柴油搬土水泥漿性能室內研究

宋亞楠，馬春旭，李 斌，朱劍鋒，房恩樓，許前富

(中海油田服務股份有限公司， 河北 三河 065201)

井漏是油氣井開發過程中常見的井下復雜情況之一，井漏不僅會耗費鉆井時間，漏失鉆井液、水泥漿，而且還可能引起卡鉆、井噴、井塌、固井質量差等問題,甚至導致井眼報廢事故,造成重大經濟損失。鉆井過程中發生漏失的井或下套管過程中有漏失的井，固井質量都難以保證，因而堵漏防漏成為鉆井過程中必需采取的措施[1-3]。近幾年遼東及周邊地區鉆井作業發生多次裂縫性、斷層漏失和薄弱砂巖層漏失等復雜情況，部分漏失嚴重的井，采取多種堵漏措施，效果不能保證，嚴重影響鉆井作業效率和井筒質量安全。

目前，國內外對堵漏技術的研究主要采用在鉆井流體中添加各種堵漏材料進行堵漏[4-6]，但當鉆遇天然發育較大裂縫、溶洞惡性井漏等惡劣情況時，一般的堵漏材料粒徑小，難以在漏失通道中堆積、架橋，從而導致堵漏失敗。在固井過程中，當井筒中流體由鉆井液轉化為水泥漿，由于水泥漿密度和固相含量都比泥漿高，因此水泥漿循環當量密度升高，對于壓力窗口窄的地層，鉆井液堵漏后重新漏失的可能性；并且有的橋接材料與水泥漿的相容性不好，影響水泥漿的泵注或固化后性能，限制了很多堵漏材料的使用[7-8]。處理嚴重漏失，尤其是大溶洞、大裂縫引起的失返性漏失，一般采用水泥漿進行堵漏[9-10]，柴油搬土水泥漿是一種由柴油、搬土、水泥組成的懸浮液體系，可以在遇水的情況下，迅速與水發生反應，生成具有一定結構的物質，達到堵漏的目的，可以有效封堵大漏失現象，其中水泥與水的進一步反應，可以達到永久性封固的效果，具有良好的應用潛力。本課題成功構建了一種適用于快速堵漏的柴油搬土水泥漿體系，并對其機理和最優條件進行室內測試，實驗表明，該套堵漏水泥漿體系綜合性能完全滿足井底長效封堵的要求。

1 實 驗

1.1 實驗原料

油井“G”級水泥，由山東中昌水泥廠提供；搬土、3號柴油、表面活性劑等，由天津中海油服化學有限公司提供。

1.2 實驗儀器

OWC-9360型水泥漿恒速攪拌器、加壓密度計、OWC-9350型常壓稠化儀、 OWC-118型常壓養護箱，沈航應研所；壓力試驗機，沈陽金歐科。

1.3 實驗方法

漿體配制及常規性能如強度等測試，按照API 10B-2“Recommended Practice for Testing Well Cements”的規定進行配制與測試。

柴油搬土水泥漿是由油井水泥、柴油、搬土以及少量的表面活性劑組成，表面活性劑的加入，可以改善油井水泥、搬土在柴油中的分散效果，提高油井水泥、搬土等的濃度，有效降低吸油率，提高遇水后的堵漏能力。

表1 柴油搬土水泥漿配方

配制方法：將定量表面活性劑加入到柴油中，攪拌均勻后，加入油井水泥及搬土混合材料，使用瓦楞攪拌機4000 r/min攪拌20 s后，高速攪拌40 s。

析油率的測試：攪拌完成后，將柴油搬土水泥漿倒入100 mL量筒，靜止2 h后，稱取上層析出柴油的量，與100 mL漿體中柴油總量之比，即為析油率。

強度的測定：配制好漿體后，稱取400 g柴油搬土水泥漿，按設計比例分別加入一定量的水，攪拌均勻后，清除析出表面析出油漬，攪拌均勻后裝入模塊，在一定溫度下進行養護，養護結束后，測定水泥石強度。

2 堵漏機理

柴油膨潤土水泥漿本身不具有硬化性能，需與水接觸后，才能起到結塊、堵漏的作用。由于水泥、膨潤土屬于親水性物質，因此，在柴油膨潤土水泥漿與水基泥漿接觸后，水能夠將油漿中的水泥、膨潤土等物質從柴油中迅速置換出來，由于置換初期，水灰比相對很小，因此會迅速反應；而其中形成的固體顆粒，是膨潤土遇水后，迅速吸水形成的表面含水的膨潤土富集表現。隨著水量的增加，水灰比提高，混合漿體又再次出現了變稀的現象。

通過精心優選表面活性劑，利用膨潤土的溶脹特性，對膨潤土和水泥進行合理配比，使水泥干灰的固相絕對體積達到最大，油漿中水灰比含量降至最低，實現最高強度。它是由柴油，膨潤土，水泥及與之配套的表面活性劑組成的柴油膨潤土水泥漿體系。該體系具有析油量低，與泥漿混配后迅速形成固體顆粒，強度高等特點。

由于搬土與水泥都是親水性物質，本身在柴油中潤濕性不好，加入少量表面活性劑可以有效改善搬土與水泥漿的親油效果，提高搬土與水泥在柴油中的分散濃度。同時，由于表面活性劑的加入，可以有效降低柴油的析油率，提高柴油搬土水泥漿的穩定性。

3 結果與討論

3.1 流動度測定

井筒中流體的流動度的提高，可以有效降低摩阻，進而進一步減少井底漏失。在柴油搬土水泥漿配制過程中，搬土、水泥自身顆粒較細，并且親油性不強，易在漿體中發生團聚，進而增稠現象，因此固含量收到一定的限制。為了提高漿體中的固含量，可以通過添加表面活性劑的方式，改善顆粒材料在流體中的分散度，并且提高顆粒間的斥力，改善漿體流動性。本研究選取有機醇酯類表面活性劑S-1，作為體系的分散劑使用，并對漿體的流動性能進行測試。實驗中，分別進行了未加入表面活性劑、加入不同加量表面活性劑S-1情況下的流動度測定，如表2所示。

表2 流動度數據

由表2可以看出，在不加入表面活性劑之前，水泥與搬土的加量分別為80%時，流動度僅為14，無法很好的流動，也就是說，在不加入表面活性劑的情況下，水泥與搬土的加量80%情況下，已經無法進一步提高；隨著表面活性劑的加入，固體含量可以顯著提高，S-1加量達到0.4%時，水泥加量可以提高至120%，流動度可達23 cm，具有良好的流動性。因此表面活性劑的加入，顯著改善了漿體的流動度，使得漿體可以實現在井筒中良好的泵注與頂替。

3.2 析油率

析油率是表示油基搬土水泥漿的穩定程度的指數，可以表現為一定體積的漿體在靜止狀態下的油析出數量。降低析油率，可以通過固含量的提高或者添加表面活性劑兩種方法來解決，但是固含量的提高至一定程度后，流動度下降，有一定的加量限制，因此無法完全滿足降低析油率的要求。因此我們通過添加適量表面活性劑，提高搬土與水泥在柴油中的分散效果，使他們可以穩定的存在于漿體中，進而降低析油率。

分別在不同表面活性劑加量的情況下，進行了析油率的測定，結果如圖1所示。

圖1 析油率數據

由結果可以看出，隨著表面活性劑S-1的加入，漿體的析油率降低，當加量為0.4%時，可以使析油率達到2%左右，可以保證漿體的穩定存在；并且隨著表面活性劑的加入，析油率降低有限，因此認為表面活性劑S-1的最優加量為0.4%。

3.3 強度性能

根據形成永久性堵漏機理的過程，認為起作用的主要是水泥與水起反應，從而形成強度。以(水:水泥)質量比作為參照，對水與油漿(柴油膨潤土水泥漿)的配比進行了理論計算：

(1)按照水:油漿=5:95，油漿中水泥含量為95×8÷26=29.23，從而水:水泥=5÷29.23=0.17；在此比例下，部分水泥被水從柴油中置換出來，形成了部分塊狀物，但由于油還是主要溶劑，因此漿體仍具有流動性；

(2)按照水:油漿=10:90，油漿中水泥含量為90×8÷26=27.69，從而水:水泥=10÷27.69=0.36；在此比例下，更多的水泥被水從柴油中置換出來，形成了更多塊狀物，油仍為主要溶劑，因此漿體仍具有流動性；

(3)按照水:油漿=15:85，油漿中水泥含量為85×8÷26=26.15，從而水:水泥=15÷26.15=0.57；在此比例下，更多的水泥被水從柴油中置換出來，形成了更多塊狀物，油應仍為主要溶劑，因此漿體仍具有流動性；

(4)按照水:油漿=20:80，油漿中水泥含量為80×8÷26=24.62，從而水:水泥=20÷24.62=0.81；在此比例下，更多的水泥能夠全部被水從柴油中置換出來，形成了更多塊狀物，油已經不再是主要的溶劑，流動性顯著下降；

(5)按照水:油漿=30:70，油漿中水泥含量為70×8÷26=21.54，從而水:水泥=30÷21.54=1.39；在此比例下，水泥幾乎全部被水從柴油中置換出來，形成了多數塊狀物，接近或稱為轉換點，漿體流動性喪失；

(6)按照水:油漿=40:60，油漿中水泥含量為60×8÷26=18.46，從而水:水泥=40÷18.46=2.17；在此比例下，水將逐步稱為主要溶劑，隨著水的加入，水量增大，稱為主要稀釋物，漿體將逐步變稀；

(7)按照水:油漿=50:50，油漿中水泥含量為50×8÷26=15.38，從而水:水泥=50÷15.38=3.25；漿體進一步變稀。

眾所周知，水:水泥=0.44是我們的G級水泥理想的水化比例，隨著油漿中混入水量的增大，必然出現先變稠后變稀的現象；上述的理論計算，只是基于水：水泥的比例進行，未考慮膨潤土的水化需水量，這也是為什么最稠的階段沒有出現在水:水泥=0.44附近的原因。

但是，經過上述這種推算，水與水泥比例越小，后期形成的強度才能越高，也就是說，隨著水量的增大，強度應出現先升高(初期無強度)后減小(水量太大，強度很小，甚至沒有)的現象，因此，根據不同比例做強度曲線，應出現一個強度峰值。

圖2 不同水與油漿摻和后效果圖

圖3 水加量與強度的關系

通過實驗可以看出，隨著水量的增大，形成的結構，先隨水量增大而增強；后隨水量進一步增大，而又降低。在30:70節點，顯示出較好的效果。與理論計算的0.87的點，并不能完全吻合，有可能是由于搬土的存在，使得大量旳水被搬土消耗所致。不過由強度數據也可以看出，確實存在峰值，使得油漿與水在某比例達到最高強度值，與理論設想一致。

3.4 堵漏能力評價

柴油搬土水泥漿的堵漏能力，主要來自遇水后，水泥迅速從柴油中析出，與水快速反應，生成具有一定膠凝強度的結構，流動阻力上升或喪失，進而在漏失層位形成堆積，起到快速堵漏的效果；并隨著時間延長，水泥反應程度加深，形成水泥石強度，從而更大限度的提高長效封固能力。

本實驗通過裂縫型堵漏測試儀，進行了水與油漿在不同比例條件下的堵漏能力評價，測試溫度50 ℃。結果如表3所示。

表3 堵漏試驗結果

由實驗結果可知，水:油漿比例為30:70具有最好的堵漏效果，可以進行1.5 mm以內裂縫的封堵，而其他比例條件下，要么沒有堵漏能力，要么堵漏能力較低，應該是水量過多和過少，都不能使混合漿體的水泥最大程度的形成結構，從而不能有效封堵裂縫；但是可以看出，當裂縫較大時(如裂縫≥2 mm時)，即使最優比例的混合漿體，也不能有效封堵，主要是形成的結構力較弱，不阻力在大裂縫處有效堆積；而當裂縫達到2 mm時，通過先侯凝一段時間后，再進行堵漏能力測試，可以達到理想的堵漏效果，這主要是水泥水化作用，導致結構力上升所致，認為這是可以實現高效、長效封堵的有效手段。

4 結 論

通過上述對柴油搬土水泥漿的性能測試，認為：

(1)柴油搬土水泥漿具有遇水迅速形成結構的特性，能夠對較大裂縫起到有效的封堵作用，從而防止境內流體進一步漏入地層；

(2)表面活性劑的加入，可以改善油漿的流動狀態，提高柴油搬土水泥漿中水泥的含量，并有效降低摩擦阻力，減少泵注過程中的漏失風險；另外，表面活性劑的加入，還可以降低漿體析油率，提高油漿穩定性；

(3)柴油搬土水泥漿是一種永久性堵漏材料，漿體中的水泥遇水后可以發生反應，形成具有一定強度的水泥石，對漏層形成永久性封堵，從而解決漏失性難題。