劉景麗， 李立昌， 任 強(qiáng)， 楊豫杭， 張黎黎， 張玉鵬， 黃 建

(1渤海鉆探工程技術(shù)研究院 2華北油田公司采油工程研究院 3渤海鉆探第一固井分公司)

目前，油田在堵水調(diào)剖[1-4]、堵漏所用堵劑主要存在下列問題：①有機(jī)堵劑[5-10]的封堵漿體固結(jié)后的強(qiáng)度不佳，抗溫能力不夠，有效期短；而強(qiáng)度大、封堵效果好的堵劑成本高，不適合大劑量封堵施工；②無機(jī)堵劑[11-13]中的石灰乳成本低，是國(guó)內(nèi)最通用的技術(shù)，但石灰乳在水中易被水沖釋，反應(yīng)時(shí)間不易控制，顆粒大易沉降井底，對(duì)儲(chǔ)層傷害性較大；超細(xì)水泥存在波及體積小，施工安全不好保證的技術(shù)難點(diǎn)，不能有效地駐留在封堵層位，堵劑替至目的層后未凝固前就已漏失掉，造成堵漿注入量大，施工時(shí)間長(zhǎng)。在鉆井過程中經(jīng)常遇到地層中存在暗河、斷層放空等情況，造成嚴(yán)重漏失。解決這種漏失問題，常規(guī)鉆井液堵漏無效，水泥堵漏因易被稀釋，也會(huì)發(fā)生堵漏失敗。一旦堵漏失敗，一是造成鉆井復(fù)雜；二是有的暗河和當(dāng)?shù)厮聪嗤?，?huì)造成污染引起環(huán)保事故。因此有必要研發(fā)堵水堵漏專用凝膠水泥體系，該體系不易被水稀釋，可迅速凝固，封堵地層。

一、凝膠水泥體系配方組成

通過大量實(shí)驗(yàn)，對(duì)調(diào)節(jié)劑、調(diào)節(jié)助劑、分散劑等外加劑及其加量進(jìn)行優(yōu)選，研發(fā)出適用于中低溫井的凝膠水泥體系。凝膠水泥主要由G級(jí)油井水泥、減輕劑(粉煤灰、微珠、膨潤(rùn)土等)、調(diào)節(jié)劑(一種低分子量的聚合物)、調(diào)節(jié)助劑(一種高分子聚合物)、分散劑等成份組成。G級(jí)油井水泥，河北保定；粉煤灰，河北保定；微珠，河北石家莊；超細(xì)礦渣，河北保定；調(diào)節(jié)劑，山東；調(diào)節(jié)助劑，渤鉆工程院自制；分散劑ZF-1，河南衛(wèi)輝。

二、凝膠水泥作用機(jī)理分析

油井水泥水化的主要產(chǎn)物是水化硅酸鈣凝膠(CSH)、少量水化鋁酸鈣(CAH)、硫鋁酸鈣凝膠(AFm),水化產(chǎn)物化學(xué)鍵力弱極易被水沖釋。凝膠水泥配方中加入的調(diào)節(jié)劑為低分子量的聚合物，該聚合物分子鏈上含有大量的羥基，具有良好的增稠、懸浮、分散、粘合、成膜、保護(hù)水分等特性。配方中加入的助劑是一種高分子聚合物，調(diào)節(jié)劑及助劑與水泥水化產(chǎn)生的水化物相互結(jié)合后形成部分交聯(lián)，使得該水泥漿體系由松散易分散結(jié)構(gòu)變?yōu)榫W(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在水泥水化物表面形成一層連續(xù)網(wǎng)膜。這層網(wǎng)膜將水泥水化物的單元網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相互“鉸”結(jié)，牢固地粘結(jié)成為一個(gè)整體。這些網(wǎng)狀膜層橫跨整個(gè)水泥漿體系，穿梭連接，從而提高了凝膠水泥的抗水侵性能。

堵水施工時(shí)，可先擠注前置液，暫時(shí)封堵生產(chǎn)層，防止凝膠水泥封堵生產(chǎn)層位，再擠注凝膠水泥至目的出水層封堵，由于暫堵劑此時(shí)已開始破膠，所以凝膠水泥擠注完成后，則關(guān)井候凝；堵漏施工時(shí)，先擠注前置液再擠注凝膠水泥，一旦前置液和凝膠水泥漿接觸馬上失去流動(dòng)性，就可以減緩漏失速度，同時(shí)凝膠水泥的稠化時(shí)間設(shè)計(jì)的不能過長(zhǎng)，防止水泥漿向底邊坍落，最終在縫洞洞口形成封堵墻。

三、凝膠水泥體系性能評(píng)價(jià)

1.抗水侵性能

凝膠水泥體系與普通水泥的抗水侵效果對(duì)比如圖1所示。

圖1 凝膠水泥與普通水泥的抗水侵效果對(duì)比

從圖1可以看出，普通水泥漿傾倒入水的過程中，被水沖散成云霧狀，傾倒后玻璃杯中液體渾濁不清；而凝膠水泥漿在傾倒入水的過程中呈柱狀流入杯底，傾倒后杯底很清晰地有一層水泥漿，杯中液體清澈透亮。

2.流動(dòng)性能

凝膠水泥的抗水侵性能即保水性和漿體的流動(dòng)性是相互矛盾地存在。保水性好，流動(dòng)性就要差一些，需要在凝膠水泥的保水性和流動(dòng)性之間找到一個(gè)平衡點(diǎn)，使得凝膠水泥既具有良好的保水性，又能滿足施工泵送的要求。

表1 調(diào)節(jié)劑加量對(duì)凝膠水泥漿流動(dòng)性能的影響

注：基礎(chǔ)配方：300 g G級(jí)水泥+200 g粉煤灰+3 g ZF-1+10 g 調(diào)節(jié)助劑+250 mL水。

從表1可以看出，調(diào)節(jié)劑加量少，流動(dòng)性能好，但抗水侵效果較差；調(diào)節(jié)劑加量大，則抗水侵效果好，但流動(dòng)度小，漿體不易泵送。為了便于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，同時(shí)具有較好的保水效果，凝膠水泥漿的流動(dòng)度控制在19～21 cm之間。

3.稠化性能

稠化實(shí)驗(yàn)不僅考察漿體的稠化時(shí)間長(zhǎng)短，同時(shí)通過稠化曲線能了解漿體在泵送過程中性能是否穩(wěn)定，稠化曲線平穩(wěn)說明漿體性能穩(wěn)定，稠化曲線出現(xiàn)震蕩、鼓包則說明漿體性能不穩(wěn)定。不同溫度段凝膠水泥的稠化時(shí)間可以通過促凝劑、緩凝劑來調(diào)節(jié)。由表2可知，凝膠水泥漿的性能比較穩(wěn)定，稠化過渡時(shí)間短，說明漿體防竄性能優(yōu)良，稠化時(shí)間根據(jù)施工時(shí)間可調(diào)。

表2 凝膠水泥的稠化性能

注：基礎(chǔ)配方：300 g G級(jí)水泥+200 g粉煤灰+4 g 調(diào)節(jié)劑+3 g ZF-1+10 g 調(diào)節(jié)助劑+250 mL水，促凝劑、緩凝劑渤鉆工程院自制。

4.凝膠水泥的密度調(diào)節(jié)

根據(jù)施工井的要求不同，凝膠水泥的密度可以用減輕劑粉煤灰、微珠、膨潤(rùn)土來降低。凝膠水泥漿體的密度可以在1.10～1.60 g/cm3之間調(diào)節(jié)。一般堵水用要求密度低些，在1.10～1.30 g/cm3；堵漏要求密度高些，在1.30～1.60 g/cm3之間調(diào)節(jié)(表3)。

表3 凝膠水泥的密度調(diào)節(jié)

注：基礎(chǔ)配方：4 g調(diào)節(jié)劑+3～10 g ZF-1+10 g ZJ-5+250 mL水。

5.綜合性能

凝膠水泥的綜合性能見表4、表5。以配制密度為1.20 g/cm3和1.55 g/cm3的凝膠水泥漿為例。

表4 低密度凝膠水泥的綜合性能

注：基礎(chǔ)配方：100 g G級(jí)水泥+100 g粉煤灰+60 g微珠+40 g膨潤(rùn)土+0～20 g促凝劑+4 g 調(diào)節(jié)劑+10 g ZF-1+10 g 調(diào)節(jié)助劑+250 mL水，促凝劑渤鉆工程院自制。

表4中的凝膠水泥體系密度在1.10～1.30 g/cm3之間，保水性良好，流動(dòng)度大于19 cm，游離水均為0 mL，濾失量小于50 mL，24 h抗壓強(qiáng)度大于1 MPa，稠化時(shí)間在240～360 min之間可調(diào)，綜合性能能夠滿足堵水施工的要求。該密度段的凝膠水泥適用于疏松砂巖進(jìn)行防竄堵水，應(yīng)用時(shí)能夠起到鎖水固砂效果，封堵水竄通道，有效封堵大縫洞，起到很好的堵水調(diào)剖作用。

表5 高密度凝膠水泥的綜合性能

注：基礎(chǔ)配方：300 g G級(jí)水泥+200 g粉煤灰+0～20 g促凝劑+0～6 g緩凝劑+4 g 調(diào)節(jié)劑+3 g ZF-1+10 g調(diào)節(jié)助劑+250 mL水，促凝劑、緩凝劑渤鉆工程院自制。

從表5可以看出，該體系在具有良好保水性的前提下，密度在1.30～1.60 g/cm3，流動(dòng)度大于19 cm，游離水均為0 mL，濾失量小于50 mL，24 h抗壓強(qiáng)度大于3.5 MPa，稠化時(shí)間在120～240 min之間可調(diào)。綜合性能滿足現(xiàn)場(chǎng)施工的條件。該密度段的凝膠水泥適用于鉆井工程封堵水層、溶洞性漏失。

四、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

凝膠水泥在大慶油田葡淺10-7井進(jìn)行了大通道封堵施工(表6)，封堵管柱下深270.4 m，施工開始試擠5 m3前置液，擠注壓力在1～3.6 MPa之間，擠注排量在200～545 L/min之間，井口閘閥及設(shè)備均達(dá)到施工指標(biāo)，繼續(xù)擠注前置液20 m3，凝膠水泥封堵漿45 m3，密度1.16～1.22 g/cm3，頂替液20 m3，擠注壓力在1.5～3.9 MPa之間，排量在140～280 L/min之間，候凝48 h。

表6 葡淺10-7井施工過程各項(xiàng)參數(shù)

葡淺10-7井封堵后，日均增油2.2 t，日均含水率下降15%，13 d累計(jì)增油28 t。堵水效果非常好。近兩年，該井一直受井底出砂影響，不能正常生產(chǎn)。因出砂卡泵作業(yè)8次，每次檢泵后生產(chǎn)時(shí)間不到16 d，兩年僅生產(chǎn)30 d，其它時(shí)間都在關(guān)井待施工或放噴無產(chǎn)狀態(tài)。此次封堵，堵住了大孔道，膠結(jié)了松散的砂體，對(duì)防止出砂卡泵有一定效果。封堵改善了該井生產(chǎn)狀況。該井堵水后連續(xù)生產(chǎn)20 d，這是兩年內(nèi)未有的生產(chǎn)形勢(shì)。

五、結(jié)論

(1)凝膠水泥是從油井水泥角度出發(fā)，為提高水泥漿的抗水侵能力而研發(fā)的一種低密低強(qiáng)堵水堵漏專用凝膠水泥漿體系，由油井水泥、減輕材料、調(diào)節(jié)劑及調(diào)節(jié)助劑等外加劑組成，該體系具有很好的鎖水性，在水中不易被水沖釋，可迅速固化，封堵地層。

(2)凝膠水泥密度可在1.10～1.60 g/cm3之間調(diào)節(jié)，密度在1.10～1.30 g/cm3的漿體適合堵水用，在1.30～1.60 g/cm3的漿體適合鉆井工程堵漏用；凝膠水泥稠化時(shí)間可調(diào)，堵水用漿體稠化時(shí)間在240～360 min可調(diào)，堵漏用漿體稠化時(shí)間在120～240 min可調(diào)。

(3)凝膠水泥漿可泵送時(shí)間長(zhǎng)，現(xiàn)場(chǎng)配制方便，能滿足大劑量封堵施工要求，施工安全可靠。

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