秦國川，許明標(biāo)，宋建建，王學(xué)力，張 帥，周 俊

（長江大學(xué) 石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100）

一種預(yù)防氣竄的固井前置凝膠體系

秦國川，許明標(biāo)，宋建建，王學(xué)力，張 帥，周 俊

（長江大學(xué) 石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100）

本實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑谟诳朔F(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種用于固井過程中的防氣竄前置凝膠體系，該體系具有以下特點(diǎn)：（1）與水泥漿具有良好的配伍性，與水泥漿任意比例混合不會污染水泥漿，具有較高的施工安全性；（2）該凝膠流變性良好、性能穩(wěn)定，具有現(xiàn)場施工安全方便的特點(diǎn)；（3）該凝膠固化后具有很高的彈性，受力14kN時(shí)，壓縮1cm后仍可恢復(fù)；（4）封隔性能良好，在承受13MPa壓力時(shí)，未漏壓。

預(yù)防；氣竄；固井；前置凝膠體系

水泥環(huán)的層間封隔失效以及水泥環(huán)破壞會給天然氣井安全長期高效的開發(fā)帶來了很大影響。環(huán)空帶壓問題會減少天然氣井的開發(fā)周期，需要昂貴的補(bǔ)救成本，并需要較長的補(bǔ)救時(shí)間，影響了天然氣井的產(chǎn)量，且成功率低。因此，筆者設(shè)計(jì)了一種綜合性能好的特別是穩(wěn)定性好，具有高強(qiáng)度、高彈性的凝膠段塞也不失為一種預(yù)防天然氣井環(huán)空帶壓降低成本的有效措施。對于天然氣井環(huán)空帶壓，應(yīng)以預(yù)防為主、治理為輔[1]。

1 設(shè)計(jì)思路

固井作業(yè)后的環(huán)空帶壓、氣竄是所有氣井固井都要面對的一個(gè)工程技術(shù)難題，如果環(huán)空竄流沒有辦法得到控制，將會導(dǎo)致井噴，甚至可能導(dǎo)致整個(gè)油井的報(bào)廢，從而造成巨大的損失。因此，研制一種與水泥漿配伍性良好，與管柱及水泥環(huán)膠結(jié)質(zhì)量好，可壓縮可恢復(fù)的固井前置凝膠體系可以預(yù)防環(huán)空帶壓的相關(guān)問題。

在固井首尾漿之間，加入一段性能優(yōu)異的凝膠段塞，防止流體上竄，阻止環(huán)空帶壓形成。該凝膠段塞是具有封隔器功能的彈性體系，壓縮后可恢復(fù)。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 材料及儀器

（1）試驗(yàn)材料：自制SZ樹脂；固化劑212；鐵礦粉；oe-70；膨脹材料 SINA；阻聚劑 sDD；“JH”G 級水泥；增強(qiáng)劑STR；降濾失劑FLO-S；分散劑DISP-S；水泥緩凝劑H21L；膨脹劑bond；消泡劑 DESIL；增韌劑Latex（上述材料均來自荊州嘉華科技有限公司）。

（2）試驗(yàn)儀器：高速攪拌器；六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)；高溫高壓稠化儀；高溫高壓養(yǎng)護(hù)釜；萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)；密度計(jì)；固井壁面驗(yàn)竄儀。

2.2 試驗(yàn)方法

（1）SZ樹脂的制備 將一定量的 MT103、MT135、MT122和去離子水按比例加入到反應(yīng)釜中，80℃反應(yīng)4h，反應(yīng)完全后冷卻，然后向其中加入氫氧化鈉溶液，在85℃下進(jìn)一步反應(yīng)3h，冷卻后將所得的材料進(jìn)行沖洗，干燥后得固體顆粒，再加溶劑溶解即可得到SZ樹脂。

（2）凝膠體系及水泥配方 凝膠體系：100%SZ樹脂＋17%固化劑212＋9%阻聚劑sDD＋0.3%膨脹材料SINA＋106%鐵礦粉（密度為1.90g·cm-3）。

水泥：100%“JH”G級水泥＋46.25%淡水＋2.25%降濾失劑FLO-S＋0.5%分散劑DISP-S＋1.5%增強(qiáng)劑STR＋1.25%膨脹劑bond＋2%增韌劑Latex＋0.63%緩凝劑H21L＋0.5%消泡劑DESIL（密度為 1.90g·cm-3）[2]。

（3）試驗(yàn)步驟 將水泥與凝膠體系分別配置好后，然后按照9∶1～1∶9的比例充分混合，放入高溫高壓稠化儀中，在40MPa、80℃和45MPa、90℃條件下觀察現(xiàn)象。

將水泥與凝膠體系按比例充分混合后，依次作以下處理測定流變性能：置于常壓稠化中，80℃、90℃條件下養(yǎng)護(hù)20min，然后測定混合流體在Φ：600、300、200、100、6、3 時(shí)的流變性。這里應(yīng)注意的是：每次測流變性之前應(yīng)用高速攪拌器將鉆井液攪拌至少3min[3]。

3 結(jié)果與討論

由于該種凝膠體系直接與固井水泥漿接觸，所以研究一下與水泥漿的配伍性是很有必要的，其與水泥漿任意比例混合不會污染水泥漿，具有較高的施工安全性，不影響水泥漿的稠化時(shí)間、流變性能及強(qiáng)度。

3.1 凝膠體系對水泥漿稠化時(shí)間的影響

本次實(shí)驗(yàn)主要做了在80℃與90℃時(shí)，凝膠體系對水泥漿稠化時(shí)間的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1、2。

表1 凝膠體系對水泥漿稠化時(shí)間的影響（80℃）Tab.1 Effect of gel system on thickening time of cement paste（80℃）

表2 凝膠體系對水泥漿稠化時(shí)間的影響（90℃）Tab.2 Effect of gel system on thickening time of cement paste（90℃）

由表1、2可以看出，當(dāng)水泥漿比例占據(jù)較多組分時(shí)，稠化時(shí)間會延長，但并不影響最終的稠化，當(dāng)樹脂比例占多數(shù)時(shí)，稠化時(shí)間會相對減少，但有一點(diǎn)要知道，當(dāng)水泥漿稠度達(dá)到90Bc以上后，水泥會迅速固化，凝結(jié)成塊，但該凝膠體系在稠度達(dá)到90Bc以后，依舊可以流動。所以樹脂對水泥漿稠化時(shí)間的影響并不是很大，并不影響最終的施工效果。

3.2 凝膠體系對水泥漿流變性能的影響

國內(nèi)外鉆井界常用的流變模式有賓漢、冪律、赫-巴模式等，對具體液體進(jìn)行流變模式優(yōu)選，其方法可用F比值法，F(xiàn)值用六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)φ300、φ200、φ100轉(zhuǎn)的讀值計(jì)算，公式為：

當(dāng)F=0.5±0.03時(shí)選用賓漢流變模式，反之則應(yīng)選用冪律流變模式。

對于水泥漿的流變參數(shù)，通常采用直讀式旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測定不同轉(zhuǎn)速條件下的讀數(shù)，然后計(jì)算求取[4，5]。

表3 凝膠體系對水泥漿流變性能的影響（80℃）Tab.3 Effect of gel system on rheological properties of cement paste（80℃）

表4 凝膠體系對水泥漿流變性能的影響（90℃）Tab.4 Effect of gel system on rheological properties of cement paste（90℃）

由表3、4可以看出，在80與90℃溫度下，凝膠體系與水泥漿各種比例的混合后，其流線性能影響不大，流變模式未改變，均為賓漢模式流體，流變性能良好，不影響泵送。

3.3 凝膠體系的性能評價(jià)

3.3.1 凝膠彈性評價(jià) 將配置好的凝膠放入80℃，20MPa條件下的養(yǎng)護(hù)釜中，養(yǎng)護(hù)24h，然后取出后使用萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)測定其強(qiáng)度。結(jié)果為：在受力14kN下，凝膠模塊被壓縮約1cm，去除壓力后，模塊恢復(fù)原有狀態(tài)。由此可得該凝膠體系具有良好的抗壓強(qiáng)度和彈性。

3.3.2 凝膠體系封隔性能評價(jià) 實(shí)驗(yàn)室利用固井壁面驗(yàn)竄儀，對凝膠體系的封隔性能進(jìn)行了評價(jià)，具體評價(jià)結(jié)果見表5。

表5 凝膠體系封隔性能評價(jià)Tab.5 Evaluation of gel system blocking performance

由表5可知，該凝膠體系固化后，承壓能力可達(dá)到13MPa。因此，該種凝膠體系擁有良好的封隔性能，可以達(dá)到防氣竄的目的。

4 結(jié)論

（1）研究表明，本文所述的凝膠體系具有良好的抗壓強(qiáng)度及彈性，且與水泥漿配伍性良好，各種混合配比后，對水泥漿的稠化時(shí)間流變性能均未產(chǎn)生嚴(yán)重地影響。

（2）該凝膠體系性能優(yōu)異，具有良好的抗壓強(qiáng)度和彈性，良好的封隔性能。應(yīng)用于固井水泥漿的前置液中，為預(yù)防環(huán)空帶壓提供可靠的施工保證，從預(yù)防環(huán)空帶壓的角度，該凝膠體系在固井工程有廣闊的應(yīng)用前景。

［1］ 朱達(dá)江.氣井環(huán)空帶壓機(jī)理研究［D］.西南石油大學(xué)博士論文，2014：11-20.

［2］ 許明標(biāo)，宋建建，王曉亮，等.水平井全井段封固雙凝防漏水泥漿技術(shù)［J］.石油天然氣學(xué)報(bào)，2014，36（12）:131-136.

［3］ 步玉環(huán)，王瑞和，程榮超.油氣固井纖維水泥漿性能研究［J］.石油鉆采工藝，2005，34（3）:25-27．

［4］ 柳貢慧，宋健，陳勉.不同混配方式對水泥漿流變性能的影響［J］.石油鉆采工藝，2012，34（3）:36-39．

A cementing pre-gel system for the prevention of gas channeling

QIN Guo-chuan，XU Ming-biao，SONG Jian-jian，WANG Xue-li，ZHANG Shuai，ZHOU Jun
（University of Petroleum Engineering，Yangtze University，Wuhan 430100，China）

The purpose of the experiment is to overcome the shortcomings of the prior art and to provide a gas barrier pre-gel system for the cementing process，which has the following characteristics:（1） Good compatibility with the cement slurry（2）The gel system rheological is good，the performance is stable，with the characteristics of safe and convenient on-site construction；（3）the gel after curing has a high elasticity，force 14kN，the compression can be restored after 1cm；（4）Sealing performance is good，when the pressure to withstand 13MPa，the instrument shows no pressure.

prevention；gas channeling；cementing；pre-gel system

TE245

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20171244

2017-09-01

秦國川（1990-），男，長江大學(xué)在讀碩士研究生，研究方向：鉆完井液技術(shù)研究。

導(dǎo)師簡介：許明標(biāo)（1962-），男，教授，博士生導(dǎo)師，長江大學(xué)海洋油氣工程系主任，研究方向：鉆完井液與水泥漿技術(shù)研究。