水泥漿防竄性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)研究

毛 平

（大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江大慶163413）

固井是石油勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)之一，也是鉆井工程中相對(duì)獨(dú)立的環(huán)節(jié)。固井質(zhì)量的好壞不僅影響后續(xù)鉆井作業(yè)，也直接影響油氣井壽命和儲(chǔ)層的采收率。油氣井固井過(guò)程中的防竄問(wèn)題一直是石油行業(yè)關(guān)注和研究的重點(diǎn)，除了在固井施工過(guò)程中做好井眼清潔、套管居中和提高頂替效率等施工措施外，水泥漿的防竄能力也是重點(diǎn)工作之一[1-2]。已有的研究成果指出：由于候凝期間水泥漿生成水化產(chǎn)物導(dǎo)致靜液柱壓力逐漸減小，當(dāng)壓力降低到與地層壓力一樣時(shí)就容易出現(xiàn)環(huán)空竄流問(wèn)題?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)也表明，即使是采用了壓穩(wěn)技術(shù)并使用穩(wěn)定性好、失水低的水泥漿體系，仍會(huì)出現(xiàn)氣竄情況[3-4]。本文通過(guò)對(duì)市面上常用的成膜類降失水劑、聚合物類降失水劑和纖維素類降失水劑配制的水泥漿體系的各項(xiàng)性能進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，以期從降失水劑角度來(lái)提高水泥漿體系的防竄效果。

1 實(shí)驗(yàn)儀器和方法

1.1 主要實(shí)驗(yàn)儀器

常壓稠化儀、高溫高壓失水儀、瓦林?jǐn)嚢杵?、水泥漿靜膠凝強(qiáng)度分析儀均為Qiandele公司儀器。

水泥為G級(jí)水泥，聚合物類、纖維素類、成膜類降失水劑等相關(guān)助劑均從生產(chǎn)廠家索取。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

水泥漿的制備及相關(guān)測(cè)試程序均按照按GB19139油井水泥試驗(yàn)方法進(jìn)行。

2 不同類型降失水劑對(duì)水泥漿防竄能力的影響分析

2.1 水泥漿基本性能

表1 為所配制的3套水泥漿體系的基本性能表，這3套體系的穩(wěn)定性、失水等基本參數(shù)均較好，避免了穩(wěn)定性和失水等其他因素對(duì)體系抗竄性能的影響，從而保障接下來(lái)的評(píng)價(jià)結(jié)果更為客觀。

表1 水泥漿基本性能表

2.2 降失水劑對(duì)水泥漿體系抗竄能力的影響分析

成膜降失水劑是使用硼酸、硼砂等無(wú)機(jī)物和PVA在一定條件下進(jìn)行交聯(lián)反應(yīng)制得的一種非離子型化合物，該類降失水劑可以很好地吸附在水泥顆粒表面，并形成較厚的吸附水化膜，失水后成膜降濾失劑還可以在濾餅中形成低滲透率的薄膜進(jìn)一步提高濾餅的致密性進(jìn)而降低失水。

共聚物降失水劑是一種多元共聚高分子化合物，它可以很好地吸附在水泥顆粒表面并形成較厚的吸附水化膜，并能形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，通過(guò)保持體系穩(wěn)定性和孔隙填充作用來(lái)降低失水速率和濾餅滲透率。

纖維素類降失水劑可通過(guò)其分子鏈上的吸附基團(tuán)吸附在水泥顆粒表面，并通過(guò)橋連作用將多個(gè)水泥顆粒聚集到一起形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，該類降失水劑對(duì)自由水也有強(qiáng)烈的束縛作用。纖維素類降失水劑具有明顯的粘溫效應(yīng)，當(dāng)溫度升高時(shí)其失水會(huì)增大。

表2 為由3類不同的降失水劑配制的水泥漿體系的抗竄結(jié)果。

表2 水泥漿抗竄實(shí)驗(yàn)表

從表2中的水泥漿啟動(dòng)壓力可知，當(dāng)水泥漿的靜凝膠強(qiáng)度達(dá)到48Pa時(shí)，使用成膜降失水劑的水泥漿啟動(dòng)壓力最高，抗竄能力相對(duì)較好，使用聚合物降失水劑和纖維素降失水劑的水泥漿幾乎沒(méi)有啟動(dòng)壓力，這種情況下，會(huì)因壓差導(dǎo)致氣竄，所以抗竄能力較差[5]。

從表2的視滲透率可以看出，使用聚合物降失水劑和纖維素降失水劑的水泥漿視滲透率較大，而使用成膜降失水劑的水泥漿視滲透率較小。這是因?yàn)楫?dāng)水泥漿的靜凝膠強(qiáng)度達(dá)到48Pa后，水泥漿的狀態(tài)發(fā)生了明顯變化，從液態(tài)逐步變?yōu)楣虘B(tài)，導(dǎo)致水泥漿內(nèi)部開(kāi)始逐步出現(xiàn)孔徑大小不同的微孔，使其滲透率增高。雖然3套體系的API失水均在50mL以內(nèi)，但由于其降失水機(jī)理不同，導(dǎo)致其濾餅的致密程度也有所不同，所以會(huì)出現(xiàn)啟動(dòng)壓力和視滲透率的差異。

當(dāng)水泥漿的靜膠凝強(qiáng)度達(dá)到240Pa時(shí)，三種降失水劑配制的水泥漿體系的啟動(dòng)壓力均高于48Pa的啟動(dòng)壓力。其中仍然是使用成膜降失水劑的水泥漿啟動(dòng)壓力最高，其他兩種降失水劑配制的水泥漿體系的啟動(dòng)壓力差距不大，主要原因仍然是成膜降失水劑體系的致密性好，抗竄能力強(qiáng)。

當(dāng)水泥漿的靜膠凝強(qiáng)度達(dá)到240Pa時(shí)，三種降失水劑配制的水泥漿體系的視滲透率均低于48Pa的視滲透率。其中成膜降失水劑的水泥漿體系的視滲透率最低。

表3 為不同水泥漿體系的失水性能表。

表3 不同水泥漿體系的失水相關(guān)性能

從表3的數(shù)據(jù)分析可知，成膜降濾失劑通過(guò)在濾餅中形成低滲透率的薄膜，從而有效降低了失水速率，形成的膜較為穩(wěn)定，在較高的壓差下氣體也不能侵入，所以有較強(qiáng)的抗氣竄能力。聚合物類降失水劑主要通過(guò)提高液相粘度和在水泥顆粒表面形成吸附水化膜，在失水的過(guò)程中具有較厚吸附水化膜的水泥顆粒進(jìn)入濾餅中形成封堵，進(jìn)而降低滲透率，但以此原理形成的濾餅相對(duì)較厚，30min后仍有濾失，當(dāng)發(fā)生氣竄后，這樣的濾餅抗竄能力差，容易被沖蝕從而使濾餅形成大量空隙，進(jìn)而導(dǎo)致氣竄的進(jìn)一步加劇。纖維素類降失水劑也是通過(guò)提高濾液的液相粘度和在水泥顆粒表面形成吸附水化膜來(lái)降低失水，并且其形成的泥餅疏松且厚，在30min后也無(wú)法完全控制濾失，也無(wú)法阻止氣竄的發(fā)生，因此該水泥漿體系幾乎沒(méi)有啟動(dòng)壓力。

通過(guò)上述的分析可以看出，不同類型的降失水劑對(duì)水泥漿的滲透率發(fā)展有顯著的影響。在靜膠凝強(qiáng)度為48Pa時(shí)，成膜降失水配制的水泥漿體系表現(xiàn)最為突出，有較高的啟動(dòng)壓力，其余兩種降失水劑配制的水泥漿體系相差不多。當(dāng)靜膠凝強(qiáng)度為240Pa時(shí)，水泥漿基體的致密性產(chǎn)生了更為重要影響，從視滲透率和啟動(dòng)壓力的變化可知，三種水泥漿體系的抗竄能力區(qū)別不大。

3 結(jié)論及建議

（1）從降失水機(jī)理分析可以得知，共聚物降失水劑和纖維素降失水劑主要通過(guò)形成吸附水化膜和形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)來(lái)封堵濾餅空隙和吸附自由水來(lái)降低失水，成膜降濾失劑除上述作用外還可以在濾餅中形成低滲透率的薄膜從而進(jìn)一步提高濾餅的致密性。

（2）當(dāng)水泥漿的靜凝膠強(qiáng)度達(dá)到48Pa時(shí)，使用成膜降失水劑的水泥漿啟動(dòng)壓力最高，使用聚合物降失水劑和纖維素降失水劑的水泥漿幾乎沒(méi)有啟動(dòng)壓力，這種情況下，會(huì)因壓差導(dǎo)致氣竄，所以抗竄能力較差。

（3）當(dāng)靜膠凝強(qiáng)度為240Pa時(shí)，水泥漿基體的致密性產(chǎn)生了更為重要影響，從視滲透率和啟動(dòng)壓力的變化可知，三種水泥漿體系的抗竄能力區(qū)別不大。