浆总量为42m3。现场施工顺利，碰压明显，纳米基低密度水泥浆返出地面，未发生漏失，井口返出水泥浆密度1.54g/cm3，说明纳米基低密度水泥浆的实际耐压性能良好。测井结果显示固井质量优质，满足固井要求。

5 结论

（1）针对合川001-84-H1 井地层特性和固井难点，以BCE-680S 为核心形成的纳米基低密度水泥浆体系和以BCG-300S 为核心的增韧防窜水泥浆体系，综合性能满足该井固井需求。

（2）该纳米基低密度水泥浆体系与增韧防窜水泥浆体系共同形成的双凝双密度水泥浆体系在合川区块合川001-84-H1 井成功应用，现场固井施工顺利，固井效果良好，为后续合川区块的固井施工提供了一定的借鉴。