超細(xì)水泥封堵漿性能研究與應(yīng)用

李秀妹，王 野，任 強(qiáng)，郭明紅，王 綺，楊豫杭，趙秋羽，張麗華

（渤海鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院，河北任丘 062552）

目前油水井封堵工藝漸趨成熟，儲(chǔ)層底部滲透性地層采用井筒注水泥塞或套管射孔管外擠水泥來(lái)確保填充質(zhì)量及密封性；儲(chǔ)層采用水泥擠封井筒周圍，確保儲(chǔ)層封堵半徑的密封性；蓋層封堵采用套管水泥塞或套管鍛銑井筒水泥塞封堵，切斷流體上竄的通道[1-4]。儲(chǔ)層擠封堵，一般都采用超細(xì)水泥，由于超細(xì)水泥粒徑小，可以侵入到常規(guī)水泥不能到達(dá)的區(qū)域，具有較好的封堵效果[5，6]。但實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，如果超細(xì)水泥的選擇或使用不當(dāng)，會(huì)直接影響封堵的效果，少數(shù)老井在實(shí)施封堵后，井口出現(xiàn)冒油冒氣的現(xiàn)象。本文從提高超細(xì)水泥的穿透能力及改善界面膠結(jié)強(qiáng)度出發(fā)，提高封堵的成功率，保證封堵質(zhì)量。

1 試驗(yàn)材料及儀器

1.1 材料

G 級(jí)水泥，超細(xì)水泥，油井水泥分散劑ZF-1，油井水泥降失水劑ZJ-5，油井水泥氮?dú)馀蛎泟㈱P-2。

1.2 儀器

HORIBA-920C 型激光粒度儀，十二速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，水泥漿靜失水儀，壓力試驗(yàn)機(jī)，滲透率儀，堵漏模擬儀。

2 室內(nèi)研究

2.1 超細(xì)水泥粒徑優(yōu)選

使用激光粒度儀對(duì)G 級(jí)水泥和2 種超細(xì)水泥進(jìn)行粒度測(cè)定，對(duì)比情況（見(jiàn)表1）。通過(guò)測(cè)定可知，G 級(jí)水泥平均粒徑為50.5 μm，超細(xì)水泥-A、超細(xì)水泥-B平均粒徑大約在5 μm，約為G 級(jí)水泥平均粒徑的十分之一。兩種超細(xì)水泥的平均粒徑較接近，但從D90、Dmax的數(shù)據(jù)可以看出，超細(xì)水泥-B 粒徑分布較廣，最大的顆粒達(dá)到平均粒徑的23 倍，不利于進(jìn)入地層的微細(xì)孔道。

表1 不同水泥顆粒粒徑對(duì)比

2.2 超細(xì)水泥流變性能

超細(xì)水泥-A 粒徑小、比表面積大、水化速度快，隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，黏度迅速增加，如果不能得到有效控制，會(huì)影響漿體的流變性，使?jié){體不能深入待封地層，影響封堵效果。

選用磺化醛酮縮合物分散劑ZF-1，ZF-1 分子中含有的-OH、-SO3H 等基團(tuán)通過(guò)吸附作用及空間位阻效應(yīng)使水泥顆粒得到有效分散。同時(shí)選用具有分散功能的聚合物降失水劑ZJ-5，ZJ-5 分子中含有大量的-CONH2、-SO3H 及-COOH 等基團(tuán)，通過(guò)吸附及水化作用，使大分子包裹在水泥顆粒表面，防止水泥顆粒間的相互聚結(jié)，改善了漿體的流變性；同時(shí)形成一層吸附水化膜，將自由水包裹起來(lái)，防止自由水析出，增加了漿體的穩(wěn)定性。

表2 超細(xì)水泥流變性能

從表2 可以看出，在0.6～0.8 的水灰比下，超細(xì)水泥漿體稠度系數(shù)小，流變性能好，漿體黏度適中，可以有效懸浮固相顆粒。

2.3 超細(xì)水泥穿透能力

水泥漿的穿透能力決定了封堵效果。較小的顆粒直徑以及良好的流變性能有利于提高漿體的穿透能力。將加有分散劑ZF-1 及降失水劑ZJ-5 的超細(xì)水泥-A 的漿體進(jìn)行了穿透能力測(cè)試，并與G 級(jí)水泥的穿透效果進(jìn)行了對(duì)比。

2.3.1 孔隙通過(guò)能力評(píng)價(jià) 為了考察不同水泥對(duì)地層孔隙的穿透能力，采用自制簡(jiǎn)易砂床，將超細(xì)水泥-A與G 級(jí)水泥分別配制成水泥漿，各取50 mL 同時(shí)倒入砂床中，30 min 后測(cè)量水泥漿侵入砂床的深度。

由圖1 可以看出，水泥漿剛倒入砂床時(shí)（左：超細(xì)水泥-A，右：G 級(jí)水泥），超細(xì)水泥-A 已經(jīng)開(kāi)始侵入砂床的邊緣，30 min 后，超細(xì)水泥-A 侵入砂床約1 cm，G級(jí)水泥基本未侵入砂床。從常壓下兩種水泥對(duì)砂床孔隙侵入的情況來(lái)看，超細(xì)水泥-A 明顯優(yōu)于普通G 級(jí)水泥。

為了更準(zhǔn)確地測(cè)定水泥漿對(duì)孔隙的穿透能力，將砂床鋪在水泥漿靜失水儀的下部，上部分別倒入兩種水泥漿，加壓6.9 MPa，再次觀察水泥漿侵入砂床的情況。

試驗(yàn)結(jié)束后，打開(kāi)靜失水儀濾失筒（見(jiàn)圖2），可以看到，G 級(jí)水泥漿體未通過(guò)砂床，只在水泥與砂床的交界處形成了一層厚約0.3 cm 的濾餅，而超細(xì)水泥-A完全穿透砂床，與砂床融為一體。

2.3.2 窄縫通過(guò)能力評(píng)價(jià) 為了模擬水泥漿通過(guò)窄縫的能力，利用堵漏模擬裝置中帶割縫的過(guò)濾板（見(jiàn)圖3），將縫寬調(diào)整至0.1 mm，在壓力7 MPa 下，分別將G級(jí)水泥及超細(xì)水泥-A 倒入試驗(yàn)筒中，測(cè)試漿體的通過(guò)率（見(jiàn)表3）。

圖1 常壓下不同水泥穿過(guò)砂床的情況

圖2 加壓下不同水泥穿過(guò)砂床的情況

圖3 堵漏模擬儀漿筒及割縫過(guò)濾板

表3 水泥通過(guò)縫板的穿透能力

從表3 數(shù)據(jù)可知，超細(xì)水泥-A 基本全部穿過(guò)微小縫隙，且未發(fā)生橋堵現(xiàn)象，與G 級(jí)水泥相比，具有極好的穿透能力。

2.4 水泥漿膠結(jié)性能研究

界面膠結(jié)強(qiáng)度是評(píng)價(jià)水泥環(huán)界面膠結(jié)質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)[7，8]。通過(guò)油水井膠結(jié)界面處微觀結(jié)構(gòu)的研究發(fā)現(xiàn)，界面膠結(jié)強(qiáng)度直接影響封堵質(zhì)量的好壞[9]。而水泥硬化后的體積收縮是影響膠結(jié)強(qiáng)度的主要因素之一[10]。為了解決水泥石體積收縮問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)發(fā)出了一系列膨脹水泥，通過(guò)凝固過(guò)程中的體積微膨脹，產(chǎn)生化學(xué)預(yù)應(yīng)力，從而增加界面的膠結(jié)強(qiáng)度。晶格膨脹劑是目前常用的一類膨脹劑，但它會(huì)使水泥石的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，生成大量無(wú)黏結(jié)性能的晶體，影響水泥的化學(xué)膠著力，反而使膠結(jié)強(qiáng)度降低[11]。

為了解決這一矛盾，選用氮?dú)馀蛎泟㈱P-2 來(lái)提高水泥的界面膠結(jié)強(qiáng)度，從而保證封堵的嚴(yán)密性。氮?dú)馀蛎泟┯珊袡C(jī)物、穩(wěn)定劑和惰性材料組成，在一定溫度下會(huì)產(chǎn)生微小的氣泡，均勻地分散在水泥漿中，增大水泥石的體積。氮?dú)馀蛎泟┎粎⑴c水泥顆粒的水化反應(yīng)，不影響膠結(jié)薄弱界面處晶體的產(chǎn)生，通過(guò)增加水泥石與套管之間的擠應(yīng)力提高界面膠結(jié)強(qiáng)度。

將含有不同加量氮?dú)馀蛎泟┑乃酀{分別倒入界面膠結(jié)強(qiáng)度測(cè)定的圓環(huán)中，50 ℃養(yǎng)護(hù)24 h，在壓力機(jī)上進(jìn)行測(cè)定[12]（見(jiàn)表4）。

從表4 的數(shù)據(jù)可以看出，隨著膨脹劑加量的增大，水泥石的界面膠結(jié)強(qiáng)度增大，抗壓強(qiáng)度沒(méi)有明顯變化。從滲透率的測(cè)試來(lái)看，氮?dú)馀蛎泟┊a(chǎn)生的氣體雖然會(huì)增大水泥石的孔隙，但由于氣泡是分散的、不連貫的，隔斷了水泥石孔隙的連通性，反而使?jié)B透率有所下降。

表4 膨脹劑不同加量下水泥石的性能

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)例

霸107X 井是一口三開(kāi)井，目的層懸掛尾管、射孔完井。因京雄鐵路占?jí)?，為保證鐵路施工，需要將該井進(jìn)行封堵。共有三個(gè)射孔層：1 794.4 m～1 805 m、1 824 m～1 827 m、1 849 m～1 856.4 m，按要求首先對(duì)射孔層進(jìn)行封堵。封堵工藝為：下水泥承留器至1 727 m，擠注清水記錄吸入量；連接地面管匯、試壓25 MPa，無(wú)刺漏，下管柱至1 720 m，正替前隔離液0.5 m3、超細(xì)水泥6 m3左右，使水泥漿位于管柱出口附近，然后將中心管插入水泥承留器，正擠超細(xì)水泥4 m3～6 m3，壓力不超過(guò)最高擠注壓力20 MPa；拔出中心管，關(guān)閉承留器，繼續(xù)注入超細(xì)水泥，將剩余超細(xì)水泥留在承留器以上，根據(jù)剩余水泥漿量計(jì)算頂替量，然后起出全部管柱；關(guān)井候凝48 h 后探塞，試壓合格，該井?dāng)D封一次成功。

應(yīng)用該超細(xì)水泥技術(shù)，2019 年共完成封堵施工10余井次，施工成功率100 %，取得了較好的應(yīng)用效果。

4 結(jié)論

（1）粒徑小、分布范圍窄、流變性好的超細(xì)水泥可以完全進(jìn)入地層微細(xì)孔道，達(dá)到封堵目的。

（2）使用氮?dú)馀蛎泟┛梢蕴岣呓缑婺z結(jié)強(qiáng)度，降低水泥石滲透率，保證封堵的長(zhǎng)期有效性。

（3）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，該超細(xì)水泥技術(shù)封堵成功率100 %，應(yīng)用效果良好。