小井眼井固井柔性水泥漿體系研究*

趙 俊 ，梅文博 ，夏忠躍 ，解健程 ，姜 磊

（1.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司，北京100016；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司，天津300452）

對(duì)于一些中小型或邊際油氣田來說，單井產(chǎn)量不高，對(duì)井眼尺寸及井下工具的要求也相對(duì)較低，若使用傳統(tǒng)鉆完井設(shè)計(jì)會(huì)造成不必要的浪費(fèi)[1,2]。20 世紀(jì)90 年代以來，BP 公司將小井眼技術(shù)作為其勘探技術(shù)手段，節(jié)省費(fèi)用超過40%。

在國(guó)內(nèi)的臨興-神府區(qū)塊，由于地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、機(jī)械鉆速低的問題，通過對(duì)井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、鉆頭設(shè)計(jì)及鉆井液體系優(yōu)化等方面研究，形成了適用于臨興-神府致密氣井的小井眼高效鉆井技術(shù)，并在中海油致密氣開發(fā)中進(jìn)行了應(yīng)用，縮短鉆井周期59.1%，機(jī)械鉆速提高56.2%。

但在小井眼鉆井開發(fā)過程中，由于小井眼井固井時(shí)存在小套管易彎曲、居中度低，且環(huán)空間隙小，水泥環(huán)薄等問題[3]，因此，對(duì)固井水泥漿體系的性能提出了更高的要求。研究表明，小井眼井固井要求水泥漿體系具有較好的流變性和較高的穩(wěn)定性、低失水高彈韌性，且稠化時(shí)間可調(diào)[4]。

針對(duì)小井眼井固井技術(shù)存在的難點(diǎn)，為了研發(fā)適用于小井眼井固井的水泥漿體系，室內(nèi)研究了一系列固井水泥漿添加劑，構(gòu)建了用于小井眼井固井的柔性水泥漿體系，并對(duì)水泥漿體系性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

G 級(jí)油井水泥（嘉華特種水泥廠）；消泡劑RF51L、彈性乳液、緩凝劑HNA、增強(qiáng)劑CE50（湖北江漢石油技術(shù)有限公司）；纖維（滄州中麗新材料科技有限公司）；降失水劑WLR-80、分散劑RD40L，實(shí)驗(yàn)室自制。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

依據(jù)GB/T 19139-2012《油井水泥試驗(yàn)方法》中的實(shí)驗(yàn)方法對(duì)水泥漿性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2 結(jié)果與討論

2.1 降失水劑的選擇

水泥漿降失水劑的配套選擇是水泥漿體系建立的基礎(chǔ)，降失水劑通過提高水泥漿粘度、降低濾餅滲透性等作用降低水泥漿的失水量[5,6]。為了研究性能較好的降失水劑，對(duì)不同的降失水劑進(jìn)行了系統(tǒng)的評(píng)價(jià)研究，實(shí)驗(yàn)溫度為80℃，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 降失水劑的性能評(píng)價(jià)Tab.1 Performance evaluation of filtrate reducer

由表1 可以看出，WLR-80 和JSD 具有較好的降濾失效果，但降失水劑JSD 配制的水泥漿穩(wěn)定性較差。綜合考慮降失水劑的作用效果，選擇對(duì)水泥漿流變性影響小且漿體穩(wěn)定的WLR-80 作為水泥漿體系的降失水劑。

降失水劑WLR-80 是AA/AMPS 共聚而成的低粘聚合物。為研究降失水劑WLR-80 對(duì)水泥漿失水量的影響，室內(nèi)進(jìn)行了進(jìn)一步評(píng)價(jià)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 WLR-80 對(duì)失水量影響Fig.1 Effect of WLR-80 on water loss

由圖1 看出，不同加量的降失水劑WLR-80 均能降低水泥漿的失水量，且水泥漿的失水量隨WLR-80 的加量增加而減小。當(dāng)降失水劑加量超過4%時(shí)，失水量降低幅度減小。

2.2 緩凝劑的選擇

水泥漿的稠化性能與水泥漿的施工安全性密切相關(guān)。對(duì)于大多數(shù)的水泥漿體系都需要進(jìn)行緩凝處理，緩凝劑通過表面吸附或生成表面沉淀的方式起到緩凝作用[7,8]。為研究適用于小井眼井固井的水泥漿體系，室內(nèi)研究了不同緩凝劑水泥漿的稠化性能，實(shí)驗(yàn)溫度80℃，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 緩凝劑性能評(píng)價(jià)Tab.2 Performance evaluation of retarder

由表2 可以看出，大多數(shù)緩凝劑在中低溫條件下，要么緩凝效果不佳，要么轉(zhuǎn)化時(shí)間較長(zhǎng)，但加入HNA 緩凝劑的水泥漿顯示了較好的稠化性能，稠化轉(zhuǎn)化時(shí)間短，體系選取HNA 作為緩凝劑。

為研究緩凝劑HNA 對(duì)水泥漿性能的影響，室內(nèi)進(jìn)行了進(jìn)一步評(píng)價(jià)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 HNA 加量對(duì)水泥漿性能影響Tab.3 Effect of HNA dosage on properties of cement slurry

由表3 可以看出，HNA 的延長(zhǎng)水泥漿稠化時(shí)間的效果穩(wěn)定，稠化時(shí)間可調(diào)，而且稠化轉(zhuǎn)化時(shí)間均小于20min。當(dāng)加量大于0.6%時(shí)，稠化時(shí)間延長(zhǎng)幅度降低。

2.3 分散劑的選擇

分散劑的作用是促使水泥顆粒均勻地分散在水中，同時(shí)使水泥漿在低水灰比的情況下，依然保持可泵性[9-11]。小井眼井由于環(huán)空間隙小，對(duì)水泥漿流變性要求更高。室內(nèi)研究了幾種分散劑對(duì)水泥漿流變性的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 分散劑性能評(píng)價(jià)Tab.4 Performance evaluation of dispersant

表4 結(jié)果表明，D49L 和RD40L 都具有較好的流變性控制能力，但加入RD40L 的水泥漿失水量較小，說明了RD40L 分散劑優(yōu)異的分散性能，且對(duì)水泥漿性能影響較小。

為研究分散劑RD40L 對(duì)水泥漿性能的影響，室內(nèi)進(jìn)行加量評(píng)價(jià)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 RD40L 對(duì)體系流變性能的影響Tab.5 Effect of RD40L on rheological properties of the cement slurries

表5 結(jié)果表明，水泥漿體系的流變讀數(shù)隨著分散劑RD40L 的加量增加而變小，但考慮到水泥漿的懸浮穩(wěn)定性，在保證水泥漿分散性的前提下，分散劑的加量應(yīng)不超過1%。

2.4 增強(qiáng)劑的優(yōu)選

為研究水泥漿合適的增強(qiáng)劑，室內(nèi)評(píng)價(jià)了超細(xì)礦渣、粉煤灰、微硅以及混合增強(qiáng)劑CE50 對(duì)水泥石抗壓強(qiáng)度的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 增強(qiáng)劑性能評(píng)價(jià)Tab.6 Performance evaluation of reinforcing agent

表6 結(jié)果表明，相比3 種常規(guī)增強(qiáng)劑，CE50 在中低溫條件下對(duì)水泥漿體系的增強(qiáng)效果更為明顯。所以，體系選取CE50 作為增強(qiáng)劑。

為研究增強(qiáng)劑CE50 對(duì)水泥漿性能的影響，室內(nèi)進(jìn)行了進(jìn)一步評(píng)價(jià)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 CR50 對(duì)抗壓強(qiáng)度影響Fig.2 Effect of CR50 on compressive strength

由圖2 可見，CE50 明顯提高了水泥石的強(qiáng)度性能，但隨CE50 加量增加，體系的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度明顯降低。所以，在滿足強(qiáng)度性能的前提下，應(yīng)控制其加量。

2.5 柔性材料的優(yōu)選

柔性材料是設(shè)計(jì)柔性水泥漿體系必不可少的添加劑材料。室內(nèi)選取幾種常用的柔性材料，并與彈性乳液和纖維組成的復(fù)合柔性材料進(jìn)行對(duì)比，評(píng)價(jià)了不同柔性材料水泥漿的力學(xué)性能，結(jié)果見表7。

表7 柔性材料性能評(píng)價(jià)Tab.7 Performance evaluation of flexible materials

表7 的結(jié)果表明，幾種柔性材料都不同程度的降低了水泥石的抗壓強(qiáng)度，提高了水泥石的抗沖擊強(qiáng)度，降低了水泥石的彈性模量，柔性材料組成的水泥漿體系比空白水泥漿體系的彈韌性更好。當(dāng)纖維與彈性乳液同時(shí)加入時(shí)，水泥漿體系的抗沖擊強(qiáng)度和彈性模量性能更好，因此，選擇纖維與彈性乳液混合作為柔性材料建立柔性水泥漿體系。

3 柔性水泥漿體系性能研究

通過上述添加劑研究，構(gòu)建的柔性水泥漿體系配方為：100%JH/G +42%淡水+1%消泡劑RF51L+4%彈性乳液+0.3%纖維+4%降失水劑WLR-80+1%分散劑RD40L+0.6%緩凝劑HNA+2%增強(qiáng)劑CE50（密度 1.9g·cm-3）。

3.1 水泥漿常規(guī)性能

室內(nèi)針對(duì)研究的柔性水泥漿體系，在不同溫度下對(duì)水泥漿體系常規(guī)性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表8。

表8 水泥漿體系常規(guī)性能Tab.8 Conventional performance of cement slurry system

從表8 結(jié)果看出，構(gòu)建的復(fù)合柔性水泥漿在不同的溫度下均具有較好的常規(guī)性能，水泥漿的Φ300實(shí)驗(yàn)結(jié)果都小于300，失水量小于50mL,稠化時(shí)間為3～5h，無自由液且沒有上下密度差。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，柔性水泥漿體系流變性好，失水量低，漿體穩(wěn)定，稠化時(shí)間滿足固井要求。

3.2 水泥石力學(xué)性能

針對(duì)小井眼井進(jìn)行固井，除了要求水泥漿體系具有較好的常規(guī)性能外，還要求水泥漿體系力學(xué)性能優(yōu)異，達(dá)到長(zhǎng)期封固環(huán)空的目的。室內(nèi)對(duì)不同溫度下水泥石的力學(xué)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表9。

表9 水泥石力學(xué)性能Tab.9 Mechanical properties of cement paste

從表9 可以看出，不同溫度下柔性水泥漿抗壓強(qiáng)度都大于25MPa，抗折強(qiáng)度大于6MPa，抗沖擊強(qiáng)度達(dá)到 2kJ·m－2以上，且彈性模量小于 6GPa。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不同溫度下柔性水泥石力學(xué)性能都較好。抗壓強(qiáng)度滿足固井要求，且抗折強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度較高，彈性模量低，構(gòu)建的柔性水泥漿體系具有較好的彈韌性。

4 結(jié)論

（1）研究的降失水劑、緩凝劑、分散劑、增強(qiáng)劑能顯著降低水泥漿失水量，延長(zhǎng)稠化時(shí)間，提高水泥漿流變性和抗壓強(qiáng)度。

（2）彈性乳液與纖維組成的復(fù)合柔性材料能顯著提高水泥漿的力學(xué)性能，增強(qiáng)其彈韌性。

（3）構(gòu)建的柔性水泥漿體系在不同溫度下流變性較好，漿體穩(wěn)定，失水量低，稠化時(shí)間和抗壓強(qiáng)度滿足固井要求，且水泥石的力學(xué)性能優(yōu)異，具有較好的彈韌性。