遇油膨脹水泥漿體系的研究及應用

練欽　(中石化勝利石油工程有限公司渤海鉆井總公司，山東 東營 257200)

遇油膨脹水泥漿體系的研究及應用

練欽(中石化勝利石油工程有限公司渤海鉆井總公司，山東 東營 257200)

[摘要]隨著鉆井技術的不斷提高，各種復雜井、長封固段井、大位移井和非常規頁巖井的固井過程中，由于鉆井液中混入的油基物質，使套管和井壁表面形成油膜，影響了水泥石雙界面的膠結強度，同時也影響著水泥漿的流動性、稠化時間、靜膠凝強度和水泥石強度的發展，最終導致水泥漿頂替效率低、壓穩失效以及水泥石本身強度和界面膠結強度差，在水泥漿凝固期間發生油氣竄，造成層間封隔失敗。針對這些問題優選出具有緩水性包衣材料的高吸油樹脂和礦物質作為膨脹劑，設計出遇油膨脹水泥漿體系。該水泥漿體系能實現水泥石微間隙或微裂縫的遇油自修復，提高水泥環的膠結強度，阻止地層油氣的竄流，實現水泥石的長期完整性。在勝利油田樁西、車西2個油區進行現場試驗，油基鉆井液有助于提高固井質量。

[關鍵詞]遇油膨脹；膨脹水泥；水泥漿；水泥漿膠凝；界面膠結；固井質量

勝利油田經過多年的開發，逐漸向難動用、非常規方向發展，大斜度井、水平井所占的比例近35%。而大斜度井、水平井在鉆井過程中多使用油基鉆井液或在鉆井液中混入原油來提高鉆井液性能，維護井壁、提高鉆進速度和鉆井成功率。鉆井液中混入的油基物質，使套管和井壁表面形成油膜，不易被水泥漿頂替，影響了水泥石雙界面的膠結強度；在注水泥過程中，未被前置液頂替干凈的油基物質混入水泥漿中，影響水泥漿的流動性、稠化時間、靜膠凝強度和水泥石強度的發展，最終導致水泥漿頂替效率低、壓穩失效以及水泥石本身強度和界面膠結強度差[1~6]。通過多年的研究實踐，目前使用的可壓縮水泥漿(水泥漿中加入可壓縮材料或者加入惰性發氣劑使水泥漿在高壓時體積收縮，在環空靜液柱壓力下降時體積膨脹)，是利用金屬氧化物結晶膨脹水泥漿，再配套以ECP(套管外封隔器)輔助壓穩技術[5]，雖然能起到一定的提高固井質量、增強界面膠結的效果，但無法從根本上解決油基泥漿固井的問題。國內外對于水泥漿的研究中發現自愈水泥漿、抗CO2腐蝕水泥漿等能在水泥漿凝固之后，在遇到地層流體后能再次發生反應，實現自愈，但價格昂貴，在國內沒有得到很好應用。

1技術思路

由于水泥漿固結為水泥石后有體積收縮的特性，為防止產生微間隙造成地下流體竄流，一般在水泥漿中添加膨脹材料來彌補水泥石的體積收縮[4]。但是國內目前使用的惰性氣體膨脹材料和金屬氧化物結晶膨脹材料都只是在水泥膠結過程中產生膨脹，在后期出現微環隙和微裂縫時無法再度膨脹[3]，對油井生產過程中的油氣水竄無抑制作用，影響油井壽命。為了使水泥漿在候凝期間遇油性能不變，同時膠結后的水泥石遇油能產生一定的體積微膨脹，就需要研究一種遇油能膨脹的材料，通過控制材料的吸油膨脹的速率和膨脹率，彌補水泥漿體積收縮，增強界面膠結，同時在水泥漿產生微裂縫和微間隙時遇油膨脹材料能吸收竄出的油再次膨脹，填充裂縫和微間隙，從而實現水泥石自愈。

2遇油膨脹劑的作用機理

遇油膨脹劑主要是具有緩水性包衣材料的高吸油樹脂和礦物質，結構中含有親油基團[7]。在水泥漿水化過程中，其包衣材料與水接觸逐漸溶解，吸水樹脂中的親油基鏈段吸附油分子，油分子進入到樹脂的網絡結構中，當吸附的油分子足夠多時，高分子鏈段開始伸展，樹脂發生溶脹，水泥石的體積也開始相應膨脹[2]。在實際應用中，可以通過控制包衣材料的溶解速率，實現膨脹材料在水泥水化過程中膨脹，水泥候凝過程中膨脹和出現微裂縫和微環隙時自愈性膨脹。

3遇油膨脹劑對水泥漿性能影響

3.1　膨脹劑對水泥漿基本性能的影響

在API水泥檢驗的試驗條件下，水泥漿隨膨脹劑質量分數增加各項性能的變化如表1所示，可以看出，常規水泥漿的密度、流動度、強度隨遇油膨脹劑加入量增加變化不大，稠化時間略有延長。

3.2　膨脹劑對水泥石膨脹率的影響

表1　遇油膨脹水泥漿常規性能

注：水泥類型為G級高抗水泥；水灰比為0.44；測試條件為52℃×35.6MPa。下同。

膨脹劑質量分數對水泥石膨脹的影響可分為2個部分：一是與水泥漿內部混油的膨脹，通過在水泥漿中混入一定比例的油測定其24h膨脹率。二是水泥石在油基環境中的二次膨脹，通過將前面已經凝固的水泥石繼續放入柴油中養護48h，測定其膨脹率，結果如表2所示，膨脹劑在混有油的水泥漿里具有明顯的膨脹作用，并隨著膨脹劑質量分數的增加，膨脹率增大；膨脹劑的二次膨脹效果明顯，并且隨質量分數的增加膨脹效果越好。

表2　水泥石的膨脹率統計表

3.3　膨脹劑對水泥石致密性的影響

經電鏡掃描(見圖1、2)。發現加入遇油膨脹劑的水泥漿早期形成的水泥石的內部結構含有較多的空隙，而在煤油中養護后的水泥石更加密實、空隙少。說明在油基物質存在的情況下，水泥石中的吸油膨脹材料能再次產生微膨脹，充填水泥石中的微空隙。

圖1　24h水泥石的掃描電鏡照片　　　　　　　　　　圖2　油基養護后水泥石的掃描電鏡照片

4遇油膨脹水泥漿體系的室內研究

根據遇油膨脹水泥漿體系設計方案，經過室內與多類固井添加劑調配試驗，優選出適用于淺井與中深井的2種遇油膨脹水泥漿體系。

體系Ⅰ：100%高抗硫G級油井水泥+2.5%SGZQ早強劑+2.0%SGJS-Ⅱ降失水劑+2.5% SSJ遇油膨脹劑+0.75%SGJZ分散劑+2.0%SGPZ-1膨脹劑(52℃×35MPa)。

體系Ⅱ：100%高抗硫G級油井水泥+1.0%SGJS-1降失水劑+0.5%SGJZ分散劑+2.5% SSJ遇油膨脹劑+2.0%SGPZ-1膨脹劑+0.2%CH-1緩凝劑(110℃×60MPa)。

體系Ⅰ、Ⅱ具有低失水量、膠凝強度發展迅速、微膨脹、遇油再膨脹的特性(表3)。2種體系的水泥漿稠化曲線如圖3所示。

表3　2種不同的水泥漿體系加入遇油膨脹劑的性能指標

圖3　水泥漿稠化曲線

井號井深/m鉆井液密度/(g·cm-3)一界面固井質量二界面固井質量樁123-斜4井36061.25優質合格樁702-斜17井32981.25優質合格樁23-斜411VF井40131.42優質合格車71井37501.34優質優質樁123-斜2井33801.24優質合格

5現場應用及結論

根據遇油膨脹水泥漿體系的特點，在勝利油田樁西、車西2個油區使用油基鉆井液鉆井的5口油井中進行了現場應用，這5口井油層顯示活躍。應用情況見表4，遇油膨脹水泥漿體系在使用油基鉆井液且油氣顯示活躍的油井固井施工中，有助于提高固井質量。

由此可得出如下結論：①遇油膨脹水泥漿體系具有較好的吸油膨脹效果，凝固后期能產生微膨脹，提高雙界面的水泥膠結質量。②加入遇油膨脹材料的水泥石在地層油侵的情況下能產生再次體積微膨脹，實現微環隙或微裂縫的自修復。

[參考文獻]

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[3]Li Y H ,John D F ,Carl T M.Mathematical modeling of secondary precipitation from sandstone acidizing[J].SPE39420,1998.

[4]溫鐵堅.化學分析[M].北京：中國石化出版社,1992.

[5]張明昌.固井工藝技術[M].北京：中國石化出版社，2007.

[6]劉崇建，黃柏宗，徐同臺.油氣井注水泥理論與應用[M].北京：石油工業出版社，2001：163~168.

[7]許嬋嬋，余金陵，徐鑫.遇水自膨脹封隔器專用橡膠的合成與性能分析 [J].石油鉆探技術，2012,40(3):38~42.

[編輯]帥群

[引著格式]練欽.遇油膨脹水泥漿體系的研究及應用[J].長江大學學報(自科版) ,2015,12(29):44~46.

[中圖分類號]TE256.6

[文獻標志碼]A

[文章編號]1673-1409(2015)29-0044-03

[作者簡介]練欽(1968-)，男，高級工程師，現主要從事鉆井技術與工藝方面的研究， lianqin.slyt@sinopec.com。

[收稿日期]2015-05-20