溫敏堵漏水泥漿體系研究與應(yīng)用

劉學(xué)鵬

（中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 102206）

目前，固井漏失現(xiàn)象普遍，嚴(yán)重影響固井質(zhì)量［1-2］。中石化的西北和東北油田部分區(qū)塊、鄂北、四川頁巖氣井等都普遍存在固井漏失問題。塔河油田的順北區(qū)塊，井深＞8000 m，一次封固段達(dá)近6000 m，地層復(fù)雜、井漏嚴(yán)重，固井前后采取多種措施，依然難以達(dá)到要求。固井漏失會造成水泥返高不足，嚴(yán)重時(shí)會影響安全。

1 固井漏失解決方法及存在問題

針對固井漏失問題，現(xiàn)有解決方法主要有：

（1）固井前承壓堵漏［3-4］。即固井下套管前，鉆井液承壓堵漏。東北龍鳳山氣田井漏嚴(yán)重，一般采取注水泥前鉆井液承壓堵漏。承壓堵漏效果明顯，但周期長，費(fèi)用高（具體數(shù)據(jù)如表1 所示）；且在固井下套管過程中的刮碰以及“激動”壓力等影響仍不能避免固井漏失。

表1 東北龍鳳山氣田承壓周期及費(fèi)用Table 1 Pressure bearing period and cost of Northeast Longfengshan Gas Field

（2）固井采用低密度水泥漿［5］。超低密度水泥漿固井具有局限性，主要是：密度調(diào)節(jié)范圍有限；水泥石強(qiáng)度發(fā)展慢且低，滲透率很高；減輕材料價(jià)格高，加量大。低密度水泥漿僅是防漏作用，固井過程仍然經(jīng)常有漏失發(fā)生。

（3）固井采用堵漏水泥漿，如斯倫貝謝Cem?NET 纖維水泥漿、中石油BCE-200S 纖維水泥漿。國內(nèi)外主要采用在水泥漿中加入纖維和極小顆粒物進(jìn)行固井防漏堵漏［5-6］。纖維固井水泥漿具有如下缺點(diǎn)：①纖維尺寸有限制，封堵效果有限；②粒徑級配不好，缺乏結(jié)構(gòu)；③需人工在水泥車上添加，加量及均勻性差。存在這些問題的原因是，固井施工設(shè)備限制水泥漿堵漏材料的尺寸和濃度。固井過程中水泥漿需經(jīng)過水泥車柱塞泵，大尺寸材料容易堵塞泵車；高濃度堵漏材料，導(dǎo)致水泥漿增稠，不易泵送。所以目前固井堵漏水泥漿，堵漏能力不強(qiáng)，不能完全滿足固井防漏堵漏。

從上面的分析可以看出，固井漏失現(xiàn)象普遍存在，目前固井過程中水泥漿堵漏的手段單一，效果有限，不能保證易漏井的固井質(zhì)量。采用新的技術(shù)措施，開發(fā)有效的堵漏水泥漿體系非常必要。

2 溫敏堵漏水泥漿體系

本文利用溫敏形變材料［7-8］，解決固井過程中不能泵送大的堵漏顆粒材料，無法形成有效架橋和支撐結(jié)構(gòu)，堵漏效果差的問題；開發(fā)出溫敏堵漏水泥漿體系進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用，解決固井漏失難題。

2.1 溫敏堵漏材料

溫敏堵漏水泥漿體系的設(shè)計(jì)思路是：常溫下小顆粒的溫敏形狀記憶材料（便于混配、泵送）；井下升溫到達(dá)材料溫敏點(diǎn)后體積變大（大骨架、長纖維等結(jié)構(gòu)），實(shí)現(xiàn)架橋，結(jié)合水泥漿封堵［9-16］。

溫敏形變材料為合成的形狀記憶聚氨酯（SMPU）［7-8］，其具有兩相結(jié)構(gòu)，即固定相和可逆相。聚氨酯的硬段部分通過氫鍵或結(jié)晶形成固定相，其作用是對于制品原始形狀的記憶與回復(fù)；軟段部分作為可逆相吸收施加到聚合物的應(yīng)力，其作用是使制品產(chǎn)生變形并固定該形狀。其形狀記憶過程如圖1 所 示 ，圖 中T為 實(shí) 際 溫 度 ，Tg 為 SMPU 的 溫 敏 變形溫度點(diǎn)。SMPU 的優(yōu)勢是成本低、質(zhì)量輕，并且具有寬廣的形狀回復(fù)溫度、高的形狀回復(fù)率、良好的加工特性以及生物相容性。與其他形狀記憶高分子相比，SMPU 具有分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)多樣性、形狀回復(fù)溫度易于調(diào)整，且分子結(jié)構(gòu)中含有極性基團(tuán)，與水泥漿相容性好，材料綜合性能優(yōu)越。

圖1 溫敏形狀記憶材料工作原理Fig.1 Working principle of temperature sensitive shape memory material

基于上述原理開發(fā)了3 種溫敏材料，分別是SCQ-1、SCQ-2、SCQ-3 和支撐材料 SCQ-4（如圖 2所示）。材料特點(diǎn)：溫敏材料粒徑1 mm，達(dá)到溫敏點(diǎn)后體積膨脹3～15 倍，溫敏點(diǎn)60～110 ℃可調(diào)，材料應(yīng)用溫度 60～140 ℃。其中：SCQ-1 粒徑 1 mm，達(dá)到溫敏點(diǎn)后體積變成10～15 mm 的立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；SCQ-2 粒徑1 mm，達(dá)到溫敏點(diǎn)后分散成3～6 mm的 20～30 根纖維；SCQ-3 粒徑 1 mm 的圓球，達(dá)到溫敏點(diǎn)后體積變成3～6 mm。

圖2 溫敏堵漏材料常溫及溫敏點(diǎn)以上的狀態(tài)Fig.2 State of temperature sensitive plugging material at ambient temperature and temperature above the sensitive point

2.2 溫敏堵漏體系

采用上述4 種材料與其他材料搭配在固井水泥漿中使用，形成溫敏堵漏水泥漿體系。

2.2.1 堵漏試驗(yàn)方法及材料

堵漏試驗(yàn)方法：采用DLM-01 型堵漏材料試驗(yàn)儀，按《鉆井用橋接堵漏材料室內(nèi)試驗(yàn)方法》（SY/T 5840—2007）標(biāo)準(zhǔn)，用1～2 mm 的縫隙板評價(jià)堵漏劑對裂縫型地層的堵漏效果。

試驗(yàn)儀器：DLM-01 型堵漏材料試驗(yàn)儀、高速攪拌器、常壓稠化儀等。

2.2.2 堵漏材料評價(jià)

2.2.2.1 纖維堵漏評價(jià)試驗(yàn)

聚丙烯纖維是固井水泥漿堵漏中用量最多的纖維之一，材料易得。試驗(yàn)選用丙綸材料，長為3 mm，加量為0.5%～2.0%。加有纖維的水泥漿在90 ℃下養(yǎng)護(hù)20 min 后，觀察聚丙烯纖維的分布情況，并進(jìn)行1 mm 縫隙板堵漏劑相應(yīng)的堵漏試驗(yàn)，結(jié)果見表2。

表2 聚丙烯纖維堵漏評價(jià)試驗(yàn)Table 2 Polypropylene fiber plugging evaluation test

試驗(yàn)中，聚丙烯纖維在水泥漿中的加入量達(dá)極限時(shí)（2%，一般現(xiàn)場應(yīng)用加量≤2‰），最大承壓不足0.1 MPa，且此時(shí)加入到水泥漿中的纖維養(yǎng)護(hù)后極易結(jié)團(tuán)。試驗(yàn)表明單純的纖維水泥漿無法滿足1 mm 裂縫的堵漏需求，不能滿足大縫隙的固井堵漏。

2.2.2.2 常規(guī)顆粒材料堵漏試驗(yàn)

所選用的顆粒材料為約1 mm 蛭石堵漏劑、珍珠巖堵漏劑（見圖3、圖4）。試驗(yàn)顆粒匹配按表3 配制。采用1 mm 縫隙板，水泥漿在90 ℃下養(yǎng)護(hù)20 min。評價(jià)試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 常規(guī)顆粒堵漏材料試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Test results of conventional particle plugging materials

圖3 蛭石堵漏劑Fig.3 Vermiculite plugging agent

圖4 珍珠巖堵漏劑Fig.4 Perlite plugging agent

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，單純顆粒堵漏在加量達(dá)到水泥漿中上限時(shí)（此時(shí)水泥漿增稠，性能已無法滿足施工需求），還是無法堵住1 mm 縫隙板。且在配合加入纖維的情況下堵漏效果依然沒有明顯改善。

2.2.2.3 溫敏形狀記憶材料堵漏試驗(yàn)

溫敏形狀記憶顆粒堵漏體系包括1 mm 的溫敏形狀記憶堵漏粒子 SCQ-1、SCQ-2、SCQ-3，支撐顆粒SCQ-4，溫敏點(diǎn)80 ℃±3 ℃，在應(yīng)用時(shí)混入水泥漿中使用。堵漏墊床類型采用1、2 mm 縫隙板，水泥漿在90 ℃下養(yǎng)護(hù)20 min。評價(jià)試驗(yàn)結(jié)果表4。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，單純堵漏纖維顆粒SCQ-2 在加量達(dá)到上限2% BWOC（BWOC 為占水泥的質(zhì)量比）時(shí)，還是無法堵住1 mm 縫隙板，單純堵漏顆粒SCQ-1在加量達(dá)到上限1.5%時(shí)，只能在承壓1 MPa 下勉強(qiáng)堵住1 mm 縫隙板，但已不具備應(yīng)用條件。將堵漏纖維顆粒SCQ-2 和堵漏顆粒SCQ-1 配合使用，能有效封堵 1 mm 縫隙板。SCQ-1、SCQ-2、SCQ-3和支撐顆粒SCQ-4 配合使用，加量2% BWOC，能有效封堵2 mm 的縫隙板，承壓7 MPa。

2.2.2.4 堵漏水泥漿性能評價(jià)

根據(jù)表4 中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，選取“1.5% SCQ-1+0.1% SCQ-2+0.2% SCQ-3+0.2% SCQ-4”作為堵漏試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)體系SCQ 進(jìn)行水泥漿性能試驗(yàn)。分別評價(jià)了常規(guī)水泥漿，粉煤灰水泥漿、高密度水泥漿的相關(guān)性能。依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《油井水泥試驗(yàn)方法》（GB/T 19139—2012）進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果見表 5～7，1.88 g/cm3常規(guī)密度SCQ 水泥體系稠化曲線見圖5。

表4 溫敏形狀記憶顆粒堵漏體系試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Test results of the temperature sensitive shape memory particle plugging system

表5 高密度水泥漿體系應(yīng)用考察（130 ℃×120 MPa×90 min）Table 5 Application Investigation of high density cement slurry systems (130℃×120MPa×90min）

表6 常規(guī)水泥體系應(yīng)用考察（120 ℃×60 min×60 MPa）Table 6 Application Investigation of conventional cement systems (120℃×60 min×60 MPa）

表7 低密度水泥體系應(yīng)用考察（110 ℃×70 min×80 MPa）Table 7 Application Investigation of low density cement systems (110℃×70min×80MPa）

圖5 1.88 g/cm3常規(guī)密度SCQ 水泥體系稠化曲線Fig.5 Thickening curve of the SCQ cement system with 1.88g/cm3 conventional density

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，加入2% SCQ 堵漏體系的水泥漿和未加入的水泥漿前后性能沒有明顯差距，滿足固井施工需求。將表5～7 中的堵漏水泥漿體系進(jìn)行2 mm 縫隙板堵漏試驗(yàn)，結(jié)果見表8。結(jié)果表明，SCQ水泥漿體系能有效封堵2 mm 的縫隙板。

表8 堵漏水泥漿試驗(yàn)結(jié)果Table 8 Test results of plugging cement slurry

2.3 小結(jié)

利用溫敏形狀記憶聚合物溫敏形變的特點(diǎn)，在井下溫度升高時(shí)激發(fā)粒子形變，形成大形變體，為封堵漏失層提供架橋結(jié)構(gòu)，解決固井水泥漿防漏堵漏效果差、水泥車不能泵送較大尺寸顆粒的難題。試驗(yàn)結(jié)果表明，溫敏形狀記憶堵漏粒子制備的堵漏水泥漿主要特點(diǎn)在于其摻量?。?.0% BWOC），模擬堵漏效果顯著，能有效封堵2 mm 的縫隙板，且承壓7 MPa。形成的防漏堵漏水泥漿體系，其濾失量小、流變性能好、綜合性能優(yōu)良。

溫敏堵漏水泥漿堵漏防漏作用機(jī)理：溫敏形狀記憶堵漏粒子制備的堵漏水泥漿一開始由于溫度低未引發(fā)變形，材料易混、易泵送，水泥漿注入井中后，隨著地層溫度升高，當(dāng)?shù)竭_(dá)形變溫度點(diǎn)時(shí)，材料發(fā)生形變，形成堵漏水泥漿體系。其中立體網(wǎng)狀顆粒材料SCQ-1 提供骨架結(jié)構(gòu)，為封堵漏失層提供架橋基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)；纖維材料SCQ-2 和其他材料具有搭橋成網(wǎng)和填充特性。當(dāng)溫敏形狀記憶堵漏材料與水泥漿體進(jìn)入漏層時(shí)，可相互形成“濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)”，增加水泥漿體的流動阻力，借助于水泥漿的水化膠凝作用和未水化水泥顆粒的填充作用，達(dá)到堵漏和提高易漏地層承壓能力的目的（如圖6 所示）。

圖6 水泥漿堵漏試驗(yàn)（2 mm 的縫隙板，承壓7 MPa）Fig.6 Cement slurry plugging test(2mm-slotted plate at 7MPa)

3 現(xiàn)場應(yīng)用

溫敏堵漏水泥漿先后在東北分公司北209 井、北8 井、北213-1 井等的尾管或油層固井中進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用，尤其在北213-1 井的固井堵漏過程中解決了現(xiàn)場漏失難題。

東北區(qū)塊的北213-1 井，三開鉆進(jìn)過程，在2300～4000 m 的6 個(gè)層位發(fā)生漏失，期間進(jìn)行了6次停鉆堵漏，1 次隨鉆堵漏，泥漿總漏失量1000 余立方米。

三開固井封固段多層漏失，承壓堵漏難以滿足1.38 g/cm3的固井要求（1.35 g/cm3領(lǐng)漿+1.40 g/cm3尾漿），水泥漿引起的靜液柱壓力高等可發(fā)生井漏導(dǎo)致水泥漿低返，下套管及固井過程中容易發(fā)生漏失。

為了達(dá)到固井施工要求。2018 年8 月28 日-9月4 日，井隊(duì)循環(huán)提密度配堵漏材料承壓堵漏，期間進(jìn)行了4 次承壓堵漏，泥漿密度1.23 g/cm3提至1.26 g/cm3，期間累計(jì)漏失117 m3，常規(guī)堵漏無法有效提高承壓能力。井隊(duì)請示批復(fù)后聘請專業(yè)公司進(jìn)行承壓堵漏，9 月5 日開始，按照專家的方案逐步加入堵漏材料分段承壓，逐步提高鉆井液密度，到9 月10 日 1：00 密度提高至 1.33 g/cm3時(shí)，發(fā)現(xiàn)漏失，且漏速逐漸增大，密度1.32 g/cm3時(shí)循環(huán)不漏。至此，決定不再進(jìn)行承壓堵漏，采用溫敏堵漏水泥漿體系固井。設(shè)計(jì)漂珠微硅水泥漿體系：領(lǐng)漿1.35 g/cm3加2%溫敏材料，封固2200～3140 m 主要漏失井段，尾漿1.40 g/cm3加0.2%纖維材料。

9 月15 日進(jìn)行固井施工，水泥漿順利返出井口，測井結(jié)果顯示固井質(zhì)量優(yōu)質(zhì)，溫敏水泥漿封固段無漏失。

4 結(jié)論

（1）針對普遍存在的固井漏失現(xiàn)象，提出了利用溫敏形狀記憶材料，解決固井過程中不能泵送大的堵漏顆粒材料，無法形成有效架橋和支撐結(jié)構(gòu)，堵漏效果差的問題。

（2）設(shè)計(jì)并研制了溫敏材料，粒徑1 mm；達(dá)到溫敏點(diǎn)后體積膨脹3～15 倍；溫敏點(diǎn)60～110 ℃可調(diào)；材料應(yīng)用溫度60～140 ℃；加量2%BWOC，能有效封堵2 mm 的縫隙板，承壓7 MPa。

（3）形成的溫敏堵漏水泥漿成功進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用，在北213-1 井的固井過程中解決了現(xiàn)場漏失難題。