超細水泥封堵漿性能研究與應用

李秀妹，王 野，任 強，郭明紅，王 綺，楊豫杭，趙秋羽，張麗華

（渤海鉆探工程有限公司工程技術研究院，河北任丘 062552）

目前油水井封堵工藝漸趨成熟，儲層底部滲透性地層采用井筒注水泥塞或套管射孔管外擠水泥來確保填充質量及密封性；儲層采用水泥擠封井筒周圍，確保儲層封堵半徑的密封性；蓋層封堵采用套管水泥塞或套管鍛銑井筒水泥塞封堵，切斷流體上竄的通道[1-4]。儲層擠封堵，一般都采用超細水泥，由于超細水泥粒徑小，可以侵入到常規水泥不能到達的區域，具有較好的封堵效果[5，6]。但實踐中發現，如果超細水泥的選擇或使用不當，會直接影響封堵的效果，少數老井在實施封堵后，井口出現冒油冒氣的現象。本文從提高超細水泥的穿透能力及改善界面膠結強度出發，提高封堵的成功率，保證封堵質量。

1 試驗材料及儀器

1.1 材料

G 級水泥，超細水泥，油井水泥分散劑ZF-1，油井水泥降失水劑ZJ-5，油井水泥氮氣膨脹劑ZP-2。

1.2 儀器

HORIBA-920C 型激光粒度儀，十二速旋轉黏度計，水泥漿靜失水儀，壓力試驗機，滲透率儀，堵漏模擬儀。

2 室內研究

2.1 超細水泥粒徑優選

使用激光粒度儀對G 級水泥和2 種超細水泥進行粒度測定，對比情況（見表1）。通過測定可知，G 級水泥平均粒徑為50.5 μm，超細水泥-A、超細水泥-B平均粒徑大約在5 μm，約為G 級水泥平均粒徑的十分之一。兩種超細水泥的平均粒徑較接近，但從D90、Dmax的數據可以看出，超細水泥-B 粒徑分布較廣，最大的顆粒達到平均粒徑的23 倍，不利于進入地層的微細孔道。

表1 不同水泥顆粒粒徑對比

2.2 超細水泥流變性能

超細水泥-A 粒徑小、比表面積大、水化速度快，隨著水化反應的進行，黏度迅速增加，如果不能得到有效控制，會影響漿體的流變性，使漿體不能深入待封地層，影響封堵效果。

選用磺化醛酮縮合物分散劑ZF-1，ZF-1 分子中含有的-OH、-SO3H 等基團通過吸附作用及空間位阻效應使水泥顆粒得到有效分散。同時選用具有分散功能的聚合物降失水劑ZJ-5，ZJ-5 分子中含有大量的-CONH2、-SO3H 及-COOH 等基團，通過吸附及水化作用，使大分子包裹在水泥顆粒表面，防止水泥顆粒間的相互聚結，改善了漿體的流變性；同時形成一層吸附水化膜，將自由水包裹起來，防止自由水析出，增加了漿體的穩定性。

表2 超細水泥流變性能

從表2 可以看出，在0.6～0.8 的水灰比下，超細水泥漿體稠度系數小，流變性能好，漿體黏度適中，可以有效懸浮固相顆粒。

2.3 超細水泥穿透能力

水泥漿的穿透能力決定了封堵效果。較小的顆粒直徑以及良好的流變性能有利于提高漿體的穿透能力。將加有分散劑ZF-1 及降失水劑ZJ-5 的超細水泥-A 的漿體進行了穿透能力測試，并與G 級水泥的穿透效果進行了對比。

2.3.1 孔隙通過能力評價 為了考察不同水泥對地層孔隙的穿透能力，采用自制簡易砂床，將超細水泥-A與G 級水泥分別配制成水泥漿，各取50 mL 同時倒入砂床中，30 min 后測量水泥漿侵入砂床的深度。

由圖1 可以看出，水泥漿剛倒入砂床時（左：超細水泥-A，右：G 級水泥），超細水泥-A 已經開始侵入砂床的邊緣，30 min 后，超細水泥-A 侵入砂床約1 cm，G級水泥基本未侵入砂床。從常壓下兩種水泥對砂床孔隙侵入的情況來看，超細水泥-A 明顯優于普通G 級水泥。

為了更準確地測定水泥漿對孔隙的穿透能力，將砂床鋪在水泥漿靜失水儀的下部，上部分別倒入兩種水泥漿，加壓6.9 MPa，再次觀察水泥漿侵入砂床的情況。

試驗結束后，打開靜失水儀濾失筒（見圖2），可以看到，G 級水泥漿體未通過砂床，只在水泥與砂床的交界處形成了一層厚約0.3 cm 的濾餅，而超細水泥-A完全穿透砂床，與砂床融為一體。

2.3.2 窄縫通過能力評價 為了模擬水泥漿通過窄縫的能力，利用堵漏模擬裝置中帶割縫的過濾板（見圖3），將縫寬調整至0.1 mm，在壓力7 MPa 下，分別將G級水泥及超細水泥-A 倒入試驗筒中，測試漿體的通過率（見表3）。

圖1 常壓下不同水泥穿過砂床的情況

圖2 加壓下不同水泥穿過砂床的情況

圖3 堵漏模擬儀漿筒及割縫過濾板

表3 水泥通過縫板的穿透能力

從表3 數據可知，超細水泥-A 基本全部穿過微小縫隙，且未發生橋堵現象，與G 級水泥相比，具有極好的穿透能力。

2.4 水泥漿膠結性能研究

界面膠結強度是評價水泥環界面膠結質量的一個重要指標[7，8]。通過油水井膠結界面處微觀結構的研究發現，界面膠結強度直接影響封堵質量的好壞[9]。而水泥硬化后的體積收縮是影響膠結強度的主要因素之一[10]。為了解決水泥石體積收縮問題，國內外學者開發出了一系列膨脹水泥，通過凝固過程中的體積微膨脹，產生化學預應力，從而增加界面的膠結強度。晶格膨脹劑是目前常用的一類膨脹劑，但它會使水泥石的微觀結構發生改變，生成大量無黏結性能的晶體，影響水泥的化學膠著力，反而使膠結強度降低[11]。

為了解決這一矛盾，選用氮氣膨脹劑ZP-2 來提高水泥的界面膠結強度，從而保證封堵的嚴密性。氮氣膨脹劑由含氮有機物、穩定劑和惰性材料組成，在一定溫度下會產生微小的氣泡，均勻地分散在水泥漿中，增大水泥石的體積。氮氣膨脹劑不參與水泥顆粒的水化反應，不影響膠結薄弱界面處晶體的產生，通過增加水泥石與套管之間的擠應力提高界面膠結強度。

將含有不同加量氮氣膨脹劑的水泥漿分別倒入界面膠結強度測定的圓環中，50 ℃養護24 h，在壓力機上進行測定[12]（見表4）。

從表4 的數據可以看出，隨著膨脹劑加量的增大，水泥石的界面膠結強度增大，抗壓強度沒有明顯變化。從滲透率的測試來看，氮氣膨脹劑產生的氣體雖然會增大水泥石的孔隙，但由于氣泡是分散的、不連貫的，隔斷了水泥石孔隙的連通性，反而使滲透率有所下降。

表4 膨脹劑不同加量下水泥石的性能

3 現場應用實例

霸107X 井是一口三開井，目的層懸掛尾管、射孔完井。因京雄鐵路占壓，為保證鐵路施工，需要將該井進行封堵。共有三個射孔層：1 794.4 m～1 805 m、1 824 m～1 827 m、1 849 m～1 856.4 m，按要求首先對射孔層進行封堵。封堵工藝為：下水泥承留器至1 727 m，擠注清水記錄吸入量；連接地面管匯、試壓25 MPa，無刺漏，下管柱至1 720 m，正替前隔離液0.5 m3、超細水泥6 m3左右，使水泥漿位于管柱出口附近，然后將中心管插入水泥承留器，正擠超細水泥4 m3～6 m3，壓力不超過最高擠注壓力20 MPa；拔出中心管，關閉承留器，繼續注入超細水泥，將剩余超細水泥留在承留器以上，根據剩余水泥漿量計算頂替量，然后起出全部管柱；關井候凝48 h 后探塞，試壓合格，該井擠封一次成功。

應用該超細水泥技術，2019 年共完成封堵施工10余井次，施工成功率100 %，取得了較好的應用效果。

4 結論

（1）粒徑小、分布范圍窄、流變性好的超細水泥可以完全進入地層微細孔道，達到封堵目的。

（2）使用氮氣膨脹劑可以提高界面膠結強度，降低水泥石滲透率，保證封堵的長期有效性。

（3）通過現場應用，該超細水泥技術封堵成功率100 %，應用效果良好。