單通道井固井低黏微膨脹韌性水泥漿體系研究

吳雪平，覃毅，蘇峰

[1. 中石化江漢石油工程公司鉆井一公司，湖北潛江 433121；2. 中國石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司第一固井分公司，河北任丘 062552；3. 中海石油(中國)有限公司深圳分公司，廣東深圳 518000]

常規(guī)油氣井井身結(jié)構(gòu)一般有兩級或多級油井工作液流動通道，一級通道是油氣生產(chǎn)套管通道；其他級是用于封隔復(fù)雜地層或循環(huán)壓井等功用的表層套管或技術(shù)套管通道；而單通道井只有一級油井工作液流動通道即生產(chǎn)套管通道，沒有表層套管及技術(shù)套管環(huán)形通道，兩者結(jié)構(gòu)對比見圖1[1-2]。運用單通道井鉆完井技術(shù)能夠?qū)@完井作業(yè)經(jīng)費降低20%左右，較適合作業(yè)經(jīng)費不高、地層相對穩(wěn)定的井[3]。雖然單通道井簡化了井身結(jié)構(gòu)，但后期還會有射孔、封井等作業(yè)，這些作業(yè)對水泥石的封固效果提出了極高的要求，如果水泥石性能不達(dá)標(biāo)，后期修復(fù)較為困難。

圖1 2種井型井身結(jié)構(gòu)示意

與常規(guī)井固井相比，單通道井固井具有以下幾點特殊性[4-7]：

1)一般單通道井井眼較小，固井作業(yè)水泥漿的流通通道窄，故流動阻力大，易形成竄槽，易導(dǎo)致頂替效率差，因此要求固井水泥漿有較好的流變性。

2)環(huán)空間隙小致使水泥漿流動阻力增大，易造成泵壓增高，使水泥漿易于失水和脫水。此外，對于壓力窗口窄的地層易于出現(xiàn)漏失。上述兩點要求水泥漿的濾失量低且穩(wěn)定性要好。

3)對于射孔完井而言，由于單通道井只有一層水泥環(huán)，要求射孔后水泥環(huán)完整性較好。若水泥石韌性不佳，射孔后出現(xiàn)崩塌，后期生產(chǎn)中極易導(dǎo)致井口環(huán)空帶壓等工況。故要求水泥石應(yīng)具有較好的力學(xué)性能。

4)一般情況下水泥漿凝固后會有一定的收縮，水泥石收縮造成其一、二界面形成微裂隙，導(dǎo)致井底油氣水上竄，引起不必要的井底復(fù)雜。這要求水泥石具有一定的膨脹性。

基于單通道井對固井水泥漿的要求，通過室內(nèi)試驗進(jìn)行了固井添加劑評價研究，建立了一套適用于單通道井固井用的低黏微膨脹韌性水泥漿體系，同時對構(gòu)建的水泥漿體系進(jìn)行了評價。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

G級油井水泥，冀東水泥股份有限公司；膠乳液，吉林科隆化工有限公司；降失水劑DPT、HE-11、CMS、CHC、SCY，緩凝劑PQS、OAS、NPB、HP-2，湖北江漢石油技術(shù)公司，以上試劑均為工業(yè)級；流型調(diào)節(jié)劑LPG，膨脹劑PUB，實驗室自制。

1.2 試驗方法

水泥漿體系的配制及性能參數(shù)的測定參照GB/T 19139—2012《油井水泥試驗方法》。

2 低黏微膨脹韌性水泥漿體系關(guān)鍵材料研究

2.1 流型調(diào)節(jié)劑研究

流型調(diào)節(jié)劑是水泥漿體系研究的重點，自制的代號為LPG的流型調(diào)節(jié)劑是一種活性固體材料，通過粒徑級配的方式來達(dá)到與G級水泥良好的協(xié)調(diào)作用，一方面降低水泥漿的流變性，另一方面提升水泥漿的沉降穩(wěn)定性。評價了不同LPG加量對水泥漿流變性能及穩(wěn)定性的影響，結(jié)果見表1。

表1 流型調(diào)節(jié)劑LPG對水泥漿性能的影響

由表1可見：水泥漿隨著LPG加量的增大先變稀后變稠。這是因為LPG比常規(guī)G級油井水泥顆粒更粗，LPG顆粒占總顆粒的比表面積小，假定配漿水不變，LPG顆粒吸水更少，體系中游離水更多，因此水泥漿的流變性就好。同時，由于LPG本質(zhì)是固相顆粒，加量達(dá)到一定的程度對水泥漿就有增稠作用，故當(dāng) LPG加量不大時，能夠起到改善水泥漿流變性的作用。但摻入達(dá)到一定量后，LPG的增稠效應(yīng)占主導(dǎo)作用。通過表1中的結(jié)果可知，當(dāng)LPG加量(w)在7%左右時，對水泥漿流變性性能提升效果最好。

2.2 膨脹劑研究

在水泥漿中加入膨脹劑，可以有效地降低水泥漿凝固在水泥環(huán)一、二界面形成微裂隙的大小。常見的油井水泥膨脹劑有鋁粉類膨脹劑、堿土金屬氧化物和硫鋁酸鹽類等，硫鋁酸鹽類與鋁粉類膨脹劑由于存在技術(shù)瓶頸因而使用較少，而依靠水泥水化完成后期產(chǎn)生氫氧化物為膨脹源的堿土金屬氧化物運用較廣泛[8-9]。在高溫高壓環(huán)境下，摻入堿土金屬氧化物膨脹劑的水泥石收縮量小。在水泥漿中加入自制的代號為PUB的堿土金屬氧化物膨脹劑，考察不同PUB加量對水泥石膨脹性能的影響，結(jié)果見表2。

表2 PUB加量對水泥石膨脹性能的影響

由表2可見：在一段時間內(nèi)，水泥固化后均會有一定的收縮，而膨脹劑的加入能夠很好地抑制水泥石的收縮程度。然而膨脹劑加量并非越多越好，添加膨脹劑的目的是控制水泥體積收縮，阻止水泥石發(fā)生收縮在井筒一、二界面形成微裂隙。若水泥環(huán)膨脹效果較強(qiáng)，則必然對套管產(chǎn)生不利影響。因此，膨脹劑加量(w)在0.5%～1.0%時，能夠很好地抑制水泥石的收縮。

2.3 增韌劑研究

通常情況下，在水泥漿加入膠乳液后，水泥漿水化過程中會有膠乳顆粒包裹在水化產(chǎn)物表面，最終形成膠乳薄膜覆蓋的C-S-H凝膠。這種薄膜在水泥顆?？p隙間起到橋接作用并阻止微裂縫的發(fā)展，與不加膠乳液的水泥漿相比，水泥漿中加入膠乳還能夠提升水泥環(huán)與一、二界面的膠結(jié)強(qiáng)度，增強(qiáng)水泥石韌性與抗沖擊性能，保證射孔施工后孔隙光滑，水泥環(huán)的完整性[10]。不同加量膠乳液對水泥石性能的影響見表3。

表3 膠乳液加量對水泥漿性能的影響

由表3可見：膠乳液的摻入能夠顯著地提升水泥石的力學(xué)性能，特別是能夠顯著降低水泥石的彈性模量，即水泥石受外力發(fā)生脆性破壞的幾率降低。但是，膠乳液加量太大會影響水泥漿的施工性能，會有一定程度的增稠。當(dāng)膠乳液加量(w)為7.5%時，對水泥漿綜合性能提升效果較好。

2.4 降失水劑研究

水泥漿降失水劑的作用是將水泥顆粒分散并形成反絮凝效果，該反絮凝效果促使水泥漿形成一層致密的泥餅以控制失水[11]。為了篩選性能優(yōu)良的降失水劑，在降失水劑加量(w)均為5%的條件下，對不同的降失水劑進(jìn)行優(yōu)選試驗，結(jié)果見表4。

由表4可見：代號為DPT和CMS的2種降失水劑對于降低水泥漿的失水效果較好，而且相對其他試樣，這2種降失水劑還能夠改善水泥漿的流動性；但采用CMS所配制的水泥漿穩(wěn)定性相對較差，綜合考慮選取DPT作為水泥漿體系的降失水劑。

表4 降失水劑的優(yōu)選

DPT降失水劑為2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸聚合反應(yīng)后所得到分子量為中等的產(chǎn)物，該材料成本較低。為了確定DPT的最優(yōu)加量，通過室內(nèi)試驗進(jìn)行了進(jìn)一步評價，評價結(jié)果見圖2。

由圖2可見：隨著DPT加量的增大，水泥漿的失水逐漸降低；當(dāng)DPT加量(w)在5%左右時，降失水劑對水泥漿失水量降低幅度變緩。因此，DPT降失水劑的加量(w)優(yōu)選為5%。

圖2 DPT加量對水泥漿失水的影響

2.5 緩凝劑研究

稠化時間是保證固井施工安全重要的參考指標(biāo)。對于現(xiàn)場施工，在保證固井施工順利完成的前提下，要求盡可能地縮短水泥漿的稠化時間，這是為了有效避免因水泥漿的析水或失水可能導(dǎo)致氣竄或水侵等復(fù)雜情況[12]。當(dāng)井底溫度高于50 ℃時，需對水泥漿采取緩凝措施，為了篩選適用于單通道井固井水泥漿的緩凝劑，在緩凝劑加量(w)均為0.6%的條件下，在實驗室內(nèi)進(jìn)行不同緩凝劑的評價，結(jié)果見表5。

表5 緩凝劑的篩選評價

由表5可見：在緩凝劑加量相同的情況下，部分緩凝劑緩凝效果達(dá)不到要求，還有部分緩凝劑稠化轉(zhuǎn)換時間太長，不利于施工安全；而代號為HP-2的緩凝劑對水泥漿緩凝效果較好，且稠化轉(zhuǎn)換時間短，利于現(xiàn)場安全作業(yè)。因此，選取HP-2作為水泥漿體系的緩凝劑。

為了考察緩凝劑HP-2加量對水泥漿稠化性能的影響，通過室內(nèi)試驗進(jìn)行了進(jìn)一步評價，試驗結(jié)果見表6。

表6 HP-2加量對水泥漿稠化時間的影響

由表6可見：水泥漿的稠化時間隨著緩凝劑加量的增加而逐漸延長，但水泥漿從流動狀態(tài)到膠凝狀態(tài)的轉(zhuǎn)換時間均小于20 min。由于單通道井井深普遍較淺，固井施工時間一般較短，因此選取HP-2的優(yōu)選加量(w)為0.4%。

3 自修復(fù)水泥漿體系性能評價

基于上述的研究，得到的1.90 g/cm3低黏微膨脹韌性水泥漿體系的配方(w)為：100% G級水泥+42%淡水+7%流型調(diào)節(jié)劑LPG+1%膨脹劑PUB+7.5%膠乳液+5%降失水劑DPT+0.4%緩凝劑HP-2+1%消泡劑，水泥漿體系綜合性能評價結(jié)果見表7。

表7 低黏微膨脹韌性水泥漿綜合性能評價結(jié)果

由表7可見：所配制的水泥漿體系黏度較低；60 ℃測得水泥石24 h的抗壓強(qiáng)度為20.75 MPa，抗沖擊強(qiáng)度為1.73 kJ/m2，表明水泥漿凝固后具有優(yōu)良的力學(xué)特性；水泥石彈性模量低于6 GPa，說明水泥石抵御外力發(fā)生形變的能力較好；與未加入膨脹劑水泥漿體系對比，低黏微膨脹韌性水泥石穩(wěn)定后測得體積收縮減少0.12%，體現(xiàn)水泥石的微膨脹性，能夠抑制水泥石凝固后部分收縮；此外，水泥漿30 min失水量控制在38 mL以內(nèi)，表明水泥漿在井筒環(huán)境下不會出現(xiàn)快速脫水，導(dǎo)致井筒壓力變化出現(xiàn)固井施工復(fù)雜；水泥漿自由液為零，說明水泥漿穩(wěn)定性較好；水泥漿稠化時間隨著溫度的升高變短，表明水泥漿體系不會隨溫度的變化出現(xiàn)稠化時間反轉(zhuǎn)，實際施工中可以根據(jù)井底溫度對緩凝劑的加量進(jìn)行調(diào)整。綜合分析，開發(fā)的低黏微膨脹韌性水泥基體系滿足單通道井固井作業(yè)對水泥漿性能的要求。

4 結(jié)論

通過室內(nèi)試驗進(jìn)行了固井添加劑評價研究，開發(fā)了一套適用于單通道井固井用的低黏微膨脹韌性水泥漿體系。

1) 流型調(diào)節(jié)劑LPG能夠在保證水泥漿穩(wěn)定性的情況下降低水泥漿黏度；膨脹劑PUB可以有效的降低水泥漿凝固的收縮量；增韌劑膠乳液能夠使水泥石具有足夠的形變能力。

2)優(yōu)選的降失水劑DPT、緩凝劑HP-2與水泥漿配伍性較好，并能夠控制水泥漿的失水量及調(diào)節(jié)水泥漿的稠化時間。

3)低黏微膨脹韌性水泥漿體系低黏、穩(wěn)定性好；水泥石微膨脹且力學(xué)性能好；水泥漿的稠化時間可調(diào)；水泥漿性能受溫度影響小，能夠滿足單通道井對固井水泥漿性能的要求。