耐沖蝕水泥漿體系應用的實驗研究

鄭琦銘

（大慶鉆探工程公司鉆技一公司，黑龍江大慶163000）

1 概述

油田開發進入中后期，開發方向逐步轉向薄差層，井間距離不斷縮小，地下環境變得錯綜復雜，封固質量難以保證。井網不斷加密，長期注水、聚合物注采失衡、嚴重破壞地層原始壓力，各層位之間竄通嚴重，層間和層內壓力差異明顯。井網密集造成井間干擾，極大影響固井封固質量，尤其是在低壓高滲層保證固井質量更為困難[1-2]。地層流體高度活躍，候凝期間的水泥漿不斷受到沖蝕，導致漿體性能惡化嚴重，針對此問題進行了耐沖蝕理論分析研究，從而提高候凝期間水泥的耐沖蝕能力。

2 耐沖蝕水泥漿總體設計

調整井固井后，地層水不間斷地侵入、沖蝕水泥漿，造成水泥漿被稀釋，導致水灰比增大，影響水泥石強度發展。大量地層水侵入引發水泥環體積產生收縮、強度增長緩慢、水泥漿性能惡化，封固質量無法滿足要求。因此實驗應用過程中，著重從提高耐沖蝕和防滲抗竄能力入手，主要考慮了：

（1）耐沖蝕水泥漿能夠形成相應的膠結層，該膠結層具有阻止地層流體侵入、沖蝕的能力。隨著水泥漿體網狀結構的迅速生成，進一步規避了流體的侵入幾率。

（2）耐沖蝕水泥漿中要具有相當數量經過顆粒級配的微細材料，利用顆粒級配作用形成不滲透膜，降低流體侵入幾率。

（3）耐沖蝕水泥漿要避免微環隙、微裂縫的出現，使水泥石結構更加致密。同時水泥石要能夠產生合理的膨脹，避免出現微間隙，增強水泥漿的抗沖蝕能力。

3 耐沖蝕水泥漿組分研究

統籌考慮如何提高調整井固井質量，以及水泥漿耐沖蝕設計要求，實驗優化的耐沖蝕水泥漿不但要擁有優良的流變性、較低的失水；同時要具有較高的頂替效率、較強的耐沖蝕性、水泥石能夠產生合理的微膨脹。研究主要從解決常規水泥漿頂替效率低、防滲抗竄以及耐地層水沖蝕能力差、稠化過渡時間長、體積收縮等缺點著手，建立耐沖蝕水泥漿設計模型。通過耐沖蝕理論研究，顆粒級配原理分析，實驗優化出耐沖蝕水泥。

3.1 膠聯劑的選擇

某些聚合物在水泥漿中能夠形成相應的膠結層，該膠結層具有阻止地層流體侵入、沖蝕的能力。隨著水泥漿體網狀結構的迅速生成，進一步規避了流體的侵入幾率。

在實驗室內，評價篩選出了新型生物基聚合物，具有長鏈結構，官能團活性強，能夠強烈吸附水泥顆粒。該聚合物分子量適宜，溶解性好，形成的網狀體充斥在水泥漿中與環空界面及水泥顆粒具有良好的粘接性和親和性。再加上水泥顆粒以及超細材料的充填堵塞，使水泥漿體形成具有較高膠凝強度的致密結構，顯著提高候凝期間抵抗流體沖蝕侵入、抑制流體在水泥漿中運移能力。

3.2 增強材料的選擇

膠聯劑通過膠聯反應吸附水泥顆粒所形成的膠聯體存在一定的缺陷。例如：結構不夠致密，存在一些獨立或聯通的孔隙[3]。對此，可以通過加入具有水化活性的超細增強材料，利用顆粒級配和緊密堆積進行充填，與膠聯劑共同發揮作用，產生低滲透性的膠聯結構。

在耐沖蝕理論研究、顆粒級配原理分析基礎上，選擇出一種耐沖蝕添加材料。該材料由多種具有不同顆粒級配和最佳比率、水化活性高的超細礦物材料組成。主要成分為活性SiO2，粒徑分布0.1~30μm，參與水化反應生成凝膠填充在水泥水化產物之間。當微硅、硅砂加量足夠時,組成水泥石物相的Ca(OH)2將會很少,甚至沒有,大量C-S-H凝膠的產生，水泥耐沖蝕性提高。在足夠量微細硅質材料存在下，C3S水化生成的結構具有類似C-S-H(Ⅱ)的網狀結構，結構變得更為致密。

3.3 早強劑的選擇

提高強度的發展速率，對耐沖蝕水泥具有積極意義，室內優選出了相匹配的早強劑，耐沖蝕水泥的水化速度顯著增加。該早強劑由多種有機和無機材料復配形成，能夠和水泥組分快速生成鈣釩石，提高水泥早期硬化速率。早強劑可以在水泥漿硬化過程中產生體積微膨脹，并降低水泥石孔隙率。在增強材料的共同作用下，發揮早強、密實、微膨功能，顯著提高耐沖蝕水泥的早期強度。

3.4 降失水劑的選擇

針對油田地層特點，優選出了與耐沖蝕水泥漿體系匹配的降失水劑。該降失水劑增大了水泥顆粒之間的聚結阻力，體系更趨向于分散，漿體更加密實，增大了濾餅致密程度，有效地降低了失水量。

在不同顆粒級配增強材料的協同作用下，形成的濾餅中，粒徑小的顆粒充填在大顆粒形成的通道中，進一步提高了濾餅的致密性，產生失水更加困難。

4 耐沖蝕水泥漿體系性能評價

調整井薄差層開發要求水泥漿要具有較強的耐沖蝕性，使用實驗優選出的配套外加劑，對耐沖蝕水泥漿性能進行了實驗評價。

4.1 耐沖蝕水泥漿界面耐沖蝕能力

配制耐沖蝕水泥漿與常規水泥漿進行耐沖蝕性能對比評價，將兩種水泥漿倒入準備好的模具，分別稱量其重量并放置30min。在相同條件下對兩種水泥漿進行沖蝕后，重新稱重，通過測量這兩種水泥漿損失質量的大小對比其抗沖蝕能力的強弱。實驗結果：耐沖蝕水泥漿重量減小1.63%，G級水泥漿重量減小6.54%，表明耐沖蝕水泥漿具有阻止地層流體侵入、沖蝕的能力。

4.2 耐沖蝕水泥漿界面膠結強度

在相同實驗條件下，測試耐沖蝕水泥漿的界面膠結強度，并與常規水泥漿進行對比。實驗結果表明：耐沖蝕水泥漿的界面膠結強度相較于常規水泥漿有明顯的提高，期齡2d界面強度提高了52%，期齡15d界面強度提高達64%。

4.3 耐沖蝕水泥漿防滲抗竄性能

為了檢驗耐沖蝕水泥漿的防滲抗竄性能，分別測試了耐沖蝕水泥漿的失水量和稠化過渡時間，以及養護2d、15d水泥石的滲透率，并與常規水泥漿進行對比。實驗結果如表1、表2所示，耐沖蝕水泥漿防滲抗竄性能優良。

表1 防竄性能實驗數據

表2 滲透率實驗數據

5 現場應用及效果

耐沖蝕水泥漿通過30多口井現場使用，固井質量全部達到優質，固井檢測結果明顯改善。

6 結論

（1）通過耐沖蝕理論研究、顆粒級配原理分析，實驗優化出耐沖蝕水泥，并進行了成功應用。

（2）開發的耐沖蝕水泥漿流變性能好，具有較強的防止水、氣竄流和耐沖蝕能力，能顯著提高水泥環的膠結質量。

（3）耐沖蝕水泥漿通過30多口井現場使用，固井質量全部達到優質，固井檢測結果明顯改善。