页岩气水平井低密度防窜水泥浆增稠机理

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0 引言
四川盆地涪陵页岩气勘探开发已取得显著成效，工程上已形成了工艺成熟的钻完井技术[1-5]。

然而，随着加密井的实施，地层漏失、承压低给水平段产层固井施工带来了难题[6-9]。

当前漂珠低密度水泥浆已广泛应用于易漏失、低承压地层的固井施工
页岩气水平井低密度防窜水泥浆增稠机理
郝海洋　屈 勇　何吉标　张家瑞　刘俊君
中国石化江汉石油工程有限公司页岩气开采技术服务公司钻井工艺研究所
摘　要　针对四川盆地涪陵页岩气加密井遇到地层漏、承压低问题，优化设计了一种以漂珠为主要减轻剂的低密度水泥浆体系，该体系具有浆体稳定、失水低、流变性好、稠化时间可控等优点。

然而在稠化实验升温升压初始阶段，出现了稠度快速增大现象，为注水泥施工带来了安全隐患。

通过稠化实验和流变实验分析导致浆体增稠的因素，探讨漂珠低密度水泥浆体系的增稠机理。

结果表明：①导致漂珠低密度防窜水泥浆体系在升温升压阶段稠度增大的主要原因是漂珠破碎和抗压强度低，漂珠中的气泡溶入浆体中，增大了浆体的稠度； ②基于漂珠低密度防窜水泥浆增稠机理，选择合适的强效消泡剂、流型调节剂和高强度漂珠可以减缓漂珠低密度防窜水泥浆体系初始稠度增大的程度，从而保证施工安全。

关键词　低密度水泥浆　漂珠　增稠机理　降黏度　页岩气　水平井DOI ：10.12055/gaskk.issn.1673-3177.2020.04.016
Thickening mechanism of low-density anti-channeling cement slurry in
shale-gas horizontal wells
Hao Haiyang, Qu Yong, He Jibiao, Zhang Jiarui, and Liu Junjun
(Drilling Technology Research Institute, Shale Gas Production Technology Services Company, Sinopec Jianghan Pe -troleum Engineering Company Limited, Qianjiang, Hubei 433121, China)
Abstract: Most shale-gas infill wells in Fuling area are often suffered from formation leakage and low pressure. So, a kind of low-den-sity cement slurry with hollow-microsphere, as the main lightening agent, was optimally designed, which has the advantages of good sedimentation stability, low fluid loss, good rheological property, and controllable thickening time. In the initial phase of temperature and pressure increase in thickening experiments, however, the consistency increased rapidly, which might bring about safety risks to cementing operation. Then, the factors leading to slurry thickening were analyzed by virtue of thickening and rheological experiments, and the thickening mechanism of hollow-microsphere containing this low-density cement slurry was discussed. Results show that, (1) the main reasons for thickening the hollow-microsphere containing the low-density anti-channeling cement slurry during tempera-ture and pressure increase include broken hollow-microsphere and low compressive strength. Many bubbles in the hollow-microsphere dissolve into the slurry, so as to increase its consistency; and (2) selecting the efficient defoamer, flow regulator, and high strength hol-low-microsphere appropriately based on the thickening mechanism can slow down the increase rate of consistency in the initial stage, so as to ensure safety.
Keywords: Low-density cement slurry; Hollow-microsphere; Thickening mechanism; Viscosity reduction; Shale gas; Horizontal well
基金项目：中石化集团科技项目“涪陵页岩气套管环空带压成因和预防技术研究”（项目编号：JP16017）、“川渝页岩气长水平段及强化参数钻完井关键技术研究”（项目编号：JP19017-2）。

中[10-13]。

而焦石坝工区生产井的产层固井多采用双凝双密度固井水泥浆技术[2,14,15]，为改善低承压地层所受的液柱压力，领浆普遍采用低密度水泥浆体系（1.40 ～1.60 g /cm 3）。

为此，构建了以漂珠为主要减轻剂的低密度防窜领浆体系，该体系水泥浆具有浆体稳定、失水低、流变性好、转化时间短、稠化可控等优点。

然而，现场实践表明，焦页X 井采用
的漂珠低密度水泥浆在模拟井内温压条件实验时，升温升压阶段出现增稠现象，增幅甚至高达85%，给实际固井中注水泥浆施工埋下了安全隐患。

据报道，压力增大会改变漂珠低密度水泥浆的密度大小[16]，但是对导致稠化实验升温升压阶段增稠现象却鲜有报道。

笔者通过实验研究分析了导致浆体增稠的因素，探讨了漂珠低密度水泥浆体系的增稠机理，并提出相应的对策，降低施工风险，从而提高低压易漏失层段的固井质量。

1　实验部分
1.1　实验药品及仪器
药品：G级油井水泥，来自于嘉华水泥厂；降失水剂FC-G、增强剂WS-M、防气窜剂PC-G、膨胀剂CE-S、流型调节剂LX-1、缓凝剂HR-M和消泡剂XF-1，来自于页岩气开采技术服务公司；漂珠PZ，来自于国内某供货商；流型调节剂TC-18、流型调节剂BS300-1，来自于四川弘晟石油工程技术服务有限公司。

实验中所用的仪器见表1。

表1　仪器及型号展示表
仪器名称仪器型号仪器厂家
增压稠化仪TG-8040DA 沈阳泰格石油仪器设备制造有限公司
常压稠化仪TG-1220C 沈阳泰格石油仪器设备制造有限公司
恒速搅拌器TG-3060A 沈阳泰格石油仪器设备制造有限公司
电动六速黏计ZNN-D6 II型青岛宏煜琳石油仪器有限公司
密度计－青岛鑫睿德石油仪器有限公司
电子天平－上海民桥精密科学仪器
有限公司
表2　低密度防窜水泥浆配方一览表
组分名称代号加量（质量百分比）
油井G级水泥JH-G100%
漂珠PZ22.5%
增强剂WS-M7.0%
膨胀剂CE-S 2.5%
降失水剂FC-G 2.5%
防气窜剂PC-G 1.0%
缓凝剂HR-M0.40%
消泡剂XF-10.02%
1.2　水泥浆设计
采用低密度防窜水泥，配方见表2。

1.3　实验方法
参照油井水泥实验方法GB/T 19139-2012对水泥浆进行配制、养护，对水泥浆的沉降稳定性、流变性能、稠化性能进行测试。

稠化曲线分析：用增压稠化仪测定不同缓凝剂加量和流型调节剂加量下的漂珠低密度水泥浆的稠化曲线，分析稠化曲线不同阶段的稠度变化情况，从而获取导致稠度变化的信息。

实验条件，68℃×35 MPa×35 min。

流变性测试：用常压稠化仪养护搅拌好的漂珠水泥浆，在68℃常压条件下分别养护0 min、2 min、5 min、10 min、20 min、30 min，用六速黏度计测定浆体的流变性，分析不同养护时间浆体的流变性。

实验条件，68℃×0.1 MPa
2　实验结果与讨论
2.1　水泥浆基本性能
漂珠低密度防窜水泥浆密度为1.47 g/cm3，经过热养护后，其沉降稳定性良好，量筒内浆体上下密度差为0.03 g/cm（表3）。

注水泥时，若想使领浆达到紊流状态，则水泥车的排量应达到5.18 m3/min，这已经超出了目前固井水泥车的施工能力；而塞流顶替却很容易实现，仅需0.50 m3/min 的排量。

在实际固井施工中，固井液体系除了双凝双密度水泥浆，还包含加重隔离液、清洗液体系。

后两者在环空中很容易实现紊流顶替，因此能够保障对三开产层井筒内油基钻井液的顶替和清洗效率。

2.2　水泥浆稠化实验
由图1可看出，漂珠低密度防窜水泥浆体系具有直角稠化特性，转化时间在15～25 min，说明其具有较好的防气窜性能；当缓凝剂加量为0.38% ～0.44%（质量百分比）时，浆体的稠化时间在300～350 min，能达到焦石工区对领浆的安全施工要求。

通过观察升温升压阶段（图1中I区域）的稠化曲线，可以发现：浆体的稠化值由初始的20 Bc 左右快速增加到约37 Bc，增幅高达85%，说明随
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着压力和温度的升高，浆体的稠度增大；升温升压结束后，浆体的稠度趋于稳定（图1中的Ⅱ区域）。

浆体增稠势必会增大施工时泵压大小，严重时甚至会导致憋泵和固井失败等后果。

然而，仅根据稠化曲线，并不能判断影响因素中温度、压力和水泥水化这三者中哪一因素占主导作用，亦或是三者的相互耦合作用。

因此，探究漂珠低密度防窜水泥浆的增稠机理，并提出相应的对策，对安全顺利固井施工非常关键。

2.3　流变测定实验
为了探究温度对漂珠低密度防窜水泥浆流变性的影响，将同一浆体置于68℃的常压稠化仪中进行热养护（68℃×0.1 MPa），测定不同养护时间时的六速流变数据，并按幂律模式计算出了浆体的n、K值（表4、图2）。

通过对比六速流变数据，可以发现随着养护时间的增长，六速数据均出现先降低后升高再平稳的趋势；n、K值亦出现类似的趋势。

当浆体n 小于1时，如果增大，说明其假塑性减弱；如果减小，说明其假塑性增强。

通常情况下，随着温度的升高，浆体中降失水剂FC-G等吸附在固相颗粒表面的高分子材料分子间、水分子间和前二者间的范德华力会降低，如此则会降低浆体的黏度，这在以往不加漂珠而采用嘉华低密度水泥（JH-1.45）配置的水泥浆稠化曲线中得到证实。

结合图1中Ⅰ区域的曲线，可以推断温度升高并不会导致浆体快速增稠。

表3　水泥浆基本性能展示表
密度/（g·cm-3）沉降稳定性/
（g·cm-3）
六速流变数据
Φ600/Φ300/Φ200/Φ100/Φ6/Φ3PV/（mPa·s）YP/ Pa紊流排量/
（L·s-1）
塞流排量/
（L·s-1）室温68 ℃
1.470.03-/226/164/94/9/6298/180/135/78/8/6129 2286.358.36
表4　水泥浆流变性测试及计算结果统计表
条件养护时间 / min
六速黏度数据
n K /（Pa·s n）Ф600Ф300Ф200Ф100Ф6Ф3
68 ℃×0.1MPa 0-22616494960.7970.801 2-19214081960.7840.738 5-185********.7850.709 10-178********.8100.583 20-189********.8040.641 30-189********.8040.
641图1　不同缓凝剂加量的稠化曲线图
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2.4　导致浆体增稠的因素2.4.1　水泥浆水化影响
嘉华常规水泥（JH-G ）主要由4种成分组成：Ca 3SiO 5、Ca 2SiO 4、Ca 3Al 2O 6和Ca 4Al 2Fe 2O 10。

其中，Ca 3SiO 5和Ca 3Al 2O 6遇水后即开始快速水化，水化硅酸钙（C-S-H ）是水泥石早期强度发展的重要组成；Ca 2SiO 4和Ca 4Al 2Fe 2O 10则水化缓慢，有助于水泥石的后期强度发展。

当有缓凝剂和降失水剂等高分子吸附在Ca 3SiO 5和Ca 4Al 2Fe 2O 10颗粒表面时，抑制了Ca 2+向Ca(OH)2的转化速率，从而能够抑制水泥浆的水化反应速率。

然而常规的低密度水泥浆升温升压阶段，低密度水泥浆曲线平稳，未见明显增稠现象，由此可以推断漂珠低密度防窜水泥浆在最初的增温增压阶段，水泥水化不会对浆体稠度造成太大影响。

2.4.2　膨胀剂对浆体增稠的影响
目前市场上常用的晶格膨胀剂的主要组分为MgO ，而MgO 对水泥水化速率的影响存在一定的
争议。

Chen 等[17]认为MgO 可以降低了Ca 3SiO 5的反应活性，由此会降低水泥的早期水化速率；而Stephan 等[18]的实验结果表明低含量的MgO 对 Ca 3SiO 5的水化没有作用，但是当含量超过1.4%，几天后的水化速率就会增加。

就MgO 的生产方式而言，欠火MgO 由于吸附卤化镁多，会导致水泥水化反应速率加快，而正火MgO 则对水泥水化影响较小[19]。

基于焦石工区领浆低密度水泥浆的稠化曲线，可以确定膨胀剂不会对浆体的稠度造成大幅增加。

2.4.3　温度升高对浆体增稠的影响
根据不同热养护时间下的黏度测定结果（表4），可以看出随着温度的升高，浆体的黏度先减小后增大，最后平稳。

这与图1中I Ⅱ区域的稠化曲线趋势相符。

根据流变测定实验结果（用常压稠化仪养护浆体后测定流变数据），温度升高降低了浆体中液相分析间的范德华力，因此增温的最初几分钟内（图1中Ⅰ区域），温度升高并不会导致浆体稠度快速增稠。

2.4.4　压力升高对浆体增稠的影响
图3给出了不同缓凝剂和流型调节剂加量不同调价下的稠化曲线的增温增压阶段。

从图中可以看出，加流型调节剂的浆体平稳时的稠度有所改善，但所有浆体都出现了不同程度的热增稠现象，尤其是在稠化实验开始最初的5 min 内。

图4给出了不同稠化曲线最初5 min 内浆体稠度变化率随时间变化曲线。

从图可以清晰地看出，在稠化实验开始的最初1 min 中内，变化率急剧下降，随后变化率逐渐平缓，最终趋于0 Bc/min 。

这表明初始压力的增加，促使浆体稠度快速增大。

对比漂珠低密度防窜水泥浆体系和嘉华低密度
图2　漂珠低密度防窜水泥浆在不同养护时间的
n 、K
值变化曲线
图3　
温度和压力增加阶段不同浆体的稠化曲线图
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水泥浆体系的稠化曲线，可以发现，增温增压初始阶段稠度增大的现象，也仅在漂珠低密度防窜水泥浆体系中出现。

那么增大压力是如何影响浆体的稠度的呢？2.5　增稠机理
2.5.1　破碎漂珠中气体排出
图5拟合前50 min 的稠化曲线，并由此计算出了前50 min 内的稠度增长率随时间变化情况（表5）。

从图中可以看出，稠化实验伊始，浆体的稠度快速增加，稠度变化率急剧下降，结合图5中漂珠中有因破碎而存在的空穴，可以推断的是初始增压使破碎漂珠中的微气泡溶进了浆体中[16]，气体分子在温度升高时运动加剧，又由于漂珠破碎而导致固相颗粒比表面增大，从而增大了浆体的稠度，该阶段约发生在实验开始的前5 min 内。

在无外界压力时，这些窝存在空穴中的气体无法排出；当温度升高而无约束压力时，微气泡的体积增大而能够逸出浆体。

因此，对于漂珠低密度防窜水泥浆，常压下测定出的浆体的流变数据无法真实的反映井底温压环境下的浆体真实稠度，尤其存在破碎漂珠的情况下。

2.5.2　漂珠受压而破碎
随着实验压力和温度的增加，最初溶进浆体中的微气泡体积变小、气体分子与液相分子间的碰撞
作用加强，加剧了浆体稠度的增加。

同时，随着浆
图4　
稠化曲线增压初始阶段稠度变化率曲线图
图5　稠化曲线拟合图（加0.404 %缓凝剂浆体的前50 min ）
体所受压力的增大，漂珠受到的压力超过其抗压强度时，部分漂珠被挤破，释放微气泡，使浆体稠度进一步增大。

该阶段则处在5～35 min 内。

2.5.3　破碎漂珠颗粒增大了浆体颗粒间摩擦力此外，破碎的漂珠由于出现断面，失去了原有的球状结构，导致破碎漂珠颗粒与浆体中其他颗粒间的摩擦力增大，亦会导致流动阻力增大。

2.6　对策
2.6.1　使用高效消泡剂
基于漂珠低密度防窜水泥浆浆体稠度的增大机理，气泡是主要危害因素。

因此，在浆体中添加强
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图6　不同流型调节剂对水泥浆稠度影响曲线图
效消泡剂，降低浆体中气泡表面的表面张力，从而
尽可能降低气泡数量。

2.6.2　加入流型调节剂
采用了3种流型调节剂LX-1、TC-18和BS300-1
来缓解浆体在升温升压阶段的浆体增稠问题，评价实
验结果如图6所示。

从图中Ⅱ、Ⅲ区域稠度可以看出，TC-18可以
较好地改善漂珠低密度防窜水泥浆体系的稠度，当
表5　前50 min稠度增长率随时间变化情况表
时间/min稠度值/Bc稠度增长率020.160.00%
532.4761.06%
1035.8277.68%
1536.7482.24%
2036.9983.48%
5037.0883.93%
加量在2.5 g（嘉华G级油井水泥的0.5 %）以上时，能使浆体的稠度维持在20 Bc左右的范围；而LX-1和BS300-1加量在0.8 %以上时，未见明显效果。

此外，从图6中I区域的曲线可以看出，流型调节剂虽然可以改善浆体的稠度，但是在升温升压阶段，仍会出现浆体稠度增大现象，这印证了气泡是导致浆体增稠主要因素的论断。

2.6.3　采用高强度漂珠
漂珠低密度防窜水泥浆体系之所以出现升温升压阶段增稠现象，和漂珠破碎和强度不足有关。

研究表明，采用高强度的漂珠作为减轻剂的低密度水泥浆体系的稠化曲线升温升压阶段，未见稠度值快速增大现象[20]。

3　结论
1）通过分析稠化实验和流变实验结果，发现导致漂珠低密度防窜水泥浆体系在升温升压阶段稠度增大的主要原因是漂珠破碎和抗压强度低，漂珠中的气泡溶入浆体中，增大了浆体的稠度；
2）基于漂珠低密度防窜水泥浆增稠机理，选择合适的强效消泡剂、流型调节剂和高强度漂珠可以减缓漂珠低密度防窜水泥浆体系初始稠度增大的程度，从而保证施工安全。

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（修改回稿日期　2020-10-15　编　辑　陈　玲
）
作者简介：郝海洋，1990年生，
助理研究员，硕士；现从事固井工艺研究及现场技术服务工作。

地址：（430206）武汉市东湖高新区高新大道807号。

电话180****5791。

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