海上成膜水泥漿體系的實驗研究與固井應(yīng)用

■ 劉東清 賈瑞林

1 體系簡介

成膜水泥漿體系是以S902油井水泥降失水劑、SUS油井水泥分散劑為主要添加劑的水泥漿體系，主要組成有：G級高抗油井水泥＋1.0%～1.2%S902＋0.6%～0.8%SUS＋44.0%水＋0.1%SYX-1。

S902降失水劑由聚乙烯醇（PVAL）與其他助劑經(jīng)特殊工藝加工而成，主要通過與交聯(lián)劑如硼酸鹽一類復(fù)配，在水泥漿中交聯(lián)形成非滲透膜。其過程是通過在初始失水瞬間由于高分子聚合物的束縛水在壓差作用下擠出，使聚合物高濃度狀態(tài)下不穩(wěn)定而交聯(lián)，在濾餅外表面形成致密的非滲透膜，阻止液體向地層進(jìn)一步濾失。

SUS分散劑由甲醛、丙酮等原料縮合而成，通過調(diào)節(jié)水泥顆粒表面電荷而在表面形成水化膜，使水泥顆粒處于分散狀態(tài)，把水泥顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)的束縛水變成自由水，改善流變性能。

2 實驗研究

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB10238油井水泥和SY/T5546油井水泥應(yīng)用性能試驗方法，分別對下面4種水泥漿配方進(jìn)行全套性能試驗（表1）。

1#漿（原漿）：G級水泥+44.0%水；

2#漿：G級水泥+1.0%S902+0.6%SUS+44.0%水+0.1%SYX-1（消泡劑）；

3#漿：G級水泥+1.0%S902+0.6%SUS+44.0%水+0.10%SYH-1（緩凝劑）+0.1%SYX-1；

4#漿：G級水泥+1.0%S902+0.6%SUS+44.0%水+1.0%SYZ-1（早強(qiáng)劑）+0.1%SYX-1。

表1 成膜水泥漿體系主要性能

2.1流動性

從表1可見，不加降失水劑及分散劑的原漿流動性很差，流性指數(shù)n很小，稠度系數(shù)K很大；成膜水泥漿體系流動性很好，n值變大，K值變小。

2.2 失水量

水泥漿失水過大甚至脫水時，漿體增稠或驟凝造成憋泵，容易引起注水泥施工事故，同時也會造成油氣層污染。在不同加量和不同溫度下，成膜水泥漿體系的降失水效果（105℃試驗中輔加了適量緩凝劑）見表2。

表2 成膜水泥漿體系降失水效果評價表

從表1和表2可知，該水泥漿體系降失水效果很好，S902和SUS的最優(yōu)加量為1.0%、0.6%，最大抗溫能力可達(dá)105℃。在深井、大斜度井及水平井中，為了更有效地控制游離水和失水量，S902和SUS的用量可為1.2%、0.8%。

成膜水泥漿體系失水后形成的是薄膜狀泥餅，泥餅致密而有韌性，特別有利于鉆井工程及固井質(zhì)量。

2.3 稠化時間

稠化時間關(guān)系到固井施工安全。優(yōu)良的水泥漿性能要求稠化曲線前期持續(xù)低平，后期過渡短直，接近直角稠化。成膜水泥漿體系采用中溫緩凝劑SYH-1、高溫緩凝劑S803B、早強(qiáng)劑SYZ-1調(diào)節(jié)稠化時間和抗壓強(qiáng)度，以滿足不同井深和溫度壓力的注替施工和固井質(zhì)量需要。

為了便于比較，將表1中4種水泥漿的稠化曲線繪制在同一個坐標(biāo)系中（圖1）。

圖1 成膜水泥漿體系稠化曲線（75℃×0.1MPa）

從表1和圖2可見，與純水泥漿比較，成膜水泥漿體系稠化時間有所延長，前期曲線更加平穩(wěn)。SYH-1緩凝劑的緩凝效果和SYZ-1早強(qiáng)劑的速凝效果都特別顯著。

高溫高壓失水及稠化試驗的配方為：G級水泥＋1.0%S902＋0.6%SUS＋44.0%水＋0.25%SYH-1＋0.1%SYX-1。為了考察體系的抗溫能力及其適應(yīng)井下異常高溫突變能力，同時做了提高5℃溫敏試驗，要求水泥漿失水量的增大和稠化時間的縮短仍然能夠滿足正常施工要求（表3）。

表3 成膜水泥漿體系高溫高壓試驗及溫敏試驗

2.4 防竄能力

從失水量和稠化時間，可以判斷水泥漿的防止發(fā)生油氣水竄流能力。水泥漿防竄性能系數(shù)SPN是衡量水泥漿防竄能力的標(biāo)準(zhǔn)之一，SPN越小防竄能力越強(qiáng)，越大防竄能力越差：SPN=Q30（t100Bc1/2-t30Bc1/2）/301/2。

當(dāng)SPN≤4時，防竄能力特強(qiáng)；當(dāng)4＜SPN≤6時，防竄能力強(qiáng)；當(dāng)SPN＞6時，防竄能力差。

從表1和表3可見，成膜水泥漿體系失水量較小，稠化曲線接近直角稠化，SPN值很小，因此防竄能力很強(qiáng)，有利于保護(hù)油氣層。

2.5 抗壓強(qiáng)度

抗壓強(qiáng)度大小對固井質(zhì)量不可輕視；而強(qiáng)度發(fā)展快慢對防止發(fā)生油氣水竄有著重要意義。加入早強(qiáng)劑可以用來提早而且增大水泥石強(qiáng)度。為了便于比較，將表1中4個水泥漿的強(qiáng)度發(fā)展趨勢繪制在同一個坐標(biāo)系中（圖2）。

圖2 成膜水泥漿體系強(qiáng)度發(fā)展圖線（50℃×0.1MPa）

從表1和圖3可見，與純水泥漿相比，S902和SUS的加入不會對水泥石強(qiáng)度產(chǎn)生負(fù)面影響，6h強(qiáng)度不加SYZ-1早強(qiáng)劑就已經(jīng)達(dá)到7MPa以上，24h強(qiáng)度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過14MPa。該水泥漿體系一般不需要加入早強(qiáng)劑。

2.6 沖洗隔離液

勝利海洋鉆井公司海上鉆井一般使用的是海水鉆井液，也有少數(shù)使用飽和鹽水鉆井液和油基鉆井液。

成膜水泥漿體系采用S102作為沖洗隔離液，此隔離液中含有大量的非離子型表面活性劑，與海水鉆井液和水泥漿都有良好的相容性，對海水鉆井液濾餅有良好的沖刷作用。

在飽和鹽水鉆井液井中，同樣可以使用S102沖洗隔離液。在油基鉆井液井中，試驗成功了S104聚合物驅(qū)油沖洗隔離液。

2.7 其他輔助添加劑（外加劑）

成膜水泥漿體系除了與上述SYH-1中溫緩凝劑、S803B高溫緩凝劑、SYZ-1早強(qiáng)劑、SYX-1消泡劑、S102沖洗隔離液、S104驅(qū)油沖洗隔離液有良好的配伍相容性以外，還與SPZ-1膨脹劑、SDC-1增強(qiáng)增韌劑、WG172增韌纖維、膨潤土、3M中空玻璃微球等添加劑（外加劑）有良好的配伍相容性，可以滿足多種不同固井的需求。

3 結(jié)論認(rèn)識

該成膜水泥漿體系具有良好的流動性、足夠的水泥石強(qiáng)度、較低的失水量、可調(diào)控的稠化時間，可以稱之為高強(qiáng)度、高分散、高韌性、低失水和完美的稠化曲線的“三高一低一完美”水泥漿體系。既可以滿足固井施工和油氣層保護(hù)的要求，也有利于延長油井壽命、有利于長期勘探開發(fā)。它與其他常用添加劑（外加劑）配伍性良好，并可擴(kuò)展多個分支水泥漿體系。在勝利海上垂深1000～3500m，最高靜止溫度130℃、最高循環(huán)溫度105℃淺井、中深井固井中應(yīng)用良好。