何 磊，廖興松

（大港油田公司工程技術(shù)處，天津 300280）

隨著頁巖氣田、低滲油氣田等復(fù)雜氣田的開發(fā)，對固井水泥漿體系及性能的要求也越來越高，水泥漿體系不僅要求能進(jìn)行管柱封固和層間封隔，而且需要能抵抗井下復(fù)雜作業(yè)載荷的破壞，同時(shí)防止固井作業(yè)過程中發(fā)生氣竄問題[1]。

為提高水泥漿的長期封固穩(wěn)定性，延長油氣井開采壽命，保障固井質(zhì)量，國內(nèi)外研究表明，當(dāng)水泥漿具有較強(qiáng)的韌性時(shí)，其凝固后的水泥石對外部載荷作用具有較強(qiáng)的緩沖能力，能在一定程度上抵抗井下復(fù)雜作業(yè)對水泥環(huán)的沖擊破壞，可以提高水泥漿凝固后的封固穩(wěn)定性，改善水泥漿的長期層間封隔的能力[2，3]。此外，對于氣井來說，水泥漿的防氣竄能力至關(guān)重要。通過添加劑材料的調(diào)節(jié)提高水泥漿的防氣竄能力，可降低氣竄對固井質(zhì)量帶來的損害[4，5]。為開發(fā)性能優(yōu)異的韌性防氣竄水泥漿體系，室內(nèi)對主要的固井添加劑進(jìn)行了研究，使用開發(fā)的添加劑材料構(gòu)建了韌性防氣竄水泥漿體系，并對其性能進(jìn)行評價(jià)。

1 實(shí)驗(yàn)儀器與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

恒速攪拌器，六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，增壓稠化儀，API失水儀，簡支梁沖擊試驗(yàn)機(jī)，電子萬能材料試驗(yàn)儀。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

（1）水泥漿常規(guī)性能評價(jià)。水泥漿的制備和評價(jià)參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19139-2012《油井水泥試驗(yàn)方法》中的具體要求進(jìn)行。

（2）水泥漿防氣竄性能評價(jià)。水泥漿的防氣竄能力以水泥漿性能系數(shù)（SPN）值作為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，SPN 值反映了水泥漿失水量及凝固過程中阻力變化系數(shù)對防氣竄的影響，具體的計(jì)算式為：

式中：SPN-水泥漿性能系數(shù)，無因次；FLAPI-水泥漿API 失水量，mL-水泥漿稠度為100 Bc和30 Bc 的時(shí)間，min。

SPN 值評價(jià)防氣竄能力的標(biāo)準(zhǔn)（見表1）。

表1 防氣竄能力評價(jià)

2 韌性防氣竄水泥漿主要添加劑材料研究

2.1 分散劑

不添加分散劑的水泥漿體系的流變性通常較差，而良好的流變性能是保證固井施工安全性的基礎(chǔ)。分散劑的作用是使油井水泥顆粒在配漿水中分散均勻，對水泥顆粒之間的成團(tuán)連接進(jìn)行削弱和拆散，釋放游離水，降低漿體內(nèi)摩擦阻力，使水泥漿保持良好的可泵送性能[6]。為研究合適的分散劑應(yīng)用在韌性防氣竄水泥漿中，評價(jià)了幾種選擇和研制的分散劑性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見表2）。

從表2 數(shù)據(jù)可以看出，與空白水泥漿相比，添加了分散劑ERA60 和F385 的水泥漿體系流變性改善較大，兩種分散劑能較好的調(diào)節(jié)水泥漿的流變性能，但是F385 分散劑的添加引起了少量自由液的產(chǎn)生，影響了水泥漿漿體穩(wěn)定性。綜合考慮分散劑在水泥漿中的作用效果，選用ERA60 作為韌性防氣竄水泥漿的分散劑。

2.2 緩凝劑

水泥漿的稠化時(shí)間是固井作業(yè)過程中衡量和保證水泥漿泵送和施工安全性極為重要的性能。在井底溫度工況下，大多固井水泥漿體系都需要進(jìn)行緩凝處理，不添加緩凝劑水泥漿體系的稠化時(shí)間通常都不能滿足固井施工的要求。緩凝劑在水泥漿中通過表面吸附或生成表面沉淀的方式起緩凝作用，延長水泥漿的稠化時(shí)間[7]，室內(nèi)評價(jià)的不同緩凝劑作用效果（見圖1）。

從圖1 中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，與空白水泥漿相比，摻入不同的緩凝劑都能在一定程度上延長水泥漿的稠化時(shí)間。在評價(jià)的幾種緩凝劑中，緩凝劑HN-3 對水泥漿稠化時(shí)間延長最明顯，作用效果最好，有助于在少量加量條件下調(diào)節(jié)水泥漿的稠化時(shí)間。因此，韌性防氣竄水泥漿體系選取HN-3 作為緩凝劑。

表2 不同分散劑性能

圖1 不同緩凝劑性能

圖2 不同降失水劑的性能

2.3 降失水劑

水泥漿的失水量對固井質(zhì)量有較大的影響。在沒有進(jìn)行濾失和施工性能處理的情況下，水泥漿失水量較大，可能導(dǎo)致環(huán)空漿體水灰比的變化，流變性變差，稠化時(shí)間縮短，稠度急劇增加，導(dǎo)致固井失敗[8]。此外，大量水泥漿水向地層的濾失，可能造成儲層污染，降低儲層滲透率繼而降低油井產(chǎn)量。為了研究出合適的降失水劑，評價(jià)了幾種降失水劑性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見圖2）。

圖3 不同防氣竄劑的性能

圖2 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不同的降失水劑都能降低水泥漿的失水量，其中降失水劑RL-30 的降低失水量的效果最好。與空白水泥漿相比，使用降失水劑RL-30配制的水泥漿體系的失水量下降了44 mL。因此，選擇降失水劑RL-30 作為水泥漿的降失水劑添加劑。

2.4 防氣竄劑

在氣井固井過程中，水泥漿漿體失重易引起環(huán)空水泥漿的氣侵，產(chǎn)生環(huán)空氣竄，形成環(huán)空竄槽，降低固井質(zhì)量，甚至導(dǎo)致固井失敗。為了提高水泥漿的防氣竄能力，可在配制水泥漿時(shí)加入一定量的防氣竄劑。為研究不同防氣竄劑的作用效果，對不同水泥漿SPN 值進(jìn)行評價(jià)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見圖3）。

從圖3 可以看出，無防氣竄劑水泥漿體系的防氣竄能力較差，摻入防氣竄劑后，水泥漿防氣竄能力得到改善。防氣竄劑AGC-1 和CR-60 配制的水泥漿體系防氣竄能力都較好，其中AGC-1 的作用效果最好,其SPN 值的大小僅0.87。因此，選取AGC-1 作為水泥漿體系防氣竄劑。

2.5 增韌劑

水泥石的韌性表征了水泥石抵抗外部載荷沖擊破壞的能力，通常以抗沖擊強(qiáng)度大小作為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。賦予油井水泥石韌性形變能力，增加水泥石抗沖擊破碎性能，減輕水泥環(huán)在受沖擊力作用后的應(yīng)力集中造成的破碎傷害程度是韌性防氣竄水泥漿體系研究的重要內(nèi)容。為提高水泥漿韌性，評價(jià)了膠乳液、碳纖維和自制增韌劑ETA-30 在水泥漿中的作用效果，結(jié)果（見表3）。

表3 不同增韌劑的性能

從表3 可以看出，空白水泥漿試樣抗壓強(qiáng)度較高，但是彈韌性較差。添加增韌劑后，增韌水泥漿體系的抗壓強(qiáng)度略有下降，但都滿足固井施工的要求，且增韌水泥漿的抗沖擊強(qiáng)度大幅度提高，彈性模量下降，水泥石的彈韌性有明顯的改善。與碳纖維和膠乳液相比，使用增韌劑ETA-30 配制的水泥漿體系的抗壓強(qiáng)度下降幅度最小，同時(shí)抗沖擊強(qiáng)度提升最明顯，彈性模量最小，水泥石的彈韌性最優(yōu)異。因此，韌性防氣竄水泥漿體系選擇ETA-30 作為韌性防氣竄水泥漿的增韌劑。

3 韌性防氣竄水泥漿體系性能評價(jià)

通過研究的不同水泥漿添加劑，以微硅作為增強(qiáng)劑材料，構(gòu)建了韌性防氣竄水泥漿配方，其具體組成為：100 %G 級水泥+44 %淡水+2 %微硅+2 %降失水劑RL-30+0.5%分散劑ERA60+0.5%緩凝劑HN-3+2%防氣竄劑AGC-1+3 %增韌劑ETA-30。

表4 韌性防氣竄水泥漿常規(guī)性能

表5 韌性防氣竄水泥漿力學(xué)性能

為進(jìn)一步評價(jià)構(gòu)建的水泥漿體系的性能，室內(nèi)研究了水泥漿體系在60 ℃和90 ℃兩種溫度條件下的常規(guī)性能和力學(xué)性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見表4 和表5）。

從表4 中的數(shù)據(jù)可以看出，在不同的溫度條件下，構(gòu)建的韌性防氣竄水泥漿體系流變性均較好，失水量小于50 mL，漿體穩(wěn)定，稠化性能滿足施工要求，且SPN 值均小于1，防氣竄性能優(yōu)異。從表5 可以看出，韌性防氣竄水泥漿體系抗壓強(qiáng)度滿足固井封固要求，抗沖擊強(qiáng)度大，彈性模量較低，水泥漿體系具有較強(qiáng)的抵抗外部載荷破壞的能力。

4 結(jié)論

（1）研究的添加劑材料能顯著提高水泥漿的彈韌性和防氣竄能力，降低水泥漿的失水量，改善水泥漿流變性，調(diào)節(jié)水泥漿稠化時(shí)間。

（2）韌性防氣竄水泥漿體系流變性能較好，失水量低，漿體穩(wěn)定，稠化時(shí)間滿足施工要求且防氣竄性能優(yōu)異。

（3）韌性防氣竄水泥漿體系的抗壓強(qiáng)度滿足固井封固要求，彈韌性優(yōu)異，具有較強(qiáng)的抵抗外部載荷破壞的能力。