新型固井用防水竄材料的研究與性能評價

盧海川， 趙岳， 宋偉賓， 高繼超， 胡中華， 霍明江

（1.中國石油集團海洋工程有限公司渤星公司，天津 300451；2.西部鉆探青海鉆井公司，青海海西 816400）

新型固井用防水竄材料的研究與性能評價

盧海川1， 趙岳1， 宋偉賓1， 高繼超1， 胡中華2， 霍明江1

（1.中國石油集團海洋工程有限公司渤星公司，天津 300451；2.西部鉆探青海鉆井公司，青海海西 816400）

固井水竄問題是各油田普遍存在的技術(shù)難題，目前缺乏有效的解決辦法。針對以上問題，從水泥漿體系出發(fā)，首先進行了防水竄材料的結(jié)構(gòu)設計，然后根據(jù)結(jié)構(gòu)設計，篩選出相應的防水竄原材料，并通過對其合理的復配研究，制備出了一種新型固井用防水竄材料。實驗根據(jù)固井不同階段的水竄機理，采用相應的方式對該材料的防水竄效果進行了評價，結(jié)果顯示開發(fā)的防水竄材料可增加水泥漿內(nèi)部結(jié)構(gòu)，縮短靜膠凝過渡時間，避免水泥石收縮，從而避免水泥漿在不同階段發(fā)生水竄。另外，綜合評價結(jié)果表明，新型固井防水竄材料可縮短稠化時間、增加水泥石強度，改善水泥漿穩(wěn)定性，且對水泥漿稠化、流變、失水等性能無不良影響，綜合性能良好。

固井；水竄；水泥漿；防水竄材料；防水竄評價；綜合性能

中國大部分陸上油田均已進入高含水開發(fā)后期，即使新開發(fā)的油藏大多也采用早期注水開發(fā)方式保持地層產(chǎn)能，這就使固井作業(yè)面臨水竄的問題。目前油氣井尤其是調(diào)整井固井的水竄問題是各油田尚未很好解決的技術(shù)難題，嚴重地制約了油田開發(fā)戰(zhàn)略的實施和油氣采收率的提高[1-2]。固井防竄材料的研究多集中在防氣竄材料的研究[3-4]，缺乏專門的防水竄材料，而水竄與氣竄是不同的，水竄入水泥漿后，會直接影響水泥漿的凝固過程，而氣竄則不會，因此采用防氣竄的一些材料來防止水竄應用效果往往不夠理想[1-5]。中國雖有一些防水竄體系[6-10]，但多采用速凝早強、膨脹、低失水、抗?jié)B等常規(guī)外加劑簡單復配的方式，這就常會導致漿體的基本性能難以調(diào)節(jié)、防竄性能不夠全面等問題，且研究多集中在如何使水泥漿快速凝固，而對于水泥漿沒有開始凝固前的階段研究很少，這就可能會增加水侵的可能性，從而不能起到很好的防水竄效果。針對以上問題，從水竄機理出發(fā)，開發(fā)出了一種綜合性能良好的新型固井用防水竄材料[11-14]。

1 新型防水竄材料的開發(fā)

1.1 新型防水竄材料的要求

固井水竄可能發(fā)生在水泥漿凝固的不同階段，根據(jù)對水竄機理的分析，分別從水泥漿凝固前、凝固中以及凝固后3個不同階段提出了防水竄材料應具備的性能。①避免水泥漿凝固前的水竄，選用可在水泥漿內(nèi)部形成立體空間網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，且可改善水泥漿表面張力的物質(zhì)，增加水泥漿內(nèi)聚力，增強水侵阻力，減少水對水泥漿的影響。②避免凝固過程中的水竄，選用可明顯縮短水泥漿靜膠凝過渡時間的物質(zhì)，從而避免因失重造成的水竄。③避免由于收縮而導致的水竄，選用可同時產(chǎn)生塑性膨脹和硬化體膨脹的材料。④避免由于水泥石滲透率過大導致的水竄，所選材料可在一定程度上改善滲透率。⑤避免防水竄材料影響其他性能，所選材料應對水泥漿其他性能無不良影響或具有改善作用。

1.2 新型防水竄材料的復配研究

通過大量合成、篩選，最后得到3種性能優(yōu)良的原材料X、Y、Z。其中，X為具有微膨脹作用的超細粉體材料，Y為可改善表面性質(zhì)的合成乙烯類共聚物，其具有兩親性，Z為具有一定促凝作用的無機材料。以上述3種材料為原材料，結(jié)合各自性能，分別從靜切力、靜膠凝過渡時間、膨脹率3個方面出發(fā)進行了復配研究，考察了不同配比下水泥漿的性能，結(jié)果見表1。由表1可知，隨著材料X所占比例的降低與材料Y所占比例的升高，水泥漿的靜切力先增加后逐漸降低，靜膠凝過渡時間先變短后變長但整體變化不大，24 h水泥石膨脹率逐漸降低；隨著材料Z的增加，水泥漿靜膠凝過渡時間呈現(xiàn)較明顯的縮短，當增加到一定程度后基本保持不變。以上數(shù)據(jù)表明，材料X與Y之間存在協(xié)同作用，可形成一定的內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)，提高水泥漿靜切力，從而增加水泥漿內(nèi)部結(jié)構(gòu)強度。水泥石膨脹率則主要受材料X影響，材料Z與X、Y協(xié)同作用共同影響靜膠凝過渡時間。綜合以上因素，結(jié)合成本問題，選擇mx∶my∶mz之間的最佳比例為7∶2∶1，并將其代號定為W-1；以W-1為主劑形成的水泥漿具有較強的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，較短的膠凝過渡時間以及較高的膨脹率，有利于避免不同階段水竄的發(fā)生。水泥漿基本配方如下。

勝濰G級油井水泥+3.0%BXF-200L（AF）+4.0%防水竄材料+43%水

表1 防水竄材料不同配比下水泥漿的性能

2 新型防水竄材料性能評價

為了較好地防止固井水竄，水泥漿凝固前應具有較強的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可避免水對其的侵蝕與“溶解遷移”。按照GB/T 19139—2012規(guī)定的膠凝強度測試方法，對加入W-1的水泥漿凝固前形成內(nèi)部結(jié)構(gòu)的強弱進行評價，并采用室內(nèi)簡易的模擬裝置，考察了水對水泥漿的“溶解遷移”情況。不同溫度下水泥漿的膠凝強度見表2。

2.1 防水竄性能

2.1.1 凝固前的防水竄性能

實驗用水泥漿配方如下。

勝濰G級油井水泥+4.0%BXF-200L（AF）+W-1+43%水

模擬裝置主要由U型管和橡皮管組成，實驗時在橡皮管中注入水泥漿，模擬套管與地層注入的水泥漿，為了模擬水泥漿與地層水的接觸，在內(nèi)部橡皮管壁上開一些小孔；U型管與橡皮管環(huán)空模擬含水地層，且可使水循環(huán)實現(xiàn)水的流動，從而模擬水對水泥漿的“溶解遷移”等過程。實驗時，開啟循環(huán)水，觀察不同時間水對水泥漿的“溶解遷移”情況，結(jié)果見圖1。

表2 不同溫度下水泥漿的膠凝強度

圖1 不同含量W-1在不同循環(huán)時間下的狀態(tài)

由表2可知，加入防水竄材料W-1后，水泥漿的膠凝強度明顯變大，隨著加量增加，水泥漿在不同溫度下的膠凝強度也明顯提高，且在一定范圍內(nèi)溫度對水泥漿的膠凝強度影響不大。這說明防水竄材料可提高不同溫度下水泥漿的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。由圖1可知，不加防水竄材料的水泥漿在剛開始就被水大量帶走，30 min后，小孔周圍水泥漿幾乎被全部帶走，而加入防水竄材料的水泥漿幾乎不受循環(huán)水的影響，在水流沖刷30 min后軟管中水泥漿幾乎還保持原來狀態(tài)，進一步證明水泥漿具有較強的內(nèi)聚力和抗水侵的能力，避免了水對水泥漿的影響。

2.1.2 凝固中的防水竄性能

采用美國千德樂靜膠凝強度測試儀和水泥氣液竄模擬分析儀，對水泥漿凝固過程中的防水竄性能進行了評價，考察了水泥漿在40 ℃和70 ℃下的靜膠凝過渡時間和70 ℃下防水竄模擬情況，結(jié)果見表3、圖2、圖3和圖4。

表3 不同溫度下水泥漿靜膠凝過渡時間對比

圖2 40 ℃下水泥漿靜膠凝強度發(fā)展曲線

圖3 40 ℃下加入3.5%W-1水泥漿靜膠凝強度的發(fā)展曲線

由此可知，加入防水竄材料W-1后，水泥漿靜膠凝過渡時間明顯縮短，這就可減少水泥漿凝固過程中因失重發(fā)生水竄的幾率。另外，防水竄模擬實驗也進一步證明了，加有防水竄材料W-1的水泥漿體系可避免水泥漿凝固過程中水竄的發(fā)生。

圖4 70 ℃下加入3.0%W-1水泥漿的防水竄模擬曲線

2.1.3 凝固后的防水竄性能

按照JC/T 313—2009對W-1不同加量下的水泥石膨脹率進行了測試，采用低滲/特低滲儲層傷害模擬評價系統(tǒng)，對水泥石的滲透率進行了測試，養(yǎng)護條件為70 ℃、48 h，測試流體為自來水，結(jié)果見表4和表5。由此可知，加有W-1的水泥石養(yǎng)護不同時間后都表現(xiàn)出一定的膨脹，避免了水泥漿凝固后造成的收縮，且隨著防水竄材料的增加，水泥石的滲透率逐漸變小，這就為水泥石凝固后防止水竄的發(fā)生提供了保障。

表4 不同養(yǎng)護齡期水泥石膨脹率測試（70 ℃）

表5 水泥石滲透率測試結(jié)果（70 ℃、48 h）

2.2 稠化性能

考察了W-1對水泥漿稠化性能的影響，結(jié)果見表6。由表6可知，隨著防水竄材料加量的增加，水泥漿稠化時間明顯縮短，表現(xiàn)出較明顯的促凝作用。在保證施工安全的前提下，水泥漿的快速凝固有利于避免水竄的發(fā)生；另外，根據(jù)現(xiàn)場需求，稠化時間的長短也可以通過加入緩凝劑進行調(diào)節(jié)。以防水竄材料W-1為主劑形成的水泥漿體系稠化時間可調(diào)，過渡時間短，稠化線形良好。

表6 W-1不同加量下水泥漿稠化性能對比

2.3 流變性能

采用OFITE900型黏度儀對不同W-1加量下水泥漿的流變性能進行了測試，結(jié)果見表7。由表7可知，加入防水竄材料后水泥漿稠度系數(shù)變大，但仍具有良好的流動性能，有利于提高頂替效率，避免水侵發(fā)生的同時可保證施工的安全性。

2.4 穩(wěn)定性

對加入W-1常規(guī)密度水泥漿和不同水灰比的水泥漿的穩(wěn)定性進行了考察。水泥漿經(jīng)70 ℃養(yǎng)護20 min后，倒入量筒中放于70 ℃水浴靜置2 h，測上下密度差，結(jié)果見表8。

表7 W-1不同加量下水泥漿流變性與膠凝強度對比

表8 不同W-1加量下水泥漿穩(wěn)定性對比

由表8可知，沒有加W-1的水泥漿隨著水的增加，穩(wěn)定性會明顯變差；而加有W-1的水泥漿可保持極好的穩(wěn)定性，即使在水灰比迅速增加的情況下，水泥漿具有很好的穩(wěn)定性。

2.5 失水量、抗壓強度性能

通過改變W-1的加量，考察了W-1對水泥漿失水量、水泥石抗壓強度的影響，結(jié)果見表9。采用靜膠凝強度測試儀對加有3.0%W-1的水泥漿強度發(fā)展情況進行了測試，結(jié)果見圖5。由此可知，防水竄材料對水泥漿失水、強度無不良影響；隨著防水竄材料的增加，水泥石抗壓強度有所增加，表現(xiàn)出一定的增強作用；且由強度發(fā)展曲線可以看到，加有防水竄材料的水泥石強度發(fā)展較快，151 min開始起強度，不加防水竄材料的水泥石強度發(fā)展慢，195 min開始起強度，且水泥石強度低。

表9 W-1對失水量和抗壓強度的影響

圖5 加有3.0%W-1水泥漿的強度發(fā)展曲線

綜上所述，W-1在增加水侵阻力的同時，可明顯縮短膠凝過渡時間，避免水泥石收縮，改善水泥石滲透率，從而可防止水竄的發(fā)生。另外，防水竄材料W-1可縮短稠化時間、增加水泥石抗壓強度，且對水泥漿稠化時間、失水量、穩(wěn)定性和流變性能等無不良影響。

3 結(jié)論

1.根據(jù)微觀結(jié)構(gòu)設計，通過無機材料與聚合物材料的合理復配研究，開發(fā)出了一種新型的固井用防水竄材料W-1，其可明顯地增加水泥漿的膠凝強度，縮短靜膠凝過渡時間，避免水泥石的收縮。

2.根據(jù)固井不同階段水竄機理，分別采用相應測試方法，對加入W-1的水泥漿在凝固前、凝固過程中及凝固后的防水竄性能進行了測試，測試結(jié)果顯示W(wǎng)-1在不同階段都具有良好的防水竄性能。

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Study and Evaluation of a New Anti-Water Channeling Material for Well Cementing

LU Haichuan1, ZHAO Yue1, SONG Weibin1, GAO Jichao1, HU Zhonghua2, HUO Mingjiang1
(1. Boxing Division of CNPC Offshore Engineering Company Limited, Tianjin 300451;2. Qinghai Drilling Division of CNPC Xibu Drilling Engineering Company Limited, Haixi, Qinghai 816400)

Water channeling in well cementing has been a difficult technical problem remained unsolved in petroleum industry till now.In a study on anti-water channeling cement slurry, structural design of anti-water channeling additives were done, and based on the design, several anti-water channeling raw materials were selected and mixed in a certain ratio to form a new compounded anti-water channeling additive. According to the water-channeling mechanisms in different stages of well cementing, the effect of the anti-water channeling additive was evaluated with different evaluation methods. The evaluation results showed that the anti-water channeling additive developed is able to strengthen the interior structure of cement slurry, shorten the transit time of static gel, avoid contracting of set cement, thereby avoiding water-channeling of cement slurry at different cementing stages. The evaluation also demonstrated that the new anti-water channeling additive is able to shorten thickening time of cement slurry, increase compressive strength of set cement, and improve the stability of cement slurry; it has no bad effect on the thickening time, rheology and filter loss of cement slurry,exhibiting good overall properties.

Well cementing; Water channeling; Cement slurry; Anti-water channeling material; Evaluation of anti-water channeling performance; Overall properties

盧海川，趙岳，宋偉賓，等．新型固井用防水竄材料的研究與性能評價[J].鉆井液與完井液，2017，34（4）：75-79，84.

LU Haichuan，ZHAO Yue，SONG Weibin，et al.Study and evaluation of a new anti-water channeling material for well cementing[J].Drilling Fluid & Completion Fluid，2017，34（4）：75-79，84.

TE256.6

A

1001-5620（2017）04-0075-05

10.3969/j.issn.1001-5620.2017.04.0014

盧海川，畢業(yè)于天津大學材料學專業(yè)獲碩士學位，主要從事固井材料和水泥漿體系的研究。電話 （022）66310332；E-mail：luhc@cnpc.com.cn。

2017-5-5；HGF=1704N11；編輯 王超）