不同固井水泥漿體系防氣竄能力研究

于培剛 侯海歐

（中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)事業(yè)部，天津 300459）

0 引言

油氣井固井施工結(jié)束后，由于環(huán)空靜液柱壓力與地層間的壓力平衡會(huì)隨著水泥漿的水化過程產(chǎn)生變化，導(dǎo)致地層中的流體進(jìn)入環(huán)空，這種現(xiàn)象稱為流體竄流。固井作業(yè)結(jié)束后如何防止流體竄流一直是固井作業(yè)的一大難題，特別是針對(duì)高溫高壓井一直是較難解決的技術(shù)問題。如果不能有效抑制流體的氣竄，后期會(huì)影響水泥環(huán)的界面膠結(jié)強(qiáng)度，影響油氣開采，甚至可能形成井口帶壓，引發(fā)井噴事故。

固井施工的防氣竄工作除了需要對(duì)現(xiàn)場固井作業(yè)的工藝進(jìn)行改進(jìn)，如何提升水泥漿的防竄性也是重要一環(huán)。目前，對(duì)于國內(nèi)常用的水泥漿體系，如何能達(dá)到較好的防氣竄效果，還沒有相應(yīng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及評(píng)價(jià)方法。國內(nèi)外大多數(shù)油田在固井水泥漿體系中摻入膠乳或者樹脂，以提升水泥漿的整體防氣竄效果，但是達(dá)到最佳效果的摻量大小及防氣竄效果的好壞，至今沒有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，而目前國內(nèi)有一些防氣竄評(píng)價(jià)設(shè)備，也沒有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)其質(zhì)量的優(yōu)劣。本研究利用水泥水化分析儀對(duì)常規(guī)低密度水泥漿體系、純水泥體系、膠乳水泥漿體系進(jìn)行防氣竄性能評(píng)價(jià)，建立分析水泥漿防氣竄評(píng)價(jià)的流程。建立評(píng)價(jià)流程后，通過調(diào)整水泥漿體系的各材料配比，最終得出適合現(xiàn)場使用的防氣竄水泥漿配方［1-3］。

1 氣竄機(jī)理及試驗(yàn)設(shè)備

1.1 氣竄的理論研究

油氣井固井過程及侯凝發(fā)生環(huán)空氣竄主要有兩個(gè)原因，一是固井作業(yè)頂替效率不高，導(dǎo)致環(huán)空中的巖屑等不能有效清洗干凈，固井作業(yè)結(jié)束后，水泥環(huán)不能有效封固一二界面，最終產(chǎn)生氣竄通道；二是由于水泥漿在凝固過程中會(huì)消耗一部分水分，水泥漿凝固后在水泥顆粒之間會(huì)有游離水通道，特別對(duì)于易漏失的井常采用低密度水泥漿進(jìn)行全封，而低密度水泥漿體系由于高水灰比等原因，導(dǎo)致游離水通道較大，氣竄風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)相應(yīng)增加［4-5］。故室內(nèi)監(jiān)測并評(píng)價(jià)固井水泥漿水化過程中壓力的動(dòng)態(tài)變化對(duì)于指導(dǎo)現(xiàn)場生產(chǎn)是很有必要的。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

為了解常見水泥漿體系在水化過程中壓力的變化，本研究采用水泥水化分析儀作為水泥漿評(píng)價(jià)裝置，水泥水化分析儀結(jié)構(gòu)如圖1 所示。該儀器用于評(píng)價(jià)不同配方油井水泥漿防氣竄潛力和水化過程壓力的變化情況。將水泥漿樣品放置在圓筒型樣品筒內(nèi)，放入烘箱，對(duì)樣品筒底部隔膜施加壓力，模擬水泥漿承受的水圍壓。通過烘箱加熱樣品到試驗(yàn)溫度，在水泥水化程度達(dá)到試驗(yàn)設(shè)定條件時(shí)，從水泥漿底部注射氮?dú)猓煌ㄟ^測量水泥柱頂部的水泥孔隙壓力變化及氮?dú)庾⑷肓魉俚淖兓袛嗍欠裼械獨(dú)庾⑸鋲合蛏蟼魉突蛘吒Z通整個(gè)水泥柱到達(dá)水泥柱對(duì)面（頂部），從而判斷水泥漿是否發(fā)生氣竄。若發(fā)生氣竄，將導(dǎo)致水泥頂部孔隙壓力升高，氮?dú)饬魉俪掷m(xù)增大。若沒有發(fā)生氣竄，水泥在水化過程中孔隙壓力將持續(xù)下降，并有可能持續(xù)降低到真空，氮?dú)饬魉俪掷m(xù)較低。通過測量水泥水化曲線以及孔隙壓力∕氮?dú)饬魉贈(zèng)Q定試驗(yàn)注氣的結(jié)束時(shí)間，進(jìn)而判斷體系是否發(fā)生氣竄。由于目前并沒有相關(guān)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，因此試驗(yàn)采用3種不同的測試方案，分別是150 Psi∕200 Psi、200 Psi∕250 Psi、250 Psi∕300 Psi等3套壓力系統(tǒng)。通過檢測常用的不同配方水泥漿體系的防氣竄能力，同時(shí)摻入合適的防氣竄外加劑，使水泥漿體系達(dá)到最佳的防竄效果。

圖1 水泥水化分析儀結(jié)構(gòu)

水泥水化分析儀的原理是通過水圍壓實(shí)現(xiàn)對(duì)水泥樣品增壓，隨著水泥的固化收縮，當(dāng)水泥孔隙壓力下降到特定數(shù)值（電腦程序設(shè)定），關(guān)閉釜體（關(guān)閉水圍壓閥），停止隔膜∕活塞桿對(duì)樣品繼續(xù)加壓，打開氮?dú)庾⑸溟y，水泥固化收縮，氣體進(jìn)入釜體并填滿收縮產(chǎn)生的空隙，進(jìn)入釜體的氣體總量可用于估算水泥石總的收縮率。水泥石收縮部分用隔膜∕活塞桿位移來補(bǔ)償，即當(dāng)孔隙壓力降低到比設(shè)定壓力還低時(shí)才使氣體注入水泥。這種試驗(yàn)程序要求氮?dú)庾⑷雺旱陀谒畤鷫海ū热缬脷怏w注入壓250 Psi 對(duì)應(yīng)300 Psi 水圍壓），先將樣品用水圍壓加壓，然后將氣體注入壓力設(shè)置為一個(gè)低的壓力。當(dāng)水泥溫度達(dá)到試驗(yàn)溫度時(shí)，且當(dāng)水泥孔隙壓力等于先前設(shè)定的氣體注入壓力時(shí)，關(guān)閉水圍壓閥，打開氮?dú)庾⑷腴y，允許氣體在余下試驗(yàn)時(shí)間段始終注入釜體，儀器的控制軟件可設(shè)置為當(dāng)水泥孔隙壓力達(dá)到操作人員輸入的最小孔隙壓力時(shí)，自動(dòng)打開∕關(guān)閉這些閥。當(dāng)監(jiān)測到水泥溫度降低并且接近爐溫時(shí)，說明水泥水化已完成，停止試驗(yàn)。試驗(yàn)得出，氣體注入以后，若孔隙壓力增加（特別是等于氣體注入壓力），說明發(fā)生氣竄；相反，若水泥孔隙壓力降低（特別是大約等于0 Psi），說明無氣竄發(fā)生。

2 水泥漿體系防竄性能研究

2.1 常規(guī)低密度水泥漿體系

低密度水泥漿是目前國內(nèi)油田使用較多的體系。室內(nèi)評(píng)價(jià)采用的試驗(yàn)配方為：淡水+100%水泥+46.1%低密度混材+10.26%降失水劑PC-G81L+0.51%增韌劑PC-GS12S+1.03%增強(qiáng)劑PC-GS13L+0.26% 緩凝劑PC-H21L+1.28%消泡劑PC-X60L，水泥稠化時(shí)間為194 min，使用150 Psi∕200 Psi 壓力組合評(píng)價(jià)，未加防竄材料低密度水泥漿氣竄曲線如圖2 所示。由圖2 可知，常規(guī)低密水泥漿體系使用150 Psi∕200 Psi 壓力組合評(píng)價(jià)，在水泥漿水化過程中，失重發(fā)生了氣竄，450 min 是氣竄的拐點(diǎn)，之后緩慢變?yōu)橥耆珰飧Z。

圖2 未加防竄材料低密度水泥漿氣竄曲線

為了提升常規(guī)低密度水泥漿的防氣竄性能，在常規(guī)低密度水泥漿配方的基礎(chǔ)上摻入高分子防氣竄材料。實(shí)驗(yàn)室對(duì)其防氣竄性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，具體試驗(yàn)配方：淡水+100%水泥+46.1%低密度混材+10.26% 降失水劑PC-G81L+0.51% 增韌劑PCGS12S+1.03%增強(qiáng)劑PC-GS13L+0.26%緩凝劑PCH21L+1.28%消泡劑PC-X60L+高分子防氣竄材料，水泥漿稠化時(shí)間為184 min，采用150 Psi∕200 Psi 試驗(yàn)方案，得到加入高分子防竄材料低密度水泥漿氣竄曲線，如圖3所示。由圖3可知，加入高分子防竄材料后低密度水泥漿的氣竄效果得到了明顯的改善，560 min 出現(xiàn)細(xì)微氣竄，但隨著時(shí)間的推移，水泥漿最終還是發(fā)生了氣竄。其主要原因是低密水泥漿體系具有高水灰比，水泥漿凝固后水泥石顆粒之間會(huì)存在一定的細(xì)小孔道，雖然該體系中摻入了大量的防氣竄材料，但隨著時(shí)間的推移還是發(fā)生了氣竄，后期應(yīng)繼續(xù)研究更好的防氣竄材料。

圖3 加入高分子防竄材料的低密度水泥漿氣竄曲線

2.2 AMPS水泥漿體系

AMPS 水泥漿體系是行業(yè)內(nèi)常用的水泥漿體系，該體系具有配方簡單、現(xiàn)場易操作、使用范圍廣等特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)室對(duì)其防氣竄能力進(jìn)行了評(píng)價(jià)，試驗(yàn)配方：淡水+100%水泥+5.63%降失水劑PC-G81L+1%增韌劑PC-GS12S+0.25%增強(qiáng)劑PC-GS13L +0.31%緩凝劑PC-H21L+1%消泡劑PC-X60L，水泥稠化時(shí)間為177 min，通過采用150 Psi∕200 Psi 壓力組合進(jìn)行防竄性能評(píng)價(jià)，顯示效果良好。但是當(dāng)壓力組合調(diào)整為200 Psi∕250 Psi時(shí)，體系發(fā)生氣竄，重復(fù)多次依然發(fā)生了氣竄，AMPS 水泥漿體系氣竄曲線如圖4所示。

圖4 AMPS水泥漿體系氣竄曲線

采用150 Psi∕200 Psi試驗(yàn)方案，水泥漿沒有發(fā)生氣竄，但是采用200 Psi∕250 Psi 試驗(yàn)方案卻發(fā)生了氣竄，說明AMPS 水泥漿體系具有一定的防竄能力，但防竄能力有限，應(yīng)摻入一定的外加劑來改善水泥漿的防竄性能。

2.3 膠乳水泥漿體系

目前，行業(yè)內(nèi)多采用膠乳來改善水泥漿的防竄性能［6］，通過室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)膠乳水泥漿的防竄性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，試驗(yàn)配方：淡水+100%水泥+3%早強(qiáng)劑PC-B20S+3.5%降失水劑PC-G81L+5%膠乳PCGR1+1%膠乳穩(wěn)定劑PC-J20L+0.25%增韌劑PCGS12S+0.25%增強(qiáng)劑PC-GS13L+0.63%分散劑PCF44L+0.13% 緩凝劑PC-H21L+1.5% 消泡劑PCX60L，水泥的稠化時(shí)間為150 min，采用200 Psi∕250 Psi 壓力組合進(jìn)行防氣竄評(píng)價(jià)。膠乳水泥漿200 Psi∕250 Psi壓力組合氣竄曲線如圖5所示，膠乳水泥漿250 Psi∕300 Psi壓力氣竄曲線如圖6所示。

圖5 膠乳水泥漿200 Psi∕250 Psi壓力組合氣竄曲線

圖6 膠乳水泥漿250 Psi∕300 Psi壓力組合氣竄曲線

由圖5、圖6 可知，膠乳水泥漿體系在200 Psi∕250 Psi試驗(yàn)壓力組合下能起到較好的防氣竄效果，因此將壓力組合提升至250 Psi∕300 Psi，在6 h 左右時(shí)，水泥漿體系緩慢發(fā)生氣竄，16 h 后氣竄現(xiàn)象基本穩(wěn)定，但此時(shí)并沒有完全氣竄。為了達(dá)到較好的防竄效果，將膠乳的摻加量提高至8%，在250 Psi∕300 Psi試驗(yàn)壓力組合下，膠乳水泥漿體系能起到較好的防氣竄效果，如果開展評(píng)價(jià)的壓力組合再加大數(shù)值，均會(huì)發(fā)生氣竄。

3 結(jié)語

經(jīng)研究可知，從氣竄的機(jī)理出發(fā)，降低水灰比，提高固相含量，摻入水化快的早強(qiáng)材料，加大膠乳或樹脂加量，充填竄通通道，均能夠提升水泥漿的防竄性能。

目前，行業(yè)內(nèi)還沒有針對(duì)防竄評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)，本研究通過水泥水化分析儀對(duì)常規(guī)低密水泥漿體系、AMPS 純水泥體系、膠乳水泥漿體系防氣竄性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，分析三種水泥漿體系評(píng)價(jià)的壓力組合。雖然水泥水化分析儀能評(píng)價(jià)各體系防竄效果，但不能有效模擬現(xiàn)場的實(shí)際情況，也只能在低壓下（如250 Psi∕300 Psi）模擬氣竄效果。

水泥漿在水化過程中，會(huì)有一定的收縮，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)“氣竄”大部分是從試驗(yàn)漿杯壁竄上去的，因此氣竄極有可能是水泥石收縮引起的，故膨脹劑在水泥漿中的使用也尤為重要。目前，膨脹劑大部分都是MgO，而其煅燒工藝非常重要。如果其穩(wěn)定性差，遇水易生成Mg(OH)2，失去膨脹作用，進(jìn)而使其過于穩(wěn)定，在水泥水化期間不再發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，而此時(shí)是最容易氣竄的時(shí)候，因此反應(yīng)時(shí)間的控制至關(guān)重要，還需要進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行研究。此外，彈性材料在高壓下處于物理壓縮狀態(tài)，而水泥水化收縮時(shí)，彈性顆粒釋放壓力，進(jìn)而發(fā)生微膨脹，可以達(dá)到防氣竄的目的。