高強(qiáng)度防竄油水井復(fù)合堵劑研究及應(yīng)用

于鋒　劉念輝

摘要：高強(qiáng)度防竄油水井復(fù)合堵劑主要適用于油水井封堵層吸水指數(shù)注入壓力，5MPa<注入壓力<18MPa，吸收量>100L/min的井況。該堵劑可防止水泥漿體塑性收縮和水泥石硬化后的化學(xué)體積收縮，有效防止氣竄。解決常規(guī)堵劑封堵凝固后水泥石與地層界面膠結(jié)不緊密造成承壓能力不強(qiáng)的問(wèn)題，堵層后井筒承壓能力明顯增強(qiáng)，滿足了大多數(shù)井況的需求。且堵劑水泥漿體系有較好的分散性、穩(wěn)定性、可泵性。因此，高強(qiáng)度防竄油水井復(fù)合堵劑封堵性能優(yōu)于其它水泥漿體系，利用它可以減少堵劑用量，降低作業(yè)成本，提高封堵一次成功率，應(yīng)用前景廣闊。

關(guān)鍵詞：高強(qiáng)度;防氣竄;封堵劑;水泥收縮

常規(guī)的高強(qiáng)度封堵劑主要是單純的有機(jī)高分子聚合物類膨脹劑其作用主要發(fā)生在水泥水化早期，對(duì)水泥基材料后期收縮的補(bǔ)償作用不大且水化產(chǎn)物的物理化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，在90℃以上易發(fā)生分解，防氣竄效果不佳。另一方面超細(xì)水泥凝固后，高溫（90℃以上）條件下易發(fā)生強(qiáng)度衰退，承壓能力弱。另外堵劑用量大，一般在30-50噸。因此施工時(shí)間長(zhǎng)，規(guī)模大，需要消耗大量的人力、物力，作業(yè)成本高。

1 高強(qiáng)度防竄油水井復(fù)合堵劑總體設(shè)計(jì)

高強(qiáng)度防串油水井復(fù)合堵劑是在G級(jí)水泥漿體系中添加硅石粉、高分子聚合樹(shù)脂防裂劑、晶格防竄劑改善堵漏劑的化學(xué)性能，通過(guò)G級(jí)水泥添加硅石粉使堵劑進(jìn)入封堵層后具有強(qiáng)固結(jié)性質(zhì)，增加承壓強(qiáng)度;高分子聚合樹(shù)脂防裂劑具有較強(qiáng)的吸水性，能與水分子形成氫鍵，產(chǎn)生相互作用，在水泥水化過(guò)程中，分散到水泥水化產(chǎn)物表面，吸水溶脹，與G級(jí)水泥水化物共同形成含有大量水的凝膠狀物質(zhì)，使得G級(jí)水泥石本身表現(xiàn)出了一定的膨脹性，防止水泥漿前期的塑性體積收縮產(chǎn)生微裂。通過(guò)控制反應(yīng)活性，使其膨脹性能大部分發(fā)生的水化后期（凝固后），防止水泥石硬化后體積收縮，防止氣竄。

2 高強(qiáng)度防竄油水井復(fù)合堵劑室內(nèi)研究

2.1 主要材料的室內(nèi)研究

2.1.1 硅石粉材料

高強(qiáng)度防竄油水井復(fù)合堵劑使用微硅粉平均粒徑為0.15-0.20μm，其主要成分為二氧化硅，含量為80%-92%，雜質(zhì)成分為氧化鈉、氧化鈣、氧化鎂、氧化鐵、氧化鋁和活性炭等。由于所選微硅粉具有顆粒細(xì)小、比表面積大、SiO2純度高、火山灰活性強(qiáng)等物理化學(xué)特點(diǎn)，將微硅粉作為揍和劑加人堵劑中可改善復(fù)合堵劑多方面的性能，如顯著改善塑性堵劑土粘附性能和凝聚性。

通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，微硅粉的滲入能較大幅度提高堵劑中期和后期的強(qiáng)度，強(qiáng)度提高的幅度隨著微硅粉滲入量的增大而增大。抗壓強(qiáng)度隨著侯凝時(shí)間（h）的延長(zhǎng)加入微硅粉量的增大而提高，但是提高的幅度不同，加入量為26%、28%、30%、32%、34%、36%時(shí)，72h強(qiáng)度比不加入（0%）強(qiáng)度提高比列分別是17.5%、19.0%、20%、22%、27%、25%，說(shuō)明微硅粉加入對(duì)提高試樣的早期強(qiáng)度不明顯，但由于提高比例的增幅不同，在加入34%時(shí)增幅最大，說(shuō)明外加入量并不能在短期內(nèi)參與反應(yīng)，微硅粉的加入量并不是越多越好。

2.1.2 高分子聚合樹(shù)脂防裂劑

高分子聚合物樹(shù)脂材料，其膨脹原理主要是：高分子聚合物樹(shù)脂具有較強(qiáng)的吸水性，能與水分子形成氫鍵，產(chǎn)生相互作用，在水泥水化過(guò)程中，分散到水泥水化產(chǎn)物表面，吸水溶脹，與水泥水化物共同形成含有大量水的凝膠狀物質(zhì)，使得水泥石本身表現(xiàn)出了一定的膨脹性，防止水泥漿前期的塑性體積收縮。

2.1.3 晶格膨脹劑

為了解決水泥漿硬化后的化學(xué)收縮問(wèn)題，優(yōu)選了晶格膨脹劑，該膨脹劑為MgO類延遲性膨脹劑，其具有如下特點(diǎn)：（1）膨脹劑的活性組分與水泥水化物反應(yīng)，在受限空間內(nèi)產(chǎn)生晶格膨脹，致使水泥石體積膨脹，增強(qiáng)了水泥與套管、地層的界面膠結(jié)強(qiáng)度;（2）膨脹劑在產(chǎn)生體積膨脹的同時(shí)，可以向水泥石內(nèi)部空隙空間擴(kuò)展，從而降低水泥石的孔隙度和滲透率，提高水泥石的耐腐蝕性能和抗壓強(qiáng)度。

為防止水泥漿收縮必須從塑性收縮和硬化收縮兩方面著手，因此我們優(yōu)選了有機(jī)高分子聚合物類膨脹劑防止水泥漿凝固前的塑性體收縮，復(fù)合晶格膨脹劑，作為延遲膨脹材料，防止水泥漿硬化后的化學(xué)收縮。

3 高強(qiáng)度防竄油水井復(fù)合堵劑性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)

3.1 防竄性能評(píng)價(jià)

實(shí)驗(yàn)根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)采用流體竄流分析儀對(duì)觸變膠凝堵漏體系體系的防竄性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)所用水泥漿基礎(chǔ)配方為：G級(jí)水泥50%，硅石粉36%，高分子聚合樹(shù)脂防裂劑8.5%，晶格防竄劑4%，降失水劑1.2%，緩凝劑0.3%，實(shí)驗(yàn)溫度為90℃，測(cè)試壓差2.8MPa。

3.2 強(qiáng)度性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)

封堵劑固化后的抗壓強(qiáng)度是保證油水井長(zhǎng)期有效封堵的關(guān)鍵指標(biāo)，固化強(qiáng)度越高，封堵質(zhì)量就越好，發(fā)生氣竄的可能性就越小。將不同固液比的堵劑放入25℃水浴中常壓養(yǎng)護(hù)24h后，采用抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)儀，測(cè)試不同溫度下的水泥稠化試驗(yàn)如下圖1所示：

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：封堵劑的固化強(qiáng)度主要受固液比的影響，硅石粉比例越大，封堵劑的固化強(qiáng)度越高，封堵劑平均強(qiáng)度可達(dá)40MPa以上，完全可以滿足油、水、氣層封堵要求。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

截至目前，該堵劑材料在大港油田共完成堵層4井次，施工成功率為100%，累計(jì)增產(chǎn)原油3849 t，天然氣0.9×10⁴m³，封堵效果明顯。

以板深4H井為例：該井是大港油田一口生產(chǎn)井，地質(zhì)要求擠灰封堵馬家溝組4516.0m以上射孔層位，鉆塞，放開(kāi)下部馬家溝組油層;完井下排水采氣管柱，注氣壓力不低于20MPa，堵層后清水試壓不小于25MPa，常規(guī)堵劑難以滿足地質(zhì)要求。

通過(guò)堵劑優(yōu)選，最后采用G級(jí)水泥+硅石粉+膨脹材料水泥體系14m3對(duì)2829-2872.1m層進(jìn)行封堵，最高擠注壓力16MPa，封堵后試壓25MPa合格，取得了不錯(cuò)的堵層效果。

5 結(jié)論

（1）通過(guò)復(fù)配使用防裂劑和防竄劑，形成多膨脹源膨脹劑，分別防止水泥漿體塑性收縮和水泥石硬化后的化學(xué)體積收縮，水泥漿體系的膨脹率達(dá)到0.072%，有效防止氣竄;

（2）該水泥漿體系阻止水泥石的凝固后收縮，有效解決常規(guī)堵劑封堵凝固后水泥石與地層界面膠結(jié)不緊密造成承壓能力不強(qiáng)的問(wèn)題，堵層、鉆塞后井筒承壓≥20MPa;

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