防氣竄固井水泥漿體系的研究

鄭靈蕓

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防氣竄固井水泥漿體系的研究

鄭靈蕓

（東北石油大學(xué) 石油工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318）

固井后環(huán)空氣竄是影響油田開發(fā)效果的重要因素。本文對(duì)目前的丁苯膠乳防竄水泥漿體系和纖維防竄水泥漿體系的防竄機(jī)理進(jìn)行了分析和研究。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了防氣竄水泥漿室內(nèi)研究，對(duì)緩凝劑和抗高溫材料進(jìn)行試驗(yàn)和評(píng)價(jià)，優(yōu)選出了微膨增韌膠乳防氣竄水泥漿配方，滿足固井水水泥漿防氣竄的性能要求。

氣竄; 水泥漿; 緩凝劑; 抗高溫材料

固井后發(fā)生環(huán)空氣竄是影響固井質(zhì)量的一個(gè)重要因素，也是長時(shí)間以來困擾固井界的一個(gè)技術(shù)難題[1-3]。對(duì)于氣井，尤其是高壓氣井，發(fā)生環(huán)空氣竄的問題尤其突出。發(fā)生環(huán)空氣竄會(huì)使得地層與水泥漿、水泥漿與套管之間產(chǎn)生縫隙，在開發(fā)過程中造成層間竄流或井口冒油冒氣，影響油氣井正常生產(chǎn)，嚴(yán)重時(shí)甚至可導(dǎo)致全井報(bào)廢[4-9]。因此，為提高固井質(zhì)量，就必須有效地防止環(huán)空氣竄。

一般，發(fā)生環(huán)空氣竄的原因如下：（1）界面膠結(jié)不良；（2）水泥漿發(fā)生濾失，堵塞井眼；（3）水泥漿發(fā)生膠凝失重；（4）微裂縫-微環(huán)隙的存在；（5）油管、套管或井下工具泄露。

1 目前的防竄技術(shù)

1.1 丁苯膠乳防竄水泥漿體系

膠乳是一類乳化聚合物，以聚合物球形顆粒狀態(tài)分散在粘稠的膠體液中，直徑在200~500 nm之間，是具有聚合物性質(zhì)的表面活性劑[10]。硅酸鹽水泥中加入膠乳即可形成膠乳水泥漿體系，膠乳水泥也是聚合物水泥的一種。

膠乳水泥漿體系有三個(gè)特點(diǎn)：一是抗高溫。膠乳具有雙鍵和網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，膠乳水泥漿利用膠乳的這一特性使高能量聚積在一起，使得水泥漿在高溫條件下仍然能夠保持原有性能；二是穩(wěn)定性好，膠乳粒子與水泥漿極性相斥，使得膠乳水泥漿呈分散或懸浮狀態(tài)，增加了體系的穩(wěn)定性；三是防氣竄性能好，膠乳具有成膜、流變性好、滲透率低等特點(diǎn)，使得膠乳水泥漿體系具有防竄等優(yōu)良性能[11-12]。

1.2 纖維防竄水泥漿體系

對(duì)纖維水泥漿的防氣竄性能進(jìn)行研究，與無纖維水泥漿對(duì)比，在相同時(shí)間內(nèi)，纖維水泥漿的靜膠凝強(qiáng)度提高速率快，液態(tài)傳壓能力強(qiáng)。靜膠凝強(qiáng)度越高，水泥漿的抗壓強(qiáng)度越大，越有利于水泥漿的快速凝結(jié)，防氣竄能力越強(qiáng)；此外，兩者的稠化時(shí)間相差不多，纖維水泥漿的直角化性能也比較理想，纖維水泥漿在防氣竄方面表現(xiàn)出良好的優(yōu)勢[13-14]。

碳纖維具有酰胺（—NH2、—CN）、羥基（—OH）、烷烴（—(CH3)2）及醚類（=C—O—C）等官能團(tuán)[15]，故具有碳材料的本質(zhì)特性，又同時(shí)具備紡織纖維的柔軟性和可加工性，易復(fù)合，高強(qiáng)度；耐高溫，耐疲勞，故使用壽命長熱膨脹系數(shù)較小，尺寸穩(wěn)定。

2 防氣竄水泥漿室內(nèi)研究

目前大多數(shù)油田開采進(jìn)入中后期，油氣層埋藏深度、井底溫度和壓力以及目的層數(shù)也隨之逐漸增加，這就對(duì)水泥漿防氣竄性能及固井質(zhì)量有了更高的要求，必須保證全井段封固良好。在當(dāng)前學(xué)者研究基礎(chǔ)上，初步確定防氣竄水泥漿體系的配方： G級(jí)油井水泥+膨脹劑+膠乳+緩凝劑+降失水劑+消泡劑+穩(wěn)定劑+分散劑。

（1）緩凝劑的優(yōu)選

先確定一個(gè)基本配方：G級(jí)水泥+X%緩凝劑+15%JR-800L+0.5%XP-800L+35%砂+5%硅粉。在基本配方的基礎(chǔ)上，依次改變緩凝劑百分加量，然后對(duì)該配方下的水泥漿性能進(jìn)行測試，根據(jù)測試優(yōu)選合適的緩凝劑加量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

從表中數(shù)據(jù)可看出，隨緩凝劑加量的增加，水泥漿的密度并未發(fā)生變化，游離液含量略有增加，水泥漿；濾失量逐漸增加，稠化時(shí)間依次增大。當(dāng)緩凝劑加量為1.8%時(shí)，API失水量可以控制在329 mL范圍內(nèi)，當(dāng)緩凝劑加量為1.5%時(shí)，水泥漿的稠化時(shí)間可達(dá)290 min，當(dāng)緩凝劑加量為1.8%時(shí)，水泥漿的稠化時(shí)間可達(dá)353 min。因此確定緩凝劑最佳加量為1.5%~1.8%。

表1 緩凝劑對(duì)水泥漿性能的影響

（2）抗高溫韌性材料（纖維）優(yōu)選

DZF-1防漏增韌纖維是由多種不同成分纖維的組成的混合物，其主體為礦物纖維。先確定基本配方：G級(jí)水泥+X%穩(wěn)定劑+1.8% PS-1+3.5% JS- 210L +0.3% FS-800S+20% JR-800L+0.5% XP-800L+35%砂+5%硅粉+X%DZF-1。在基本配方的基礎(chǔ)上，改變纖維加量，實(shí)驗(yàn)考查纖維加量對(duì)水泥漿性能參數(shù)的影響。

表2 纖維加量對(duì)水泥漿性能的影響

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在相同時(shí)間內(nèi)，加纖維水泥石的抗沖擊功比凈漿水泥石抗沖擊功增加。當(dāng)纖維加量為0.5%時(shí)，水泥漿的抗沖擊強(qiáng)度提高幅度最大，其增韌效果最好

根據(jù)以上控制變量法的研究方法，對(duì)水泥漿配方中的降失水劑、分散劑、懸浮穩(wěn)定劑和抗高溫膨脹材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，并進(jìn)行優(yōu)選。確定降失水劑JS-210L最佳加量范圍為3.0%~3.3%，分散劑FS-800S最佳加量為0.3%，穩(wěn)定劑WD-830L最佳加量為4.0%。因此，確定防氣竄水泥基本配方為：G級(jí)水泥+4.0%WD-830L+1.8% PS-1+3.2%JS- 210L +0.3% FS-800S+15% JR-800L+0.5% XP-800L+35%砂 + 5% 硅粉+0.5%DZF-1+2%BXP-1。

3 水泥漿防氣竄評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

對(duì)優(yōu)選出的水泥漿配方：G級(jí)水泥+4.0% WD-830L+1.8%PS-1+3.2%JS-210L +0.3% FS- 800S + 15% JR-800L + 0.5% XP-800L + 35%砂+ 5%硅粉+0.5% DZF-1+2% BXP-1進(jìn)行室內(nèi)水泥漿防氣竄評(píng)價(jià)試驗(yàn)，利用油井水泥氣竄模擬分析儀在180 ℃、7 MPa下，模擬地層壓力3.5 MPa，對(duì)優(yōu)選配方水泥漿進(jìn)行了防水氣竄能力的評(píng)價(jià)，結(jié)果見圖1。

圖1 水泥漿氣竄實(shí)驗(yàn)曲線

由圖1可以看出，優(yōu)選配方水泥漿在330 min左右時(shí)地層壓力開始迅速下降，在360 min時(shí)，水泥漿孔隙壓力降到接近零，此時(shí)漿筒內(nèi)下部壓力是地層氣竄壓力，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中未見有氣體竄出，表明了按照優(yōu)選出的配方配置的微膨增韌膠乳水泥漿體系具有良好的防氣竄性能。

4 結(jié)束語

環(huán)空氣竄是影響固井效果的重要因素，本文在目前的丁苯膠乳防竄水泥漿體系和纖維防竄水泥漿體系的基礎(chǔ)上，對(duì)水泥漿外加劑中的緩凝劑、抗高溫材料等進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，優(yōu)選出防氣竄水泥漿配方，并對(duì)該配方配置的水泥漿進(jìn)行了防氣竄性能評(píng)價(jià)，結(jié)果表明該配方具有良好的防氣竄性能。

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Study on Anti-gas Channeling Cement Slurry System

（College of Petroleum Engineering,Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163318, China）

The air channeling after cementing is an important factor influencing the oilfield development effect. In this paper, the anti-channeling mechanisms of the polybutadiene latexanti-channeling mud slurry system and the fiber anti-channeling mud slurry system were analyzed and studied. On this basis, indoor research on the anti-gas channeling mudslurry system was carried out. The retarder and anti-high temperature materials were tested and evaluated, and suitable anti-gas channeling mud slurry formula wasscreened out.

gas channeling, cement slurry, retarder, high temperature resistant materials

TE 357

A

1004-0935（2017）04-0343-03

2017-02-27

鄭靈蕓（1993-），女，碩士，河北省衡水市人，東北石油大學(xué)在讀研究生，研究方向：儲(chǔ)層及剩余油描述及提高采收率方向的研究。