新疆油田玛湖地区水泥浆体系弹塑性加量优选

徐岩 杨焕强 李青山

摘      要： 体积压裂是新疆油田玛湖地区提高油气产量的主要技术手段，由于水力压裂施工过程中套管内压力循环变化，使得水泥环防应力破坏面临着巨大挑战。针对体积压裂过程中水泥环的应力破坏问题，利用全尺寸水泥环密封完整性评价装置，开展了弹性水泥浆体系不同弹塑剂JTS-1加量对水泥环完整性的影響试验，综合考虑弹塑剂JTS-1加量对水泥浆流变学影响，形成了适合新疆油田玛湖地区水力压裂工况的弹性水泥浆体系。结果表明：随着弹塑剂JTS-1加量的增大，水泥浆弹性模量降低，水泥环防应力破坏能力增大，但水泥浆黏度增大，降低了水泥浆流变性，经实验优选，推荐弹塑剂JTS-1加量为6%～8%。

关  键  词：玛湖油田;体积压裂;水泥环;弹性水泥;流变性

中图分类号：TE256+.6        文献标识码： A      文章编号： 1671-0460（2020）10-2235-04

Abstract： Volume fracturing is the main technical means to increase oil and gas production in Mahu area of Xinjiang oilfield. Due to the change of circulating pressure in casing during hydraulic fracturing construction， the integrity of cement sheath seal is facing tremendous challenges. For the problem of the effect of volume fracturing on the integrity of the cement sheath sealing， the experiment about the effect of elastic-plastic agent JTS-1 dosage in the elastoplastic cement slurry system on the cement sheath integrity was carried out by taking advantage of the full-size cement sheath sealing integrity evaluation device. After synthetically considering the effect of JTS-1 on the cement slurry rheology， an elastic cement slurry system suitable for hydraulic fracturing conditions in Mahu area of Xinjiang oilfield was developed. The results showed that with the increase of elastoplasticizer， the elastic modulus of cement slurry decreased， and the anti-stress failure ability of cement sheath increased; But the viscosity of the cement slurry increased to reduce the cement slurry rheology; The recommended amount of JTS-1 was 6% ～ 8%.

Key words： Mahu oilfield; Volume fracturing; Cement ring; Elastic cement; Rheology

近年来，新疆油田玛湖地区油藏勘探不断获得突破，探明石油地质储量已达1.0×109 t。但是由于玛湖凹陷区含油层埋深较大，物性变差，孔隙度一般小于12%，渗透率小于5 mD，属特低孔、特低渗油藏，加上大小砾岩混杂，非均质性极强，导致直井产量低或无连续生产能力[1-2]。随着水平井体积压裂技术的不断提高，水平井体积压裂已成为致密砂砾岩储层开发的主要手段，以生产周期最长（5年）的玛132-H井为例，采用水平井体积压裂技术，累计产油量与同一地区直井相比提高了7倍以上[3-7]。但是由于体积压裂过程中井筒内复杂的应力变化，很可能导致套管-水泥环-地层组合体密封完整性失效，从而给油气田安全生产带来了极大挑战。吴宇萌[8]等研究了胶乳液的加量对于水泥石常规性能和力学性能的改善。

本文采用现场使用弹性水泥浆体系，依据《油井水泥试验方法》（GB/T 19139—2012 ）[9]制备了不同JTS-1加量下的水泥浆，测试了水泥浆流变性能及水泥石弹性模量，进行了水泥环防应力破坏试验，依此优选了弹塑性JTS-1的加量。

1  水泥浆流变性及水泥石弹性模量

在体积压裂作业产生的冲击载荷下，裂缝尖端处会形成高度的应力集中，而随着应力水平发展，裂纹将迅速扩展，形成裂纹、裂缝，造成油气层段窜流，为油气井安全生产带来极大困难。为减少压裂冲击载荷的影响，现场多采用韧性水泥浆体系固井[10-11]。韧性水泥浆主要通过在水泥浆中加入颗粒状韧性材料，降低外界作用力的传递系数，实现对水泥石的韧性改造，目前固井常用且效果较好的增韧材料主要为胶乳和纤维。

罗长斌[12]等开发了增韧材料DRE-100S和乳胶粉DRT-100S两种增韧主剂，经测试水泥浆24 h 抗压强度大于20 MPa，7 d强度高于30 MPa。丁志   伟[13]等开发的低温高强韧性水泥浆体系在55 ℃条件下，24 h抗压强度达到35.8 MPa，168 h抗压强度为50.6 MPa，抗压强度较常规体系提高了33.1%，弹性量降低了14.3%，表现出良好的低温高强韧性特性，增强了水泥环在交变应力作用下的密封完整性。

新疆油田玛湖地区在用水泥浆体系组成成分为：G级+5%WG+3%超细水泥+10%SiO2+3%～15%JTS-1+（6%ST900L-1+0.5%SXY-2+0.5%ST400S+0.5%ST200R+0.5%ST500L）湿混+49%H2O+0.5%DL-500。依据《油井水泥试验方法》（GB/T 19139—2012）配制不同流变性能的水泥浆体系，将不同配比的水泥浆制备成50.8mm×50.8mm×50.8mm的标准水泥石试件进行弹性模量测试，结果如表1所示。

2  水泥环防应力破坏试验

根据新疆油田玛湖地区分段压裂施工特点，使用自主研制的全尺寸高温高压水泥环密封完整性评价装置，开展了不同JTS-1加量对水泥环完整性的影响实验。

2.1  评价装置

评价装置由全尺寸井筒系统、温度施加及控制系统、压力施加及控制系统、数据采集系统等组成，如图1所示。

全尺寸井筒系统由套管、水泥环、模拟地层组合形成，采用7 in（17.78 cm）外径、10.36 mm壁厚、P110钢级的现场用套管，为模拟井径扩大及套管偏心情况，水泥环直径分别为220、230、240 mm，模拟了3种套管偏心度，地层直径为400 mm，套管及地层高度为1 200 mm。

套管内可实现0～70 MPa压力施加与控制;套管与地层组成的环形空间内充填水泥浆，为养护水泥浆以及施加环空压力，水泥浆上部留有100 mm的空间，环空压力施加范围0～40 MPa;为模拟地应力，在地层外施加围压，采用耐高温氟橡胶密封胶套实现围压与环空压力的密封，当围压与环空压力差为3 MPa时，氟橡胶密封胶套便实现与地层的密封;水泥环下端留有进气口，进气压力采用气体增压系统控制，为防止水泥浆进入进气管线，进气口采用200目（0.075 mm）纱网封堵，保证了只有气体流通。所有压力由内法兰、中间法兰（middle flange）、外法兰以及密封部件实现密封，照片如图2所示。

2.2  实验过程

2.2.1  模拟地层制备

考虑到新疆油田玛湖地区储层特点，采用R52.5标号的水泥与黄砂、水组成一定配比的水泥砂浆制备模拟地层，如图3所示，地层性质如表2所示。

2.2.2  水泥浆配制

实验用水泥浆采用新疆油田玛湖地区再用水泥浆体系，利用大容量高速搅拌机配制水泥浆并充填到套管与地层之间的环空中。安装所有法兰及高压管线、完成套管内注满导热油、加热系统通电等操作步骤，并将加热控制系统调整到实验预设温度;通过压力控制系統先将围压加到3 MPa，为模拟水泥浆液柱压力以及防止受热后的水泥浆沸腾，将环空压力加到2 MPa，套管内压力0 MPa。在加热过程中，套管内压力、环空压力以及围压随着温度的升高逐渐增大，此时通过阀门控制各压力，在温度及压力平衡后，设定围压30 MPa，环空压力20 MPa，套管内压力5 MPa，水泥浆制备及充填见图4。

2.2.3  水泥环失效实验过程及结果

利用如图所示过程评价水泥环是否失效，进气口压力大于环空压力0.1 MPa，当进气管线上的气体流量计显示有气体运移时，表明水泥环密封失效，根据现场分段压裂套管内压力变化数据，实验施加的套管内压力变化幅度为55 MPa，装置施加温度为120 ℃。表3为不同JTS-1加量对水泥环防应力破坏的实验结果。

由表3中数据可以看出，随着JTS-1加量的增大，水泥环防应力破坏的能力增强;结合表1水泥浆性能数据，当JTS-1加量增大时，水泥浆流变性能变差，注水泥过程中摩阻压降增大，不利于窄密度窗口施工安全，因此确定JTS-1加量为6%～8%之间。

3  结束语

JTS-1是水泥环防应力破坏的重要组成成分，随着JTS-1加量的增大，水泥环防应力破坏能力增强，然而水泥浆流变性能随之降低，从以上两方面综合考虑，推荐JTS-1加量为6%～8%之间。

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