纖維水泥漿體系防漏性能評價及作用機制

華蘇東，姚 曉，諸華軍，張 亮

(南京工業(yè)大學材料科學與工程學院，江蘇南京 210009)

纖維水泥漿體系防漏性能評價及作用機制

華蘇東，姚 曉，諸華軍，張 亮

(南京工業(yè)大學材料科學與工程學院，江蘇南京 210009)

在固井過程中遇到孔洞型或裂縫型漏失地層時，水泥漿會漏失低返，造成環(huán)空流速下降，降低頂替效率、影響膠結(jié)質(zhì)量和油氣井產(chǎn)能。運用自制設備評價多種防漏水泥漿體系的性能，并分析S90水泥漿體系防漏機制。結(jié)果表明:S90纖維水泥漿體系模擬堵塞3 mm孔板和縫板，5 MPa可承壓10 min;在S90纖維水泥漿體系中加入特種黏結(jié)劑KE50后，模擬堵塞4 mm孔板和縫板，7 MPa可承壓10 min;在水泥漿漏失過程中，S90體系中長纖維、短纖維和特種黏結(jié)劑形成致密的、牢固的纖維網(wǎng)格，減慢和阻止水泥漿體通過，在裂縫周圍形成致密的濾餅后防漏效果顯著;凈漿、膠乳水泥漿和低密度水泥漿無防漏作用。

固井;油井水泥;纖維;水泥漿漏失;防漏性能

漏失是指在鉆井、完井和修井施工中全部或者部分鉆井液、完井液或水泥漿進入地層。根據(jù)地層特征，漏失可分為滲透型漏失、孔洞型漏失、裂縫型漏失和裂縫－孔隙型漏失［1-4］。固井水泥漿發(fā)生漏失，不能按照設計要求封隔地層，造成環(huán)空流速下降，影響頂替效率和膠結(jié)質(zhì)量，致使地下流體層間互竄。另外，水泥漿漏失到產(chǎn)層，對油氣層產(chǎn)生污染，影響油氣產(chǎn)能，并導致油氣井失控［5-8］。根據(jù)纖維搭橋作用機制，S90復合纖維體系中的纖維可以搭橋阻止水泥漿的漏失。筆者對普通降失水儀進行改造，并對S90水泥漿體系防漏機制［9-12］進行分析。

1 試驗原料與儀器

原料包括:G級油井水泥(江南水泥廠);KH500纖維分散劑(四川);KE200降濾失劑(南京);JR丁苯膠乳(市售);S90復合纖維體系(自制);KE50特種黏結(jié)劑(自制);漂珠PZ(市售)。S90復合纖維體系中，長度0～1 mm、1～2 mm和大于2 mm的纖維含量分別為60%～70%、10%～20%、0～10%，其中特種化纖占10%～20%，特種礦纖占80%～90%。

儀器包括:自制模擬防漏試驗裝置，1 mm孔板(60個孔)和縫板(20 mm×1 mm)、2 mm孔板(40個孔)和縫板(20 mm×2 mm)、3 mm孔板(20個孔)和縫板(20 mm×1 mm)、4 mm孔板(10個孔)和縫板(20 mm×2 mm)。其中3 mm縫板和孔板見圖1。

圖1 3mm孔板和縫板Fig.1 3 mm hole and crack plate

2 試驗方法

(1)制漿。方法1:根據(jù)API規(guī)范［13］制漿，水灰比為0.44，外加劑采取外摻法;方法2:手動攪拌5 min，水灰比為0.44，外加劑采取外摻法。

(2)防漏性能測試。在80℃、0.1 MPa的條件下，將配置好的500 mL(920 g)水泥漿在稠化儀中攪拌20 min后裝入圓筒中;接上氮氣源，以0.5 MPa/min的速度加壓，壓力升到7 MPa后憋壓10 min，卸壓并拆除裝置;測量流出液體和漿筒中水泥柱的質(zhì)量。

3 結(jié)果分析

對凈漿(J)、膠乳水泥漿(JR)和不同纖維水泥漿進行防漏性能評價，濾液質(zhì)量和保存在漿筒中水泥柱質(zhì)量用來評價材料的防漏效果，濾液質(zhì)量小且漿筒中水泥柱質(zhì)量高，則防漏效果好。由于復配纖維中高彈模纖維很容易被瓦楞攪拌機高速旋轉(zhuǎn)(2000 r/min)的漿葉打斷，使得復配纖維中長纖維的數(shù)量減少，而在實際固井時采用高壓噴射混合水泥漿，不會因打斷纖維而影響長纖維的數(shù)量，故試驗分別對機攪和手攪水泥漿進行防漏性能評價。不同水泥漿體系模擬堵塞孔板和縫板試驗結(jié)果見表1。

表1 不同水泥漿體系模擬堵塞孔洞和縫板試驗結(jié)果Table 1 Test results of different slurries simulation plugging hole plate and crack plate

續(xù)表1

由表1可知，凈漿、膠乳水泥漿和低密度水泥漿在一定的層壓下無防漏作用，使用1 mm的孔板和縫板進行模擬試驗時，水泥漿全部漏失。相同的纖維水泥漿體系，采用兩種制備方法(機攪和手攪)，模擬堵塞相同尺寸的孔板和縫板，手攪制備水泥漿的防漏性能明顯優(yōu)于機攪制備水泥漿的防漏性能。S90水泥漿體系具有優(yōu)異的防漏性能，在相同的配漿條件下，使用相同尺寸的孔板和縫板進行模擬試驗時，其濾液質(zhì)量較小，保留在漿筒內(nèi)的水泥柱質(zhì)量較大。用S90水泥漿體系(配方3)模擬堵塞3 mm孔板和縫板時，5 MPa下可承壓10 min，濾液質(zhì)量分別為552和584 g，保留在漿筒內(nèi)的水泥柱質(zhì)量分別為368和336 g;模擬堵塞4 mm孔板和縫板時，2.5 MPa下可承壓10 min。在S90水泥漿體系中加入特種黏結(jié)劑KE50(配方4)，模擬堵塞4 mm孔板和縫板時，7 MPa下可承壓10 min，濾液質(zhì)量分別為494和625 g，保留在漿筒內(nèi)的水泥柱質(zhì)量分別為426和295 g，防漏效果優(yōu)異。

4 S90水泥漿體系防漏機制

隨著壓力不斷增加，纖維水泥漿不斷從孔洞或者裂縫流出，在流動過程中，長纖維難以通過孔洞或裂縫，不斷在孔洞或裂縫處聚集且亂向分布，形成纖維網(wǎng)(見圖2)。短纖維填充纖維網(wǎng)格，無機長纖維吸附水泥顆粒，特種黏結(jié)劑KE50提高了纖維之間、纖維與水泥顆粒之間的黏接性能，纖維網(wǎng)格變得更致密和牢固，減慢了水泥漿體通過速率，阻止水泥顆粒通過纖維網(wǎng)格。隨著部分濾液不斷流失和水泥漿體的水化，纖維水泥漿稠度增加，在孔洞和裂縫周圍形成致密的濾餅后(圖3、4)，堵漏成功。

圖2 纖維堵塞孔洞和裂縫示意圖Fig.2 Sketch map of fiber plugging the hole and crack

圖3 模擬堵塞3 mm孔板Fig.3 Simulation plugging 3 mm hole plate

圖4 模擬堵塞3 mm縫板Fig.4 Simulation plugging 3 mm crack plate

5 結(jié)論

(1)凈漿、膠乳水泥漿和低密度水泥漿無防漏作用，使用1 mm的孔板和縫板進行模擬試驗時水泥漿全部漏失。相同的纖維水泥漿體系，采用兩種制備方法(機攪和手攪)模擬堵塞相同尺寸的孔板和縫板，手攪制備的水泥漿的防漏性能明顯優(yōu)于機攪水泥漿。

(2)S90水泥漿體系模擬堵塞3 mm孔板和縫板時，5 MPa可承壓10 min，濾液質(zhì)量分別為552和584 g，保留在漿筒內(nèi)的水泥柱質(zhì)量分別為368和336 g。在 S90水泥漿體系中加入特種黏結(jié)劑KE50，模擬堵塞4 mm孔板和縫板，7 MPa可承壓10 min，濾液質(zhì)量分別為494和625 g，保留在漿筒內(nèi)的水泥柱質(zhì)量分別為426和295 g，防漏效果優(yōu)異。

(3)短纖維填充纖維網(wǎng)格，無機長纖維吸附水泥顆粒，特種黏結(jié)劑KE50提高了纖維之間、纖維與水泥顆粒之間的黏接性能，纖維網(wǎng)格變得更致密和牢固，減慢了水泥漿體通過速率，阻止水泥顆粒通過纖維網(wǎng)格。隨著部分濾液不斷流失和水泥漿體的水化，纖維水泥漿稠度增加，在孔洞和裂縫周圍形成致密的濾餅后，堵漏成功。

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Anti-lost-circulation performance evaluation and function mechanism of fiber slurry system

HUA Su-dong，YAO Xiao，ZHU Hua-jun，ZHANG Liang

(College of Materials Science and Engineering in Nanjing University of Technology，Nanjing210009，China)

The lost circulation of slurry appears frequently when the vuggy formation and crack formation are encountered during cementing.Lost circulation of slurry will decrease the annular velocity，the displacement efficiency，performance of interface bonding and oil well productivity.The performances of several kinds of anti-lost-circulation slurry systems were evaluated by self-made equipment，and the anti-lost-circulation mechanisms of S90 slurry were analyzed.The results show that the S90 fiber slurry system could plug 3 mm hole and crack plate，and it can bear the pressure of 5 MPa for 10 minutes.The S90 slurry system added special bonding element KE50 could plug 4 mm hole and crack plate，and it can bear the pressure of 7 MPa for 10 minutes.During the process of lost circulation of slurry，the long fibers，short fibers and cement could form tight and fast fiber net，which can slow and prevent slurry passing.A tight filter cake is formed around fractures，so the antilost-circulation effect is good.While the clean slurry，latex slurry and low-density slurry have no anti-lost-circulation effect.

cementing;oil-well cement;fiber;slurry lost circulation;anti-lost-circulation performance

TU 473.1

A

10.3969/j.issn.1673-5005.2012.01.028

1673-5005(2012)01-0158-04

2011－09－03

國家“863”高新技術計劃項目(2003AA327120);江蘇省企業(yè)博士基金項目(SBK200930213)

華蘇東(1981－)，男(漢族)，江蘇淮安人，副教授，博士，研究方向為油井水泥固井外加劑。

(編輯 劉為清)