韌性防氣竄固井水泥漿體系研究

何 磊，廖興松

（大港油田公司工程技術處，天津 300280）

隨著頁巖氣田、低滲油氣田等復雜氣田的開發，對固井水泥漿體系及性能的要求也越來越高，水泥漿體系不僅要求能進行管柱封固和層間封隔，而且需要能抵抗井下復雜作業載荷的破壞，同時防止固井作業過程中發生氣竄問題[1]。

為提高水泥漿的長期封固穩定性，延長油氣井開采壽命，保障固井質量，國內外研究表明，當水泥漿具有較強的韌性時，其凝固后的水泥石對外部載荷作用具有較強的緩沖能力，能在一定程度上抵抗井下復雜作業對水泥環的沖擊破壞，可以提高水泥漿凝固后的封固穩定性，改善水泥漿的長期層間封隔的能力[2，3]。此外，對于氣井來說，水泥漿的防氣竄能力至關重要。通過添加劑材料的調節提高水泥漿的防氣竄能力，可降低氣竄對固井質量帶來的損害[4，5]。為開發性能優異的韌性防氣竄水泥漿體系，室內對主要的固井添加劑進行了研究，使用開發的添加劑材料構建了韌性防氣竄水泥漿體系，并對其性能進行評價。

1 實驗儀器與方法

1.1 實驗儀器

恒速攪拌器，六速旋轉黏度計，增壓稠化儀，API失水儀，簡支梁沖擊試驗機，電子萬能材料試驗儀。

1.2 實驗方法

（1）水泥漿常規性能評價。水泥漿的制備和評價參照國家標準GB/T 19139-2012《油井水泥試驗方法》中的具體要求進行。

（2）水泥漿防氣竄性能評價。水泥漿的防氣竄能力以水泥漿性能系數（SPN）值作為評價標準，SPN 值反映了水泥漿失水量及凝固過程中阻力變化系數對防氣竄的影響，具體的計算式為：

式中：SPN-水泥漿性能系數，無因次；FLAPI-水泥漿API 失水量，mL-水泥漿稠度為100 Bc和30 Bc 的時間，min。

SPN 值評價防氣竄能力的標準（見表1）。

表1 防氣竄能力評價

2 韌性防氣竄水泥漿主要添加劑材料研究

2.1 分散劑

不添加分散劑的水泥漿體系的流變性通常較差，而良好的流變性能是保證固井施工安全性的基礎。分散劑的作用是使油井水泥顆粒在配漿水中分散均勻，對水泥顆粒之間的成團連接進行削弱和拆散，釋放游離水，降低漿體內摩擦阻力，使水泥漿保持良好的可泵送性能[6]。為研究合適的分散劑應用在韌性防氣竄水泥漿中，評價了幾種選擇和研制的分散劑性能，實驗結果（見表2）。

從表2 數據可以看出，與空白水泥漿相比，添加了分散劑ERA60 和F385 的水泥漿體系流變性改善較大，兩種分散劑能較好的調節水泥漿的流變性能，但是F385 分散劑的添加引起了少量自由液的產生，影響了水泥漿漿體穩定性。綜合考慮分散劑在水泥漿中的作用效果，選用ERA60 作為韌性防氣竄水泥漿的分散劑。

2.2 緩凝劑

水泥漿的稠化時間是固井作業過程中衡量和保證水泥漿泵送和施工安全性極為重要的性能。在井底溫度工況下，大多固井水泥漿體系都需要進行緩凝處理，不添加緩凝劑水泥漿體系的稠化時間通常都不能滿足固井施工的要求。緩凝劑在水泥漿中通過表面吸附或生成表面沉淀的方式起緩凝作用，延長水泥漿的稠化時間[7]，室內評價的不同緩凝劑作用效果（見圖1）。

從圖1 中的實驗結果可以看出，與空白水泥漿相比，摻入不同的緩凝劑都能在一定程度上延長水泥漿的稠化時間。在評價的幾種緩凝劑中，緩凝劑HN-3 對水泥漿稠化時間延長最明顯，作用效果最好，有助于在少量加量條件下調節水泥漿的稠化時間。因此，韌性防氣竄水泥漿體系選取HN-3 作為緩凝劑。

表2 不同分散劑性能

圖1 不同緩凝劑性能

圖2 不同降失水劑的性能

2.3 降失水劑

水泥漿的失水量對固井質量有較大的影響。在沒有進行濾失和施工性能處理的情況下，水泥漿失水量較大，可能導致環空漿體水灰比的變化，流變性變差，稠化時間縮短，稠度急劇增加，導致固井失敗[8]。此外，大量水泥漿水向地層的濾失，可能造成儲層污染，降低儲層滲透率繼而降低油井產量。為了研究出合適的降失水劑，評價了幾種降失水劑性能，實驗結果（見圖2）。

圖3 不同防氣竄劑的性能

圖2 的實驗結果表明，不同的降失水劑都能降低水泥漿的失水量，其中降失水劑RL-30 的降低失水量的效果最好。與空白水泥漿相比，使用降失水劑RL-30配制的水泥漿體系的失水量下降了44 mL。因此，選擇降失水劑RL-30 作為水泥漿的降失水劑添加劑。

2.4 防氣竄劑

在氣井固井過程中，水泥漿漿體失重易引起環空水泥漿的氣侵，產生環空氣竄，形成環空竄槽，降低固井質量，甚至導致固井失敗。為了提高水泥漿的防氣竄能力，可在配制水泥漿時加入一定量的防氣竄劑。為研究不同防氣竄劑的作用效果，對不同水泥漿SPN 值進行評價，實驗結果（見圖3）。

從圖3 可以看出，無防氣竄劑水泥漿體系的防氣竄能力較差，摻入防氣竄劑后，水泥漿防氣竄能力得到改善。防氣竄劑AGC-1 和CR-60 配制的水泥漿體系防氣竄能力都較好，其中AGC-1 的作用效果最好,其SPN 值的大小僅0.87。因此，選取AGC-1 作為水泥漿體系防氣竄劑。

2.5 增韌劑

水泥石的韌性表征了水泥石抵抗外部載荷沖擊破壞的能力，通常以抗沖擊強度大小作為評價標準。賦予油井水泥石韌性形變能力，增加水泥石抗沖擊破碎性能，減輕水泥環在受沖擊力作用后的應力集中造成的破碎傷害程度是韌性防氣竄水泥漿體系研究的重要內容。為提高水泥漿韌性，評價了膠乳液、碳纖維和自制增韌劑ETA-30 在水泥漿中的作用效果，結果（見表3）。

表3 不同增韌劑的性能

從表3 可以看出，空白水泥漿試樣抗壓強度較高，但是彈韌性較差。添加增韌劑后，增韌水泥漿體系的抗壓強度略有下降，但都滿足固井施工的要求，且增韌水泥漿的抗沖擊強度大幅度提高，彈性模量下降，水泥石的彈韌性有明顯的改善。與碳纖維和膠乳液相比，使用增韌劑ETA-30 配制的水泥漿體系的抗壓強度下降幅度最小，同時抗沖擊強度提升最明顯，彈性模量最小，水泥石的彈韌性最優異。因此，韌性防氣竄水泥漿體系選擇ETA-30 作為韌性防氣竄水泥漿的增韌劑。

3 韌性防氣竄水泥漿體系性能評價

通過研究的不同水泥漿添加劑，以微硅作為增強劑材料，構建了韌性防氣竄水泥漿配方，其具體組成為：100 %G 級水泥+44 %淡水+2 %微硅+2 %降失水劑RL-30+0.5%分散劑ERA60+0.5%緩凝劑HN-3+2%防氣竄劑AGC-1+3 %增韌劑ETA-30。

表4 韌性防氣竄水泥漿常規性能

表5 韌性防氣竄水泥漿力學性能

為進一步評價構建的水泥漿體系的性能，室內研究了水泥漿體系在60 ℃和90 ℃兩種溫度條件下的常規性能和力學性能，實驗結果（見表4 和表5）。

從表4 中的數據可以看出，在不同的溫度條件下，構建的韌性防氣竄水泥漿體系流變性均較好，失水量小于50 mL，漿體穩定，稠化性能滿足施工要求，且SPN 值均小于1，防氣竄性能優異。從表5 可以看出，韌性防氣竄水泥漿體系抗壓強度滿足固井封固要求，抗沖擊強度大，彈性模量較低，水泥漿體系具有較強的抵抗外部載荷破壞的能力。

4 結論

（1）研究的添加劑材料能顯著提高水泥漿的彈韌性和防氣竄能力，降低水泥漿的失水量，改善水泥漿流變性，調節水泥漿稠化時間。

（2）韌性防氣竄水泥漿體系流變性能較好，失水量低，漿體穩定，稠化時間滿足施工要求且防氣竄性能優異。

（3）韌性防氣竄水泥漿體系的抗壓強度滿足固井封固要求，彈韌性優異，具有較強的抵抗外部載荷破壞的能力。