固井水泥漿體系發(fā)展探討

張美琴

摘 要：圍繞新工藝、新技術(shù)、新材料對固井水泥漿體系技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了探討，對固井水泥漿體系進(jìn)行了分析，以期為促進(jìn)固井水泥漿體系應(yīng)用與研究提供理論參考。

關(guān)鍵詞：水泥漿體系；水泥漿技術(shù)；探討

固井技術(shù)一直是隨著鉆井技術(shù)的進(jìn)步而發(fā)展，固井材料、油井水泥外加劑及工藝技術(shù)措施已經(jīng)發(fā)生了深刻的變化，研究開發(fā)和應(yīng)用了許多新工藝、新技術(shù)、新材料，基本適應(yīng)了油田勘探開發(fā)的需要。經(jīng)過多年的研究與攻關(guān)，國內(nèi)固井技術(shù)已經(jīng)取得了長足的發(fā)展，基本形成了系列配套的固井材料、工具及相應(yīng)固井工藝技術(shù)措施，隨著勘探開發(fā)的深入，固井技術(shù)也將得到進(jìn)一步的完善和發(fā)展。主要表現(xiàn)在油井水泥的擴(kuò)充與完善，油井基本水泥由一兩種發(fā)展到13種；油井水泥外加劑已發(fā)展到14大類200多個品種；普遍采用計算機(jī)控制技術(shù)對配漿過程進(jìn)行連續(xù)監(jiān)控，注水泥設(shè)備向操作自動化、密度控制精確化方向發(fā)展。

1油井水泥與外加劑

固井材料作為層間封隔和保護(hù)套管目的的主要載體，一直是固井設(shè)計的重中之重的環(huán)節(jié)，也是固井領(lǐng)域研究的主要方面，它包括：基本水泥、混合水、外摻料和外加劑。外摻料主要是用來提高或降低水泥漿的密度，改善水泥石的高溫性能、滲透率、韌性等力學(xué)性能等的材料；外加劑則是可以改變水泥漿的凝結(jié)時間、流變性能、游離性能和提高水泥漿的防竄性能與保護(hù)油氣層，并對水泥石的力學(xué)性能產(chǎn)生影響等材料。

1.1特種水泥

常規(guī)油井水泥匹配外加劑和外摻料已基本能滿足固井的需要，但為了滿足一些特殊地質(zhì)、環(huán)境和工程需要，如：嚴(yán)重漏失、窄間隙、超低密度、超高溫等，就需開發(fā)一些特種水泥。在美國，基本水泥除了API油井水泥外，還包括高鋁水泥、礦渣、礦渣和水泥混合物、酸溶水泥和合成樹脂水泥等特種水泥，而且還市售一些不同細(xì)度和不同密度的水泥及混合物，使用起來非常方便。

1.2油井水泥外加劑和外摻料

目前油井水泥外加劑和外摻料已發(fā)展到14大類數(shù)百個品種，主要包括：降失水劑、緩凝劑、促凝劑、分散劑、充填劑和密度減輕劑、防氣竄劑、增密劑和加重劑、抑泡和消泡劑、游離液控制和固體懸浮劑、膠結(jié)增強(qiáng)劑和膨脹劑、減少或防止高溫強(qiáng)度衰退的硅質(zhì)材料，減少和防止井漏的外加劑和外摻料，特種水泥混合物、隔離液和沖洗液等。通常我們將摻量小于或等于水泥質(zhì)量的5%的固井材料稱為外加劑，外加劑在水泥漿體系中主要依靠物理作用、化學(xué)作用或物理化學(xué)作用，如吸附、絮凝、分散、絡(luò)合，來發(fā)揮其作用；而將超過水泥質(zhì)量的5%的材料，稱為油井水泥外摻料，外摻料一般是指的是硅粉、加重劑、減輕劑、微硅等。

1.3油井水泥外加劑主要進(jìn)展

（1）降失水劑。研制開發(fā)了適應(yīng)更寬溫度和密度范圍、抗鹽和抗高溫的高性能降失水劑。（2）用于深水固井的特殊外加劑。（3）泡沫水泥漿外加劑。（4）改善水泥石性能的外加劑。（5）滿足特殊地質(zhì)條件下的水泥外加劑

1.4外加劑、外摻料與國外的差距

我國油井水泥外加劑在大類上已與國外各大公司基本相一致，并相繼開發(fā)了與國際同步的降失水劑、緩凝劑和分散劑，但與國外著名服務(wù)公司相比仍存在下列差距：品種單一，各生產(chǎn)廠家產(chǎn)品相類似；產(chǎn)品過于大眾化，而且研究得不夠透徹，精細(xì)化程度低，缺少高性能的分散劑和緩凝劑；對外摻料的研究不夠深入，缺乏高性能的加重劑和減輕材料的研究；系列化程不夠，缺乏超低溫（低于15℃）、超高溫（高于220℃）配套的外加劑體系；不能滿足特殊井的水泥漿體系；產(chǎn)品材料的原創(chuàng)性較差，少有具有自主知識產(chǎn)權(quán)的原創(chuàng)技術(shù)。

2水泥漿體系

由于不同的水泥、混合水、外加劑、外摻料之間的相容性差異，決定了固井材料在使用中不是簡單的疊加，必須將這些材料優(yōu)化組合才能滿足各種地質(zhì)條件、井下溫度壓力環(huán)境和固井工藝的要求。圍繞高溫、高密度、低溫、低密度，含鹽，及漏、竄、壓穩(wěn)等特殊條件，開發(fā)出了不同類型的水泥漿體系、前置液體系

2.1防氣、水竄水泥漿體系

流體竄流是我國各油田固井過程中普遍遇到的問題，它包括氣體竄流和水竄流。根據(jù)失重理論、界面膠結(jié)理論、微裂縫-微裂隙理論等概念，國內(nèi)相繼開發(fā)不滲透水泥、KQ防氣竄水泥、微粒硅水泥以及泡沫水泥等防氣竄水泥漿體系。

2.2超低密度高強(qiáng)度水泥漿體系

根據(jù)緊密堆積理論已開發(fā)了高強(qiáng)度低密度水泥漿技術(shù)，當(dāng)水泥漿密度為1.1g/cm3時，其24小時的抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到14MP a以上，基本可以和純水泥相媲美，而且具有較好的堵漏和防竄性能，水泥漿失水可以控制在50ml以下，已在勝利、大港、長慶和伊朗的欠平衡鉆井中得到應(yīng)用，并取得了好的效果。國內(nèi)利用美國3M公司的漂珠，水泥漿密度可以降低到0.96 g/cm3左右。

2.3高密度水泥漿體系

斯倫貝謝公司開發(fā)的DensCRETE水泥，利用合理的水泥和超細(xì)球型的Micromax加重劑的粒徑分布以及各材料的緊密堆積，配制出流動性能良好的高性能水泥漿（最高密度可達(dá)2.9g/cm3），已在墨西哥、阿曼和我國的南海等油田使用。國內(nèi)的高密度水泥漿基本上還是采用普通加重劑的方法，如通過鈦鐵礦石、赤鐵礦石、重晶石等手段來提高水泥漿的密度，國內(nèi)油田利用優(yōu)選赤鐵礦粉和配套的外加劑研制了密度高達(dá)2.6g/cm3的水泥漿體系解決了異常高壓油氣夾層和鹽水侵固井難題。

2.4可膨脹水泥漿體系

為了補(bǔ)償水泥石在凝固過程中體積收縮問題，提高膠結(jié)強(qiáng)度，保證固井質(zhì)量，人們開發(fā)出了可膨脹水泥漿體系，依據(jù)膨脹源和作用機(jī)理的不同，常用的油井水泥膨脹材料可分為兩大類：① 晶體膨脹材料，主要依靠膨脹源晶體材料重結(jié)晶或晶形時轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的結(jié)晶膨脹壓，將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械力對外做功，其膨脹特性不受壓力和溫度（但鈣礬石類膨脹源受溫度制約）的影響。② 發(fā)氣材料，依靠外加劑與水泥漿反應(yīng)產(chǎn)生氣體，其膨脹源為可壓縮氣體。

2.5（增韌）塑性水泥漿體系

薄油層和地層間隔小的油層的開采，都要求水泥環(huán)必須有較高的韌性。 包括纖維水泥和膠乳水泥。

水泥石的韌性是保證井下水泥環(huán)長期封隔效果的主要性能參數(shù)，在短期固井質(zhì)量（24～72h膠結(jié)測井）評價中難以體現(xiàn)其特性。受行業(yè)管理體制、固井材料定額和CBL/VDL測井方法的限制，這一重要性能指標(biāo)常被忽視，而過分強(qiáng)調(diào)水泥石的抗壓強(qiáng)度指標(biāo)。對水泥石的力學(xué)特性上，缺少韌性的標(biāo)準(zhǔn)評價方法和技術(shù)參數(shù)；也沒有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定多大的韌性將滿足各種工程要求。