纳米低密度水泥浆体系在页岩油水平井固井中的应用

秦江，宋凯，文华，胡顺，彭石峰

1.中国石化江汉石油工程有限公司钻井一公司，湖北 潜江 433121 2.荆州嘉华科技有限公司，湖北 荆州 434000

页岩油是指以页岩为主的页岩层系中所含的原油资源，包括泥页岩孔隙和裂缝中的原油以及泥页岩层系中的致密碳酸岩或碎屑岩邻层和夹层中的原油资源。通常有效的开发方式为水平井和分段压裂技术。江汉盆地潜江组韵律盐间页岩油有良好的油气显示，韵律盐间页岩油作为江汉油区新的油气储层，对江汉油田的石油勘探开发具有重要意义[1-3]。

江汉油区地层盐间页岩油水平井固井存在承压能力低、极易压漏地层、水平段封固段长易漏失、气层活跃易发生油气水窜、水平段要进行分段压裂等难点，对固井水泥浆的综合性能要求较高。该区块目的层破裂压力范围在1.72～1.84g/cm3，常规密度水泥浆体系不能满足固井作业要求，需要采用低密度水泥浆体系进行现场固井作业。目前应用较为广泛的低密度水泥浆体系以人造漂珠为主要减轻材料，以紧密堆积理论为基础，依靠活性材料和固相颗粒级配理论来构建水泥浆体系[4,5]。随着大量减轻材料的加入，该低密度水泥浆体系的均匀性降低，水化反应进程受到影响，造成浆体性能变差，候凝时间长，尤其是水泥石强度大幅降低，难以满足封固地层的要求[6]。而采用增大水灰比降低水泥浆密度，在海上油气田应用较多。海上表层固井水泥浆用量大，平台储灰罐容积有限，使用液体减轻材料不仅增大了水灰比，同时也提高了造浆率，减少了现场水泥的用量。国内外目前所使用的液体减轻材料主要成分为无定型的SiO2的水性分散溶液，不仅能够降低水泥浆的密度，同时水泥浆性能稳定，在低温下能够促进水泥浆的水化，增强水泥石的强度[7]。

针对江汉油区固井的技术难点和常规低密度水泥浆体系存在的问题，笔者室内研制了一种新型纳米液体减轻剂CP-56，通过增大水灰比来降低水泥浆密度，辅以适当外加剂，形成了密度在1.40～1.60g/cm3的纳米低密度水泥浆体系。

1 页岩油水平井固井施工难点及对策

1.1 固井施工难点

江汉油区盐间页岩油水平井固井存在的技术难点主要有：

1)地层承压能力低。江汉油区地层承压能力低，极易压漏地层，造成水泥浆返出困难，固井质量难以控制。

2)长水平段气层活跃。长水平段含气地层易导致水泥浆气侵，降低水泥浆密度，导致失重，形成环空窜槽，严重影响固井质量。

3)长水平段大型压裂对水泥浆要求高。长水平段要进行分段压裂，要求水泥浆稳定性和韧性较好，以保持良好的井筒完整性。

4)大斜度及水平井段对水泥浆沉降稳定性要求高。大斜度及水平井段水泥石会因水泥浆析水使水泥下沉，在环空顶部形成水带，使水泥石顶部与井壁形成间隙并影响水泥石强度的正常发育，水泥浆凝固后体积会收缩，会在水泥环与井壁形成微间隙[8]。

1.2 固井方案及水泥浆性能要求

针对上述难点，水泥浆不仅要防气窜性能好，同时还要具有零析水、沉降稳定性好、韧性好等特点，并具有良好施工性能。同时，制定了相应的固井方案及对水泥浆性能的要求。水泥浆性能要求如下：

1)控制水泥浆密度在小于地层的破裂压力梯度范围内。

2)缩短水泥石的候凝时间，水泥石早期强度高。

3)水泥石抗压强度高，韧性好。

4)水泥浆具有良好的流变性能，失水量小，沉降稳定性好[9]。

为实现目的层位的有效封固，在设计水泥浆时提出了双凝防漏水泥浆技术。领浆采用低密度水泥浆，尾浆为常规密度水泥浆，在确保平衡地层压力的情况下，提高长水平段的固井质量。通过选择合适的双凝界面高度，精确控制环空水泥浆当量密度，确保水泥浆压稳、防漏。领尾浆中同时加入适量混合堵漏纤维，提高水泥浆韧性的同时提高水泥浆防漏能力[10，11]。

2 纳米低密度水泥浆体系设计

图1 纳米减轻剂CP-56粒度分布图Fig.1 Particle size distribution of nano lightening agent CP-56

由于江汉油区地层承压能力低、水平段长、存在多套压力系统地层易漏失，因此需要采用低密度水泥浆体系进行现场作业。为了避免使用大掺量的减轻材料，造成水泥浆的均匀性降低，浆体性能变差，候凝时间长，水泥石强度大幅降低等问题，结合现场实际选用扩大水灰比来降低水泥浆的密度[11]。

2.1 纳米液体减轻剂

室内开发了一种新型的纳米减轻剂CP-56，密度1.08～1.13g/cm3，pH值9～10，是一种白色半透明固体胶状溶液。其主要成分为纳米活性硅，属于多孔性介质，密度仅为0.2g/cm3。该材料具有较强的束水功能，能够与水泥颗粒形成H—Si—H凝胶结构，增强水泥石的稳定性能。CP-56的固相质量分数为15%～17%，粒径范围在400～500nm(见图1)，通过增大水灰比降低水泥浆密度。该材料一方面具有良好的稳定性，另一方面保证水泥颗粒材料正常水化固化[12]，加入后能够增加水泥浆的黏度和悬浮稳定性，同时提高水泥石的抗压强度。

2.2 纳米液体减轻剂对水泥浆性能影响

为了研究纳米液体减轻剂对水泥浆性能的影响，室内测试了纳米液体减轻剂配制水泥浆的沉降稳定性；不同质量分数、不同温度条件下的强度发展以及稠化性能。测试水泥浆配方为：三峡G级水泥+淡水+纳米液体减轻剂，密度为1.40g/cm3。

1)沉降稳定性测试。室温下，分别配制空白低密度水泥浆、纳米液体减轻剂的低密度水泥浆，将浆体倒入500mL的量筒，静置30min，观察是否沉降，并记录自由液析出情况。

2)抗压强度测试。分别测试空白水泥浆和不同CP-56质量分数下温度60～90℃时的72h强度发展情况。

3)稠化性能测试。测试温度70℃条件下，不同CP-56质量分数对稠化时间的影响。

试验结果如表1所示。未加入纳米液体减轻剂的水泥浆表层有清液析出，浆体出现沉降，加入纳米液体减轻剂后，浆体逐渐均匀无沉降，随着质量分数增大，清液析出也逐渐消失，表现出良好的稳定性。在不同温度条件下，随着纳米液体减轻剂CP-56质量分数增大，水泥浆的稠化时间逐渐缩短，说明纳米液体减轻剂具有一定的促凝作用。同时，水泥石的强度呈逐渐增大趋势，当CP-56质量分数达到30%时，水泥石的抗压强度最大。试验结果说明纳米液体减轻剂不仅可以改善水泥浆的沉降稳定性，而且明显提高了水泥石的抗压强度，具有一定的增强作用。

表1 纳米液体减轻剂质量分数对水泥浆强度和沉降稳定性能的影响Table 1 The influence of the mass fraction of nano-liquid lightening agent on the strength and settlement stability of cement slurry

表2 降滤失剂优选Table 2 Optimization of fluid loss additives

消泡剂，测试温度为60℃。

表3 早强剂CS-3质量分数对低密度水泥浆性能影响Table 3 The effect of the mass fraction of the early strength agent CS-3 on the performance of low-density cement slurry

剂，测试温度为60℃。

表4 长度为2mm的BW-1对渗透性地层封堵试验效果Table 4 Effect of BW-1 with length of 2mm on plugging test of permeable formations

纤维，测试压力为3.5MPa。

表5 长度为5mm的BW-1对裂缝性地层封堵试验效果Table 5 Effect of BW-1 with length of 5mm on plugging test of fractured formations

纤维，裂缝宽度2mm，测试压力为5.0MPa。

2.3 纳米低密度水泥浆体系构建

1)降失水剂的选择。针对纳米液体减轻剂的特点，构建的低密度水泥浆应该严格控制失水量。室内选用聚合物降滤失剂G310S、CG80L和PVA类滤失剂FLO-S进行了优选，结果如表2所示。从表2可以看出，3种降滤失剂都能满足固井需求，API失水量小于100mL，但是通过对比24h抗压强度，可以看到G310S要明显优于其他降滤失剂。

室内构建配方选择聚合物降滤失剂G310S作为纳米低密度水泥浆体系的降滤失材料，该材料能够通过溶解物质吸附在水泥颗粒的表面，从而改变水泥颗粒表面的物理性能，形成一种以水泥颗粒为节点的网状聚集体，并在水泥颗粒表面上的孔道进行覆盖并形成一层致密滤饼，有效降低水泥浆的失水量，而且有利于防止地层渗漏的发生[13]。当G310S质量分数达到3%时，能够控制低密度水泥浆的失水量在60mL以下，有利于防止水泥浆失重引起地下流体的窜流。因此，纳米低密度水泥浆体系推荐G310S加量为3%。

2)早强剂的选择。低密度水泥浆要求在低温条件下不仅具有良好的浆体稳定性和流变性，同时应兼具较高的养护强度。室内选用锂盐复合早强剂CS-3，利用Li+半径小、极化作用强、水化半径大等特点，加速破坏水泥水化保护膜，缩短水化诱导期，提高低密度水泥浆体系中C3S和C2S低温水化能力[14]。室内测试选用配方为：三峡G级水泥+80%淡水+25%纳米减轻剂+早强剂CS-3，当CS-3质量分数达到2%时，60℃条件下12h强度可达4.5MPa(见表3)，能够满足表层固井作业强度需求。

3)防漏堵漏材料的选择。为了降低水泥浆顶替过程中存在的漏失风险，在水泥浆体系中选用了混合纤维BW-1，在提高水泥浆韧性的同时提高水泥浆防漏能力[15]。通过模拟砂床渗透堵漏试验和地层裂缝堵漏试验(见表4和表5)，试验结果可以看出，采用长度2mm的BW-1混合纤维，质量分数在0.2%时即可对渗透性地层进行封堵，采用长度5mm的BW-1混合纤维，质量分数在0.7%时即可对2mm左右的裂缝性地层进行封堵。

3 水泥浆性能综合评价

通过优选纳米液体减轻剂、防窜降失水剂、早强剂以及其他外加剂，构建了纳米低密度水泥浆的基本配方并对体系的综合性能进行了测试，配方为：三峡G级水泥+80%淡水+25%纳米液体减轻剂+3%降滤失剂G310S +2%早强剂CS-3+0.2%消泡剂(密度为1.50g/cm3)。室内进行了不同密度下，纳米低密度水泥浆的流变性、抗压强度及稠化性能测试，测试结果如表6和表7所示。

表6 纳米低密度水泥浆基本性能Table 6 Basic properties of nano low-density cement slurry

表7 不同温度下纳米低密度水泥浆稠化及强度性能Table 7 Thickening and strength properties of nano low-density cement slurry at different temperatures

由上述测试可知，不同密度的水泥浆体系在60℃条件下的初始稠度低，流动性良好，稠化时间稳定可调，API失水量小，游离液体积为0；随着密度增大，水泥浆体系24h抗压强度逐渐增大；随着温度的升高，低密度水泥浆体系的稠化时间随之缩短，水泥石抗压强度逐渐增大。综合评价水泥浆性能表明，纳米低密度水泥浆体系性能较好，能够满足现场固井的要求。

4 现场应用

纳米低密度水泥浆体系在江汉油田蚌页油1HF井进行了现场应用。该井完钻井深4580m，水平段长1162m，井底温度为86℃，循环温度为72℃。在设计水泥浆时提出了双凝防漏水泥浆技术：领浆采用低密度水泥浆，尾浆为常规密度水泥浆，有效地封固裸眼井段，防止油气、水窜，双凝界面为进入技术套管300m，确保平衡地层压力的情况下，提高长水平段的固井质量。低密度领浆要求：密度1.45～1.6g/cm3，稠化时间240～300min，控制水泥浆的API失水量小于100mL。

现场作业领浆采用纳米低密度水泥浆，密度为1.6g/cm3，水泥浆72℃时API失水量为52mL，游离液体积为0，72℃、35MPa下的稠化时间为259min(见图2)，塑性黏度28mPa·s，动切力为13Pa，24h抗压强度为10.5MPa。尾浆采用常规的胶乳防窜水泥浆，密度1.88g/cm3，水泥浆80℃时API失水量为25mL，游离液为0，80℃、40MPa下的稠化时间为201min，塑性黏度135mPa·s，动切力为12Pa，24h抗压强度为14.5MPa。

现场注入低密度领浆62m3、尾浆51.5m3、清水40m3，返出地面3m3，整个固井施工连续正常，经现场测井结果显示一、二界面胶结良好，固井质量优质。

图2 蚌页油1HF井纳米低密度领浆稠化曲线Fig.2 Thickening curve of nano low-density collar slurry in Well Bangyeyou 1HF

5 结论

1)室内研制了一种纳米液体减轻剂CP-56，该材料具有较强的束水功能，能够与水泥颗粒形成凝胶结构，提高水泥石的强度及稳定性能。该材料通过增大水灰比来降低水泥浆的密度，辅以适当外加剂，形成了密度在1.40～1.60g/cm3的纳米低密度水泥浆体系。

2)纳米低密度水泥浆体系室内试验和现场应用结果表明，该体系浆体流变性好，API失水量小，游离液体积为0，稠化时间可调，抗压强度发展快且强度高，60℃、24h抗压强度可达9.8MPa，能够满足现场固井作业需求。

3)纳米低密度水泥浆体系在江汉区块页岩油井进行了现场应用，水泥浆性能满足现场作业需求，整个固井施工连续正常，经现场测井显示固井质量优质。