小井眼井固井柔性水泥漿體系研究*

趙 俊 ，梅文博 ，夏忠躍 ，解健程 ，姜 磊

（1.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司，北京100016；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司，天津300452）

對于一些中小型或邊際油氣田來說，單井產(chǎn)量不高，對井眼尺寸及井下工具的要求也相對較低，若使用傳統(tǒng)鉆完井設(shè)計會造成不必要的浪費[1,2]。20 世紀(jì)90 年代以來，BP 公司將小井眼技術(shù)作為其勘探技術(shù)手段，節(jié)省費用超過40%。

在國內(nèi)的臨興-神府區(qū)塊，由于地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、機械鉆速低的問題，通過對井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、鉆頭設(shè)計及鉆井液體系優(yōu)化等方面研究，形成了適用于臨興-神府致密氣井的小井眼高效鉆井技術(shù)，并在中海油致密氣開發(fā)中進行了應(yīng)用，縮短鉆井周期59.1%，機械鉆速提高56.2%。

但在小井眼鉆井開發(fā)過程中，由于小井眼井固井時存在小套管易彎曲、居中度低，且環(huán)空間隙小，水泥環(huán)薄等問題[3]，因此，對固井水泥漿體系的性能提出了更高的要求。研究表明，小井眼井固井要求水泥漿體系具有較好的流變性和較高的穩(wěn)定性、低失水高彈韌性，且稠化時間可調(diào)[4]。

針對小井眼井固井技術(shù)存在的難點，為了研發(fā)適用于小井眼井固井的水泥漿體系，室內(nèi)研究了一系列固井水泥漿添加劑，構(gòu)建了用于小井眼井固井的柔性水泥漿體系，并對水泥漿體系性能進行了評價。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

G 級油井水泥（嘉華特種水泥廠）；消泡劑RF51L、彈性乳液、緩凝劑HNA、增強劑CE50（湖北江漢石油技術(shù)有限公司）；纖維（滄州中麗新材料科技有限公司）；降失水劑WLR-80、分散劑RD40L，實驗室自制。

1.2 實驗方法

依據(jù)GB/T 19139-2012《油井水泥試驗方法》中的實驗方法對水泥漿性能進行評價。

2 結(jié)果與討論

2.1 降失水劑的選擇

水泥漿降失水劑的配套選擇是水泥漿體系建立的基礎(chǔ)，降失水劑通過提高水泥漿粘度、降低濾餅滲透性等作用降低水泥漿的失水量[5,6]。為了研究性能較好的降失水劑，對不同的降失水劑進行了系統(tǒng)的評價研究，實驗溫度為80℃，實驗結(jié)果見表1。

表1 降失水劑的性能評價Tab.1 Performance evaluation of filtrate reducer

由表1 可以看出，WLR-80 和JSD 具有較好的降濾失效果，但降失水劑JSD 配制的水泥漿穩(wěn)定性較差。綜合考慮降失水劑的作用效果，選擇對水泥漿流變性影響小且漿體穩(wěn)定的WLR-80 作為水泥漿體系的降失水劑。

降失水劑WLR-80 是AA/AMPS 共聚而成的低粘聚合物。為研究降失水劑WLR-80 對水泥漿失水量的影響，室內(nèi)進行了進一步評價，實驗結(jié)果見圖1。

圖1 WLR-80 對失水量影響Fig.1 Effect of WLR-80 on water loss

由圖1 看出，不同加量的降失水劑WLR-80 均能降低水泥漿的失水量，且水泥漿的失水量隨WLR-80 的加量增加而減小。當(dāng)降失水劑加量超過4%時，失水量降低幅度減小。

2.2 緩凝劑的選擇

水泥漿的稠化性能與水泥漿的施工安全性密切相關(guān)。對于大多數(shù)的水泥漿體系都需要進行緩凝處理，緩凝劑通過表面吸附或生成表面沉淀的方式起到緩凝作用[7,8]。為研究適用于小井眼井固井的水泥漿體系，室內(nèi)研究了不同緩凝劑水泥漿的稠化性能，實驗溫度80℃，實驗結(jié)果見表2。

表2 緩凝劑性能評價Tab.2 Performance evaluation of retarder

由表2 可以看出，大多數(shù)緩凝劑在中低溫條件下，要么緩凝效果不佳，要么轉(zhuǎn)化時間較長，但加入HNA 緩凝劑的水泥漿顯示了較好的稠化性能，稠化轉(zhuǎn)化時間短，體系選取HNA 作為緩凝劑。

為研究緩凝劑HNA 對水泥漿性能的影響，室內(nèi)進行了進一步評價，實驗結(jié)果見表3。

表3 HNA 加量對水泥漿性能影響Tab.3 Effect of HNA dosage on properties of cement slurry

由表3 可以看出，HNA 的延長水泥漿稠化時間的效果穩(wěn)定，稠化時間可調(diào)，而且稠化轉(zhuǎn)化時間均小于20min。當(dāng)加量大于0.6%時，稠化時間延長幅度降低。

2.3 分散劑的選擇

分散劑的作用是促使水泥顆粒均勻地分散在水中，同時使水泥漿在低水灰比的情況下，依然保持可泵性[9-11]。小井眼井由于環(huán)空間隙小，對水泥漿流變性要求更高。室內(nèi)研究了幾種分散劑對水泥漿流變性的影響，實驗結(jié)果見表4。

表4 分散劑性能評價Tab.4 Performance evaluation of dispersant

表4 結(jié)果表明，D49L 和RD40L 都具有較好的流變性控制能力，但加入RD40L 的水泥漿失水量較小，說明了RD40L 分散劑優(yōu)異的分散性能，且對水泥漿性能影響較小。

為研究分散劑RD40L 對水泥漿性能的影響，室內(nèi)進行加量評價，實驗結(jié)果見表5。

表5 RD40L 對體系流變性能的影響Tab.5 Effect of RD40L on rheological properties of the cement slurries

表5 結(jié)果表明，水泥漿體系的流變讀數(shù)隨著分散劑RD40L 的加量增加而變小，但考慮到水泥漿的懸浮穩(wěn)定性，在保證水泥漿分散性的前提下，分散劑的加量應(yīng)不超過1%。

2.4 增強劑的優(yōu)選

為研究水泥漿合適的增強劑，室內(nèi)評價了超細(xì)礦渣、粉煤灰、微硅以及混合增強劑CE50 對水泥石抗壓強度的影響，實驗結(jié)果見表6。

表6 增強劑性能評價Tab.6 Performance evaluation of reinforcing agent

表6 結(jié)果表明，相比3 種常規(guī)增強劑，CE50 在中低溫條件下對水泥漿體系的增強效果更為明顯。所以，體系選取CE50 作為增強劑。

為研究增強劑CE50 對水泥漿性能的影響，室內(nèi)進行了進一步評價，實驗結(jié)果見圖2。

圖2 CR50 對抗壓強度影響Fig.2 Effect of CR50 on compressive strength

由圖2 可見，CE50 明顯提高了水泥石的強度性能，但隨CE50 加量增加，體系的抗壓強度增長幅度明顯降低。所以，在滿足強度性能的前提下，應(yīng)控制其加量。

2.5 柔性材料的優(yōu)選

柔性材料是設(shè)計柔性水泥漿體系必不可少的添加劑材料。室內(nèi)選取幾種常用的柔性材料，并與彈性乳液和纖維組成的復(fù)合柔性材料進行對比，評價了不同柔性材料水泥漿的力學(xué)性能，結(jié)果見表7。

表7 柔性材料性能評價Tab.7 Performance evaluation of flexible materials

表7 的結(jié)果表明，幾種柔性材料都不同程度的降低了水泥石的抗壓強度，提高了水泥石的抗沖擊強度，降低了水泥石的彈性模量，柔性材料組成的水泥漿體系比空白水泥漿體系的彈韌性更好。當(dāng)纖維與彈性乳液同時加入時，水泥漿體系的抗沖擊強度和彈性模量性能更好，因此，選擇纖維與彈性乳液混合作為柔性材料建立柔性水泥漿體系。

3 柔性水泥漿體系性能研究

通過上述添加劑研究，構(gòu)建的柔性水泥漿體系配方為：100%JH/G +42%淡水+1%消泡劑RF51L+4%彈性乳液+0.3%纖維+4%降失水劑WLR-80+1%分散劑RD40L+0.6%緩凝劑HNA+2%增強劑CE50（密度 1.9g·cm-3）。

3.1 水泥漿常規(guī)性能

室內(nèi)針對研究的柔性水泥漿體系，在不同溫度下對水泥漿體系常規(guī)性能進行了評價，實驗結(jié)果見表8。

表8 水泥漿體系常規(guī)性能Tab.8 Conventional performance of cement slurry system

從表8 結(jié)果看出，構(gòu)建的復(fù)合柔性水泥漿在不同的溫度下均具有較好的常規(guī)性能，水泥漿的Φ300實驗結(jié)果都小于300，失水量小于50mL,稠化時間為3～5h，無自由液且沒有上下密度差。實驗結(jié)果表明，柔性水泥漿體系流變性好，失水量低，漿體穩(wěn)定，稠化時間滿足固井要求。

3.2 水泥石力學(xué)性能

針對小井眼井進行固井，除了要求水泥漿體系具有較好的常規(guī)性能外，還要求水泥漿體系力學(xué)性能優(yōu)異，達(dá)到長期封固環(huán)空的目的。室內(nèi)對不同溫度下水泥石的力學(xué)性能進行評價，實驗結(jié)果見表9。

表9 水泥石力學(xué)性能Tab.9 Mechanical properties of cement paste

從表9 可以看出，不同溫度下柔性水泥漿抗壓強度都大于25MPa，抗折強度大于6MPa，抗沖擊強度達(dá)到 2kJ·m－2以上，且彈性模量小于 6GPa。實驗結(jié)果表明，不同溫度下柔性水泥石力學(xué)性能都較好。抗壓強度滿足固井要求，且抗折強度和抗沖擊強度較高，彈性模量低，構(gòu)建的柔性水泥漿體系具有較好的彈韌性。

4 結(jié)論

（1）研究的降失水劑、緩凝劑、分散劑、增強劑能顯著降低水泥漿失水量，延長稠化時間，提高水泥漿流變性和抗壓強度。

（2）彈性乳液與纖維組成的復(fù)合柔性材料能顯著提高水泥漿的力學(xué)性能，增強其彈韌性。

（3）構(gòu)建的柔性水泥漿體系在不同溫度下流變性較好，漿體穩(wěn)定，失水量低，稠化時間和抗壓強度滿足固井要求，且水泥石的力學(xué)性能優(yōu)異，具有較好的彈韌性。