苯丙膠乳水泥漿防氣竄效果與失重規(guī)律分析

陸沛青 ， 桑來玉 ， 謝少艾， 高 元 ， 張佳瀅， 康旭亮

（1. 頁巖油氣富集機理與有效開發(fā)國家重點實驗室，北京 100101；2. 中國石化石油工程技術研究院，北京 100101；3. 中石化石油機械股份有限公司，湖北武漢 434014；4. 油氣資源與探測國家重點實驗室（中國石油大學（北京）），北京 102249）

在固井過程中水泥漿候凝期間，因水泥漿失重引起的井底有效漿柱壓力下降，是導致氣井環(huán)空帶壓的重要因素之一[1]。認識水泥漿失重模式與失重規(guī)律，是預防環(huán)空氣侵的重要基礎。由于現場試驗干擾因素較多且數據樣本有限，因此大型物理模擬試驗成為研究水泥漿失重規(guī)律以及建立失重預測模型的主要方法。前人針對水泥漿失重問題已開展了大量的試驗研究工作：G. Carter和R. A. Crook等人[2-3]發(fā)現氣體不僅可以通過水泥環(huán)第一、二膠結界面的薄弱處侵入環(huán)空，也可以在水泥漿候凝期間穿透水泥漿膠凝結構形成氣竄。自此，由水泥漿失重引發(fā)的早期氣竄現象開始引起重視，陸續(xù)開展了針對水泥漿靜膠凝強度[4-6]、濾失量[7]、沉降穩(wěn)定性[8-9]、體積收縮[10-11]，大斜度及水平井等因素對失重影響的機理研究等[12]。研究發(fā)現，影響水泥漿失重的因素復雜多樣。目前普遍接受的觀點是，井壁懸掛與體積收縮是導致水泥漿失重的2大主要因素[13]。但是，上述失重研究的對象主要集中于水泥凈漿，針對特殊水泥漿，特別是防氣竄水泥漿的試驗研究相對較少，對失重模式與規(guī)律的認識還不夠清楚。為此，筆者以苯丙膠乳水泥漿為研究對象，利用自主設計的水泥漿壓力傳導精確測量裝置，實時測量了不同試驗條件（膠乳加量、溫度、氣層壓力以及井筒深度）下，水泥漿有效液柱壓力的變化，分析了苯丙膠乳水泥漿的防氣竄效果與失重規(guī)律，以期為防氣竄固井施工及建立水泥漿失重預測模型提供參考。

1 苯丙膠乳水泥漿配方及性能

為有效提高水泥漿的防氣竄能力，以2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸為功能單體進行改性，合成了一種用以防氣竄固井的苯丙膠乳水泥添加劑[14]。該膠乳為乳白色黏性液體，密度為1.05 kg/L，固相含量為40%，黏度為8.7 mPa·s，膠乳粒徑為125 nm。

由于膠乳粒徑遠小于水泥顆粒粒徑（20～74 μm），當其應用于水泥漿封閉氣層時，隨著水泥水化反應的進行，環(huán)繞水泥顆粒的水被消耗，膠乳局部固相體積分數升高，產生顆粒聚集，從而形成空間網絡狀非滲透薄膜，并填充于水泥顆?？障叮苊猸h(huán)空發(fā)生竄流。

通過優(yōu)化組合，確定苯丙膠乳水泥漿的基本配方為G級油井水泥+5.0%～ 20.0%苯丙膠乳+1.0%～2.0%膠乳穩(wěn)定劑+0.1%～ 0.4%分散劑+44.0%水。在不同苯丙膠乳加量下，苯丙膠乳水泥漿的綜合性能見表1。

表1 苯丙膠乳防氣竄水泥漿的綜合性能Table1 Comprehensive performance of styrene-acrylic latex anti-gas channeling cement slurr

從表1可以看出，苯丙膠乳對水泥漿流性指數的影響較小，但分析認為，苯丙膠乳可以完全分散于水泥漿中，使水泥漿保持良好的流變性和沉降穩(wěn)定性。同時，隨著苯丙膠乳加量增大，具有彈性的膠乳粒子充分充填于水泥顆粒之間，不但可以明顯降低水泥漿的濾失量，還可以降低水泥石的滲透率，因此苯丙膠乳可在不影響水泥漿性能的前提下，提高水泥漿的防氣竄性能。目前，該苯丙膠乳水泥漿已在川東北、順南[15]和順北等地區(qū)復雜工況下的防氣竄固井施工中廣泛應用。

2 失重試驗方法

2.1 試驗裝置

為進行苯丙膠乳水泥漿失重試驗，設計了一套水泥漿壓力傳導精確測量裝置，如圖1所示。該裝置主要由5大系統組成，分別為模擬井筒、加熱及溫度控制系統、壓力及壓差測量系統、出口計量系統和注入系統。1）模擬井筒：水泥環(huán)內徑為50.0 mm、長度為1 000.0 mm，井筒上設有4個壓力測點（由下至上編號為1#—4#，間距20 cm），用以測量不同深度處的壓力變化；測點上設有橡膠薄膜套，可以兼作隔離器使用。2）加熱及溫度控制系統由硅橡膠加熱套、溫度控制儀及溫度傳感器組成，控溫范圍在10～100 ℃，控溫精度為0.5 ℃。3）壓力及壓差測量系統：傳感器量程為0.6 MPa，精度0.25% FS（FS為full scale，意即滿量程）。4）出口計量系統由氣液分離器、高精度電子天平（精度為0.000 1 g）、干燥器和微量氣體流量計組成。5）注入系統控制氣源壓力，由氮氣源、調壓閥等組成。

圖1 水泥漿壓力傳導精確測量裝置的結構Fig. 1 Structure of cement slurry pressure conduction precision measuring device

利用該裝置，可以模擬不同溫度及氣竄壓力條件下水泥漿候凝早期階段全井筒（1#—4#測點）有效漿柱壓力的變化，評價水泥漿早期防氣竄效果。

2.2 試驗參數選擇

分析認為，影響苯丙膠乳水泥漿失重曲線形態(tài)的因素包括苯丙膠乳加量、氣竄壓力、井筒溫度以及井筒幾何參數（井筒深度、井徑）等。因此，選取上述參數作為試驗變量，進行了純水對比試驗、凈漿對比試驗、苯丙膠乳加量變化試驗、氣壓變化試驗以及溫度變化試驗，相關參數組合見表2。其中，純水對比試驗主要用來檢測儀器的密封性、壓力測量的精確性以及氣竄檢測的敏感性。

2.3 試驗步驟

1）基于表2中的試驗參數，針對不同試驗內容，配制不同配方的水泥漿，設置對應的試驗溫度及氣壓，除純水試驗外，每一組試驗對應一組確定的苯丙膠乳加量、氣壓和溫度，試驗過程中不再發(fā)生變化。

2）進行純水試驗，確保儀器正常運行，在清水充滿模擬井筒的狀態(tài)下，1#—4#測點理論上的壓力應為2.6，4.6，6.6和8.6 kPa，若實測值與理論值差距較大，則需重新調試儀器。

3）用清水充滿井筒并保持5～10 min，確保清水通過滲透塞（傳遞液柱壓力，并阻擋水泥顆粒進入傳感器）完全充滿壓力傳感器，打開“排壓閥”放空傳感器內剩余的空氣。

4）排出清水，確定模擬井筒充滿空氣時對應的壓力讀數為0，隨后盡快注入已配制好的水泥漿，并適當敲擊井壁消除水泥漿觸變，使水泥漿充分充滿模擬井筒，并觀察儀表讀數是否正常。

5）打開氣源開始試驗，實時記錄水泥漿液柱壓力及氣體流量。

6）試驗過程中，密切關注氣體流量及水泥漿液柱壓力的變化，若發(fā)生氣竄或水泥失重至等高水柱壓力以下時，及時停止試驗，并保存數據。

表2 苯丙膠乳水泥漿失重試驗參數Table2 The parameters of styrene-acrylic latex anti-gas channeling cement slurry weight loss test

3 試驗結果及失重規(guī)律分析

3.1 苯丙膠乳水泥漿防氣竄效果

采用水灰比為44%、密度為1.88 kg/L的苯丙膠乳水泥漿進行試驗，評價其防氣竄效果。當氣體在水泥漿中形成通道后，1#—4#測點的壓力迅速升高，伴隨井筒上端產生氣泡，液面上升，據此可以判斷發(fā)生了氣竄。統計清水、凈漿與苯丙膠乳水泥漿發(fā)生氣竄時的試驗數據和比例，即可評價該水泥漿的防氣竄效果。

清水對比試驗中，當底部氣層壓力大于8.6 kPa（等高清水液柱壓力）時即發(fā)生氣竄，此后逐步提高底部氣層壓力，1#—4#測點的壓力同步升高，井筒上端連續(xù)冒出氣泡，如圖2（a）所示。

圖2 清水和凈漿液柱壓力變化曲線Fig. 2 The slurry column pressure variation curves of fresh water and paste

24組凈漿對比試驗中，有12組試驗在壓力快速下降階段發(fā)生了氣竄，臨界氣竄壓力為16～18 kPa，1#—4#測點的壓力響應存在一定滯后，液面小幅升高，井筒上端斷續(xù)冒出小氣泡，如圖2（b）和圖 2（c）所示。

當苯丙膠乳加量為5%時，即使氣層壓力（18 kPa）高于漿柱壓力（由16 kPa失重至12 kPa），在水泥漿快速失重階段也未發(fā)現有明顯的氣竄現象。拆卸后發(fā)現，96組試驗中有20組試驗的水泥漿底部存在氣體置換現象，水泥漿中存在微小氣泡。而在苯丙膠乳加量為10%及20%的水泥漿中，有12組試驗水泥漿存在微弱的氣體置換現象。氣體置換過程中，苯丙膠乳水泥漿失重曲線未出現顯著變化。在相同溫度壓力條件下，不同漿體的防氣竄效果如圖3所示。

圖3 相同溫度壓力條件下不同類型漿體的防氣竄效果Fig. 3 The anti-gas channeling effect of different types of slurry under the same temperature and pressure conditions

由圖3可知，由于苯丙膠乳粒子具有在壓差下聚集成膜，擠壓、填充水泥顆?？紫兜忍匦訹16-17]，可有效增強水泥漿整體的結構強度，對于防止候凝過程中發(fā)生氣竄具有顯著效果。在該試驗條件下，苯丙膠乳含量超過5%即可有效抑制環(huán)空氣竄，苯丙膠乳加量為10%時可使氣侵風險降至20%，其加量為20%時氣侵風險可降至10%。因此，針對高壓氣層固井施工，可與降濾失劑等水泥添加劑配合使用，建議加入5%～10%的苯丙膠乳；對于易漏易竄等其他更復雜的固井工況條件，苯丙膠乳加量可以基于該試驗方法進一步優(yōu)化。

3.2 苯丙膠乳水泥漿失重規(guī)律分析

共采集水泥漿壓力變化數據120組，其中凈漿試驗24組，苯丙膠乳加量變化試驗32組，氣壓變化試驗32組，溫度變化試驗32組。統計發(fā)現：在水泥漿液柱壓力下降到等高水柱壓力之前，有108組（占總數的90.0%）壓降曲線呈兩段式，稱為兩段式失重模式；有12組壓降曲線（占總數10.0%）呈三段式，稱為三段式失重模式。在兩段式失重模式中，有29組（約占總數24.2%）失重曲線斜率變化劇烈，前后兩段擬合曲線斜率比＞10，最高可達61.8；有79組（約占總數65.8%）失重曲線斜率變化相對平緩，前后兩段擬合曲線斜率比＜10，最低達到1.04。苯丙膠乳水泥漿兩段式失重曲線斜率比分布如圖4所示。

3.2.1 兩段式失重模式

圖4 兩段式失重曲線斜率比分布Fig. 4 Slope ratio distribution of two-stage weight loss curve

圖5 斜率變化顯著的兩段式失重曲線Fig. 5 Two-stage weight loss curve with significant slope change

圖5 為典型的斜率變化顯著的兩段式失重曲線，對應試驗條件分別為苯丙膠乳加量5%、氣壓15 kPa、溫度30 ℃和苯丙膠乳加量10%、氣壓0 kPa、溫度60 ℃。對兩段式失重曲線進行分段線性擬合，分析失重曲線變化趨勢。

由圖 5（a）可知：在 0～1 055 s時間段，1#—4#測點壓力-時間擬合曲線的斜率依次為 －0.006 8，－0.003 4，－0.002 5和－0.001 5，在此階段，水泥漿快速由液體狀態(tài)向膠凝態(tài)轉變，并伴有較強的觸變現象；在1 055～14 000 s時間段，1#—4#測點壓力-時間擬合曲線的斜率分別為－0.000 11，－0.000 091，－0.000 064和－0.000 042，在此階段，水泥漿呈膠凝態(tài)，緩慢失重，直至降至等高水柱壓力，停止試驗。將上述2個階段擬合曲線的斜率相除，可計算得到4條曲線的斜率比依次為61.8，37.8，39.1和35.9。類似地，圖5（b）中4段擬合曲線的斜率比依次為17.7，16.8，9.0 和 6.3。

對比圖5中的曲線可知：當擬合曲線的斜率比＞10時，失重曲線變化明顯，前期失重速度快，后期失重速度相對較??；當擬合曲線的斜率比＜10時，失重曲線整體較為平緩，斜率顯著變化的時間節(jié)點不明顯。

圖6為典型的斜率變化幅度較小的兩段式失重曲線，對應試驗條件分別為苯丙膠乳加量10%、氣壓15 kPa、溫度30 ℃和苯丙膠乳加量20%、氣壓0 kPa、溫度50 ℃。與圖5中的曲線相比，圖6中曲線斜率變化的幅度相對較小。圖6（a）中，1#—4#測點壓力-時間擬合曲線的斜率比依次為7.5，7.4，8.8 和 8.6；圖 6（b）中，1#—4#測點壓力-時間擬合曲線的斜率比為9.4，9.5，9.1和7.1。在曲線緩慢下降階段，水泥漿逐漸由液體狀態(tài)向膠凝態(tài)轉變，無明顯觸變現象；在平穩(wěn)下降階段，水泥漿呈膠凝態(tài)并伴隨有少量膠乳析出，液柱壓力緩慢降低，直至降至等高水柱壓力。

由此可知：對于觸變性較強的水泥漿，由于受到觸變形成的掛壁效應影響[17]，其液柱壓力通常呈現“快速+平穩(wěn)”兩段式下降；對于觸變性較小的水泥漿，其失重的原因主要是水泥漿內部顆粒沉降導致水泥顆粒出現橋堵現象，使部分水泥顆粒的重力作用于管壁上[18]，故液柱壓力失重相對緩慢，通常呈現“緩慢+平穩(wěn)”兩段式下降。但整體而言，在水泥漿失重階段，液柱壓力并非線性降低，存在階段性變化，與水泥的水化息息相關。

3.2.2 三段式失重模式

圖7為典型的三段式失重曲線，對應試驗條件為苯丙膠乳加量5%、氣壓15 kPa、溫度50 ℃和苯丙膠乳加量10%、氣壓15 kPa、溫度70 ℃。由圖7可以看出，水泥漿液柱壓力平穩(wěn)降至等高水柱壓力后，又開始迅速降低，整體呈現三段式。

圖6 斜率變化平緩的兩段式失重曲線Fig. 6 Two-stage weight loss curve with gentle slope change

由圖 7（a）可知：在 1～6 880 s時間段，曲線的形態(tài)與兩段式失重曲線一致，1#—4#測點壓力-時間擬合曲線的斜率比依次為40.6，64.9，38.5和40.5；時間超過6 880 s后，水泥漿液柱壓力重新開始加速降低，前后2個階段1#—4#測點壓力-時間擬合曲線的斜率比為 0.07，0.04，0.05 和 0.03。類似地，圖 7（b）水泥漿液柱壓力也呈三段式下降，在70 ℃溫度下，水泥漿失重曲線斜率變大，失重至等高水柱壓力的時間縮短。水泥漿液柱壓力降至等高水柱壓力后，水泥漿開始快速凝結、稠化。為防止水泥漿完全凝固在井筒中，停止試驗并拆下井筒，發(fā)現水泥漿已基本喪失流動性，呈塑性狀態(tài)。

綜合分析上述現象，認為完整的水泥漿失重曲線應為三段式：1）水泥漿進入井筒不再流動后，形成觸變或膠凝結構，水泥顆粒沉降，導致水泥顆粒附著于管壁上，造成水泥漿快速失重；2）隨著水泥水化反應進行，水泥漿逐漸從“顆粒堆積體”轉變?yōu)椤肮羌?孔隙結構”，水泥漿形成孔隙溶液傳壓，壓力緩慢降低[19]；3）當誘導期結束，水泥漿開始快速水化，直至降至等高水柱壓力，隨后徹底稠化、凝結，封閉井筒。為防止水泥漿凝固損毀試驗井筒，設定水泥漿液柱壓力降至等高水柱壓力即停止試驗。此時，若繼續(xù)采集數據，應能觀察到水泥漿液柱加速失重的過程。因此，試驗采集到的絕大部分失重曲線為兩段式曲線。

圖7 典型的三段式失重曲線Fig. 7 Typical three-stage weight loss curv

分析認為，在該試驗條件下，失重曲線中斜率顯著變化的第一個拐點是最易發(fā)生氣竄的狀態(tài)。在第一拐點處，水泥漿液柱壓力迅速降低，而水泥漿膠凝結構尚未完全形成，防氣竄的阻力較低，當底部氣層壓力大于水泥漿底部壓力與氣竄阻力之和時，就易發(fā)生氣竄。當水泥漿開始加速水化后，即使水泥漿液柱壓力迅速降低，加速形成的水泥漿結構強度也可以阻止氣體在水泥漿中運移。因此，在后續(xù)研究中，應重點探索失重曲線第一拐點附近壓力變化的規(guī)律，基于數據建立水泥漿失重預測模型，為防氣竄固井施工提供參考和指導。

4 結論及建議

1）設計了一套水泥漿壓力傳導精確測量裝置，并利用該裝置實時測量了不同苯丙膠乳加量、底部氣壓、環(huán)境溫度和井筒深度等條件下，水泥漿由液態(tài)變成塑性狀態(tài)過程中有效漿柱壓力變化的過程。

2）苯丙膠乳水泥漿失重試驗表明，即使氣層壓力高于漿柱壓力，也未發(fā)生明顯的氣竄現象。整體而言，苯丙膠乳粒子可有效增強水泥漿的整體結構強度，防止發(fā)生氣竄。對于氣層壓力較高的井，建議采用苯丙膠乳加量為5%～10%的水泥漿進行固井。

3）苯丙膠乳水泥漿的主要失重模式為三段式：當候凝形成觸變或膠凝結構后，水泥漿快速失重；隨著水化反應進行，水泥漿形成孔隙溶液傳壓，失重現象緩慢，壓力緩慢降低；最后，水泥漿開始快速水化，直至降至等高水柱壓力，隨后徹底稠化。

4）在文中試驗條件下，失重曲線的第一個拐點位置對應的是最易發(fā)生氣竄的狀態(tài)，在后期研究中，建議重點研究第一拐點附近水泥漿液柱壓力變化的規(guī)律。

5）建議采用水泥漿壓力傳導精確測量裝置與測量方法，進一步研究多種水泥添加劑、外摻料對水泥漿失重模式的影響，完善水泥漿失重規(guī)律分析。