陸沛青 ， 桑來玉 ， 謝少艾， 高 元 ， 張佳瀅， 康旭亮

（1. 頁(yè)巖油氣富集機(jī)理與有效開發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101；2. 中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101；3. 中石化石油機(jī)械股份有限公司，湖北武漢 434014；4. 油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國(guó)石油大學(xué)（北京）），北京 102249）

在固井過程中水泥漿候凝期間，因水泥漿失重引起的井底有效漿柱壓力下降，是導(dǎo)致氣井環(huán)空帶壓的重要因素之一[1]。認(rèn)識(shí)水泥漿失重模式與失重規(guī)律，是預(yù)防環(huán)空氣侵的重要基礎(chǔ)。由于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)干擾因素較多且數(shù)據(jù)樣本有限，因此大型物理模擬試驗(yàn)成為研究水泥漿失重規(guī)律以及建立失重預(yù)測(cè)模型的主要方法。前人針對(duì)水泥漿失重問題已開展了大量的試驗(yàn)研究工作：G. Carter和R. A. Crook等人[2-3]發(fā)現(xiàn)氣體不僅可以通過水泥環(huán)第一、二膠結(jié)界面的薄弱處侵入環(huán)空，也可以在水泥漿候凝期間穿透水泥漿膠凝結(jié)構(gòu)形成氣竄。自此，由水泥漿失重引發(fā)的早期氣竄現(xiàn)象開始引起重視，陸續(xù)開展了針對(duì)水泥漿靜膠凝強(qiáng)度[4-6]、濾失量[7]、沉降穩(wěn)定性[8-9]、體積收縮[10-11]，大斜度及水平井等因素對(duì)失重影響的機(jī)理研究等[12]。研究發(fā)現(xiàn)，影響水泥漿失重的因素復(fù)雜多樣。目前普遍接受的觀點(diǎn)是，井壁懸掛與體積收縮是導(dǎo)致水泥漿失重的2大主要因素[13]。但是，上述失重研究的對(duì)象主要集中于水泥凈漿，針對(duì)特殊水泥漿，特別是防氣竄水泥漿的試驗(yàn)研究相對(duì)較少，對(duì)失重模式與規(guī)律的認(rèn)識(shí)還不夠清楚。為此，筆者以苯丙膠乳水泥漿為研究對(duì)象，利用自主設(shè)計(jì)的水泥漿壓力傳導(dǎo)精確測(cè)量裝置，實(shí)時(shí)測(cè)量了不同試驗(yàn)條件（膠乳加量、溫度、氣層壓力以及井筒深度）下，水泥漿有效液柱壓力的變化，分析了苯丙膠乳水泥漿的防氣竄效果與失重規(guī)律，以期為防氣竄固井施工及建立水泥漿失重預(yù)測(cè)模型提供參考。

1 苯丙膠乳水泥漿配方及性能

為有效提高水泥漿的防氣竄能力，以2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸為功能單體進(jìn)行改性，合成了一種用以防氣竄固井的苯丙膠乳水泥添加劑[14]。該膠乳為乳白色黏性液體，密度為1.05 kg/L，固相含量為40%，黏度為8.7 mPa·s，膠乳粒徑為125 nm。

由于膠乳粒徑遠(yuǎn)小于水泥顆粒粒徑（20～74 μm），當(dāng)其應(yīng)用于水泥漿封閉氣層時(shí)，隨著水泥水化反應(yīng)的進(jìn)行，環(huán)繞水泥顆粒的水被消耗，膠乳局部固相體積分?jǐn)?shù)升高，產(chǎn)生顆粒聚集，從而形成空間網(wǎng)絡(luò)狀非滲透薄膜，并填充于水泥顆?？障?，避免環(huán)空發(fā)生竄流。

通過優(yōu)化組合，確定苯丙膠乳水泥漿的基本配方為G級(jí)油井水泥+5.0%～ 20.0%苯丙膠乳+1.0%～2.0%膠乳穩(wěn)定劑+0.1%～ 0.4%分散劑+44.0%水。在不同苯丙膠乳加量下，苯丙膠乳水泥漿的綜合性能見表1。

表1 苯丙膠乳防氣竄水泥漿的綜合性能Table1 Comprehensive performance of styrene-acrylic latex anti-gas channeling cement slurr

從表1可以看出，苯丙膠乳對(duì)水泥漿流性指數(shù)的影響較小，但分析認(rèn)為，苯丙膠乳可以完全分散于水泥漿中，使水泥漿保持良好的流變性和沉降穩(wěn)定性。同時(shí)，隨著苯丙膠乳加量增大，具有彈性的膠乳粒子充分充填于水泥顆粒之間，不但可以明顯降低水泥漿的濾失量，還可以降低水泥石的滲透率，因此苯丙膠乳可在不影響水泥漿性能的前提下，提高水泥漿的防氣竄性能。目前，該苯丙膠乳水泥漿已在川東北、順南[15]和順北等地區(qū)復(fù)雜工況下的防氣竄固井施工中廣泛應(yīng)用。

2 失重試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)裝置

為進(jìn)行苯丙膠乳水泥漿失重試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一套水泥漿壓力傳導(dǎo)精確測(cè)量裝置，如圖1所示。該裝置主要由5大系統(tǒng)組成，分別為模擬井筒、加熱及溫度控制系統(tǒng)、壓力及壓差測(cè)量系統(tǒng)、出口計(jì)量系統(tǒng)和注入系統(tǒng)。1）模擬井筒：水泥環(huán)內(nèi)徑為50.0 mm、長(zhǎng)度為1 000.0 mm，井筒上設(shè)有4個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)（由下至上編號(hào)為1#—4#，間距20 cm），用以測(cè)量不同深度處的壓力變化；測(cè)點(diǎn)上設(shè)有橡膠薄膜套，可以兼作隔離器使用。2）加熱及溫度控制系統(tǒng)由硅橡膠加熱套、溫度控制儀及溫度傳感器組成，控溫范圍在10～100 ℃，控溫精度為0.5 ℃。3）壓力及壓差測(cè)量系統(tǒng)：傳感器量程為0.6 MPa，精度0.25% FS（FS為full scale，意即滿量程）。4）出口計(jì)量系統(tǒng)由氣液分離器、高精度電子天平（精度為0.000 1 g）、干燥器和微量氣體流量計(jì)組成。5）注入系統(tǒng)控制氣源壓力，由氮?dú)庠?、調(diào)壓閥等組成。

圖1 水泥漿壓力傳導(dǎo)精確測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)Fig. 1 Structure of cement slurry pressure conduction precision measuring device

利用該裝置，可以模擬不同溫度及氣竄壓力條件下水泥漿候凝早期階段全井筒（1#—4#測(cè)點(diǎn)）有效漿柱壓力的變化，評(píng)價(jià)水泥漿早期防氣竄效果。

2.2 試驗(yàn)參數(shù)選擇

分析認(rèn)為，影響苯丙膠乳水泥漿失重曲線形態(tài)的因素包括苯丙膠乳加量、氣竄壓力、井筒溫度以及井筒幾何參數(shù)（井筒深度、井徑）等。因此，選取上述參數(shù)作為試驗(yàn)變量，進(jìn)行了純水對(duì)比試驗(yàn)、凈漿對(duì)比試驗(yàn)、苯丙膠乳加量變化試驗(yàn)、氣壓變化試驗(yàn)以及溫度變化試驗(yàn)，相關(guān)參數(shù)組合見表2。其中，純水對(duì)比試驗(yàn)主要用來檢測(cè)儀器的密封性、壓力測(cè)量的精確性以及氣竄檢測(cè)的敏感性。

2.3 試驗(yàn)步驟

1）基于表2中的試驗(yàn)參數(shù)，針對(duì)不同試驗(yàn)內(nèi)容，配制不同配方的水泥漿，設(shè)置對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)溫度及氣壓，除純水試驗(yàn)外，每一組試驗(yàn)對(duì)應(yīng)一組確定的苯丙膠乳加量、氣壓和溫度，試驗(yàn)過程中不再發(fā)生變化。

2）進(jìn)行純水試驗(yàn)，確保儀器正常運(yùn)行，在清水充滿模擬井筒的狀態(tài)下，1#—4#測(cè)點(diǎn)理論上的壓力應(yīng)為2.6，4.6，6.6和8.6 kPa，若實(shí)測(cè)值與理論值差距較大，則需重新調(diào)試儀器。

3）用清水充滿井筒并保持5～10 min，確保清水通過滲透塞（傳遞液柱壓力，并阻擋水泥顆粒進(jìn)入傳感器）完全充滿壓力傳感器，打開“排壓閥”放空傳感器內(nèi)剩余的空氣。

4）排出清水，確定模擬井筒充滿空氣時(shí)對(duì)應(yīng)的壓力讀數(shù)為0，隨后盡快注入已配制好的水泥漿，并適當(dāng)敲擊井壁消除水泥漿觸變，使水泥漿充分充滿模擬井筒，并觀察儀表讀數(shù)是否正常。

5）打開氣源開始試驗(yàn)，實(shí)時(shí)記錄水泥漿液柱壓力及氣體流量。

6）試驗(yàn)過程中，密切關(guān)注氣體流量及水泥漿液柱壓力的變化，若發(fā)生氣竄或水泥失重至等高水柱壓力以下時(shí)，及時(shí)停止試驗(yàn)，并保存數(shù)據(jù)。

表2 苯丙膠乳水泥漿失重試驗(yàn)參數(shù)Table2 The parameters of styrene-acrylic latex anti-gas channeling cement slurry weight loss test

3 試驗(yàn)結(jié)果及失重規(guī)律分析

3.1 苯丙膠乳水泥漿防氣竄效果

采用水灰比為44%、密度為1.88 kg/L的苯丙膠乳水泥漿進(jìn)行試驗(yàn)，評(píng)價(jià)其防氣竄效果。當(dāng)氣體在水泥漿中形成通道后，1#—4#測(cè)點(diǎn)的壓力迅速升高，伴隨井筒上端產(chǎn)生氣泡，液面上升，據(jù)此可以判斷發(fā)生了氣竄。統(tǒng)計(jì)清水、凈漿與苯丙膠乳水泥漿發(fā)生氣竄時(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和比例，即可評(píng)價(jià)該水泥漿的防氣竄效果。

清水對(duì)比試驗(yàn)中，當(dāng)?shù)撞繗鈱訅毫Υ笥?.6 kPa（等高清水液柱壓力）時(shí)即發(fā)生氣竄，此后逐步提高底部氣層壓力，1#—4#測(cè)點(diǎn)的壓力同步升高，井筒上端連續(xù)冒出氣泡，如圖2（a）所示。

圖2 清水和凈漿液柱壓力變化曲線Fig. 2 The slurry column pressure variation curves of fresh water and paste

24組凈漿對(duì)比試驗(yàn)中，有12組試驗(yàn)在壓力快速下降階段發(fā)生了氣竄，臨界氣竄壓力為16～18 kPa，1#—4#測(cè)點(diǎn)的壓力響應(yīng)存在一定滯后，液面小幅升高，井筒上端斷續(xù)冒出小氣泡，如圖2（b）和圖 2（c）所示。

當(dāng)苯丙膠乳加量為5%時(shí)，即使氣層壓力（18 kPa）高于漿柱壓力（由16 kPa失重至12 kPa），在水泥漿快速失重階段也未發(fā)現(xiàn)有明顯的氣竄現(xiàn)象。拆卸后發(fā)現(xiàn)，96組試驗(yàn)中有20組試驗(yàn)的水泥漿底部存在氣體置換現(xiàn)象，水泥漿中存在微小氣泡。而在苯丙膠乳加量為10%及20%的水泥漿中，有12組試驗(yàn)水泥漿存在微弱的氣體置換現(xiàn)象。氣體置換過程中，苯丙膠乳水泥漿失重曲線未出現(xiàn)顯著變化。在相同溫度壓力條件下，不同漿體的防氣竄效果如圖3所示。

圖3 相同溫度壓力條件下不同類型漿體的防氣竄效果Fig. 3 The anti-gas channeling effect of different types of slurry under the same temperature and pressure conditions

由圖3可知，由于苯丙膠乳粒子具有在壓差下聚集成膜，擠壓、填充水泥顆粒孔隙等特性[16-17]，可有效增強(qiáng)水泥漿整體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，對(duì)于防止候凝過程中發(fā)生氣竄具有顯著效果。在該試驗(yàn)條件下，苯丙膠乳含量超過5%即可有效抑制環(huán)空氣竄，苯丙膠乳加量為10%時(shí)可使氣侵風(fēng)險(xiǎn)降至20%，其加量為20%時(shí)氣侵風(fēng)險(xiǎn)可降至10%。因此，針對(duì)高壓氣層固井施工，可與降濾失劑等水泥添加劑配合使用，建議加入5%～10%的苯丙膠乳；對(duì)于易漏易竄等其他更復(fù)雜的固井工況條件，苯丙膠乳加量可以基于該試驗(yàn)方法進(jìn)一步優(yōu)化。

3.2 苯丙膠乳水泥漿失重規(guī)律分析

共采集水泥漿壓力變化數(shù)據(jù)120組，其中凈漿試驗(yàn)24組，苯丙膠乳加量變化試驗(yàn)32組，氣壓變化試驗(yàn)32組，溫度變化試驗(yàn)32組。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)：在水泥漿液柱壓力下降到等高水柱壓力之前，有108組（占總數(shù)的90.0%）壓降曲線呈兩段式，稱為兩段式失重模式；有12組壓降曲線（占總數(shù)10.0%）呈三段式，稱為三段式失重模式。在兩段式失重模式中，有29組（約占總數(shù)24.2%）失重曲線斜率變化劇烈，前后兩段擬合曲線斜率比＞10，最高可達(dá)61.8；有79組（約占總數(shù)65.8%）失重曲線斜率變化相對(duì)平緩，前后兩段擬合曲線斜率比＜10，最低達(dá)到1.04。苯丙膠乳水泥漿兩段式失重曲線斜率比分布如圖4所示。

3.2.1 兩段式失重模式

圖4 兩段式失重曲線斜率比分布Fig. 4 Slope ratio distribution of two-stage weight loss curve

圖5 斜率變化顯著的兩段式失重曲線Fig. 5 Two-stage weight loss curve with significant slope change

圖5 為典型的斜率變化顯著的兩段式失重曲線，對(duì)應(yīng)試驗(yàn)條件分別為苯丙膠乳加量5%、氣壓15 kPa、溫度30 ℃和苯丙膠乳加量10%、氣壓0 kPa、溫度60 ℃。對(duì)兩段式失重曲線進(jìn)行分段線性擬合，分析失重曲線變化趨勢(shì)。

由圖 5（a）可知：在 0～1 055 s時(shí)間段，1#—4#測(cè)點(diǎn)壓力-時(shí)間擬合曲線的斜率依次為 －0.006 8，－0.003 4，－0.002 5和－0.001 5，在此階段，水泥漿快速由液體狀態(tài)向膠凝態(tài)轉(zhuǎn)變，并伴有較強(qiáng)的觸變現(xiàn)象；在1 055～14 000 s時(shí)間段，1#—4#測(cè)點(diǎn)壓力-時(shí)間擬合曲線的斜率分別為－0.000 11，－0.000 091，－0.000 064和－0.000 042，在此階段，水泥漿呈膠凝態(tài)，緩慢失重，直至降至等高水柱壓力，停止試驗(yàn)。將上述2個(gè)階段擬合曲線的斜率相除，可計(jì)算得到4條曲線的斜率比依次為61.8，37.8，39.1和35.9。類似地，圖5（b）中4段擬合曲線的斜率比依次為17.7，16.8，9.0 和 6.3。

對(duì)比圖5中的曲線可知：當(dāng)擬合曲線的斜率比＞10時(shí)，失重曲線變化明顯，前期失重速度快，后期失重速度相對(duì)較??；當(dāng)擬合曲線的斜率比＜10時(shí)，失重曲線整體較為平緩，斜率顯著變化的時(shí)間節(jié)點(diǎn)不明顯。

圖6為典型的斜率變化幅度較小的兩段式失重曲線，對(duì)應(yīng)試驗(yàn)條件分別為苯丙膠乳加量10%、氣壓15 kPa、溫度30 ℃和苯丙膠乳加量20%、氣壓0 kPa、溫度50 ℃。與圖5中的曲線相比，圖6中曲線斜率變化的幅度相對(duì)較小。圖6（a）中，1#—4#測(cè)點(diǎn)壓力-時(shí)間擬合曲線的斜率比依次為7.5，7.4，8.8 和 8.6；圖 6（b）中，1#—4#測(cè)點(diǎn)壓力-時(shí)間擬合曲線的斜率比為9.4，9.5，9.1和7.1。在曲線緩慢下降階段，水泥漿逐漸由液體狀態(tài)向膠凝態(tài)轉(zhuǎn)變，無明顯觸變現(xiàn)象；在平穩(wěn)下降階段，水泥漿呈膠凝態(tài)并伴隨有少量膠乳析出，液柱壓力緩慢降低，直至降至等高水柱壓力。

由此可知：對(duì)于觸變性較強(qiáng)的水泥漿，由于受到觸變形成的掛壁效應(yīng)影響[17]，其液柱壓力通常呈現(xiàn)“快速+平穩(wěn)”兩段式下降；對(duì)于觸變性較小的水泥漿，其失重的原因主要是水泥漿內(nèi)部顆粒沉降導(dǎo)致水泥顆粒出現(xiàn)橋堵現(xiàn)象，使部分水泥顆粒的重力作用于管壁上[18]，故液柱壓力失重相對(duì)緩慢，通常呈現(xiàn)“緩慢+平穩(wěn)”兩段式下降。但整體而言，在水泥漿失重階段，液柱壓力并非線性降低，存在階段性變化，與水泥的水化息息相關(guān)。

3.2.2 三段式失重模式

圖7為典型的三段式失重曲線，對(duì)應(yīng)試驗(yàn)條件為苯丙膠乳加量5%、氣壓15 kPa、溫度50 ℃和苯丙膠乳加量10%、氣壓15 kPa、溫度70 ℃。由圖7可以看出，水泥漿液柱壓力平穩(wěn)降至等高水柱壓力后，又開始迅速降低，整體呈現(xiàn)三段式。

圖6 斜率變化平緩的兩段式失重曲線Fig. 6 Two-stage weight loss curve with gentle slope change

由圖 7（a）可知：在 1～6 880 s時(shí)間段，曲線的形態(tài)與兩段式失重曲線一致，1#—4#測(cè)點(diǎn)壓力-時(shí)間擬合曲線的斜率比依次為40.6，64.9，38.5和40.5；時(shí)間超過6 880 s后，水泥漿液柱壓力重新開始加速降低，前后2個(gè)階段1#—4#測(cè)點(diǎn)壓力-時(shí)間擬合曲線的斜率比為 0.07，0.04，0.05 和 0.03。類似地，圖 7（b）水泥漿液柱壓力也呈三段式下降，在70 ℃溫度下，水泥漿失重曲線斜率變大，失重至等高水柱壓力的時(shí)間縮短。水泥漿液柱壓力降至等高水柱壓力后，水泥漿開始快速凝結(jié)、稠化。為防止水泥漿完全凝固在井筒中，停止試驗(yàn)并拆下井筒，發(fā)現(xiàn)水泥漿已基本喪失流動(dòng)性，呈塑性狀態(tài)。

綜合分析上述現(xiàn)象，認(rèn)為完整的水泥漿失重曲線應(yīng)為三段式：1）水泥漿進(jìn)入井筒不再流動(dòng)后，形成觸變或膠凝結(jié)構(gòu)，水泥顆粒沉降，導(dǎo)致水泥顆粒附著于管壁上，造成水泥漿快速失重；2）隨著水泥水化反應(yīng)進(jìn)行，水泥漿逐漸從“顆粒堆積體”轉(zhuǎn)變?yōu)椤肮羌?孔隙結(jié)構(gòu)”，水泥漿形成孔隙溶液傳壓，壓力緩慢降低[19]；3）當(dāng)誘導(dǎo)期結(jié)束，水泥漿開始快速水化，直至降至等高水柱壓力，隨后徹底稠化、凝結(jié)，封閉井筒。為防止水泥漿凝固損毀試驗(yàn)井筒，設(shè)定水泥漿液柱壓力降至等高水柱壓力即停止試驗(yàn)。此時(shí)，若繼續(xù)采集數(shù)據(jù)，應(yīng)能觀察到水泥漿液柱加速失重的過程。因此，試驗(yàn)采集到的絕大部分失重曲線為兩段式曲線。

圖7 典型的三段式失重曲線Fig. 7 Typical three-stage weight loss curv

分析認(rèn)為，在該試驗(yàn)條件下，失重曲線中斜率顯著變化的第一個(gè)拐點(diǎn)是最易發(fā)生氣竄的狀態(tài)。在第一拐點(diǎn)處，水泥漿液柱壓力迅速降低，而水泥漿膠凝結(jié)構(gòu)尚未完全形成，防氣竄的阻力較低，當(dāng)?shù)撞繗鈱訅毫Υ笥谒酀{底部壓力與氣竄阻力之和時(shí)，就易發(fā)生氣竄。當(dāng)水泥漿開始加速水化后，即使水泥漿液柱壓力迅速降低，加速形成的水泥漿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也可以阻止氣體在水泥漿中運(yùn)移。因此，在后續(xù)研究中，應(yīng)重點(diǎn)探索失重曲線第一拐點(diǎn)附近壓力變化的規(guī)律，基于數(shù)據(jù)建立水泥漿失重預(yù)測(cè)模型，為防氣竄固井施工提供參考和指導(dǎo)。

4 結(jié)論及建議

1）設(shè)計(jì)了一套水泥漿壓力傳導(dǎo)精確測(cè)量裝置，并利用該裝置實(shí)時(shí)測(cè)量了不同苯丙膠乳加量、底部氣壓、環(huán)境溫度和井筒深度等條件下，水泥漿由液態(tài)變成塑性狀態(tài)過程中有效漿柱壓力變化的過程。

2）苯丙膠乳水泥漿失重試驗(yàn)表明，即使氣層壓力高于漿柱壓力，也未發(fā)生明顯的氣竄現(xiàn)象。整體而言，苯丙膠乳粒子可有效增強(qiáng)水泥漿的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，防止發(fā)生氣竄。對(duì)于氣層壓力較高的井，建議采用苯丙膠乳加量為5%～10%的水泥漿進(jìn)行固井。

3）苯丙膠乳水泥漿的主要失重模式為三段式：當(dāng)候凝形成觸變或膠凝結(jié)構(gòu)后，水泥漿快速失重；隨著水化反應(yīng)進(jìn)行，水泥漿形成孔隙溶液傳壓，失重現(xiàn)象緩慢，壓力緩慢降低；最后，水泥漿開始快速水化，直至降至等高水柱壓力，隨后徹底稠化。

4）在文中試驗(yàn)條件下，失重曲線的第一個(gè)拐點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)的是最易發(fā)生氣竄的狀態(tài)，在后期研究中，建議重點(diǎn)研究第一拐點(diǎn)附近水泥漿液柱壓力變化的規(guī)律。

5）建議采用水泥漿壓力傳導(dǎo)精確測(cè)量裝置與測(cè)量方法，進(jìn)一步研究多種水泥添加劑、外摻料對(duì)水泥漿失重模式的影響，完善水泥漿失重規(guī)律分析。