高強度防竄油水井復合堵劑研究及應用

于鋒　劉念輝

摘要：高強度防竄油水井復合堵劑主要適用于油水井封堵層吸水指數注入壓力，5MPa<注入壓力<18MPa，吸收量>100L/min的井況。該堵劑可防止水泥漿體塑性收縮和水泥石硬化后的化學體積收縮，有效防止氣竄。解決常規堵劑封堵凝固后水泥石與地層界面膠結不緊密造成承壓能力不強的問題，堵層后井筒承壓能力明顯增強，滿足了大多數井況的需求。且堵劑水泥漿體系有較好的分散性、穩定性、可泵性。因此，高強度防竄油水井復合堵劑封堵性能優于其它水泥漿體系，利用它可以減少堵劑用量，降低作業成本，提高封堵一次成功率，應用前景廣闊。

關鍵詞：高強度;防氣竄;封堵劑;水泥收縮

常規的高強度封堵劑主要是單純的有機高分子聚合物類膨脹劑其作用主要發生在水泥水化早期，對水泥基材料后期收縮的補償作用不大且水化產物的物理化學性質不穩定，在90℃以上易發生分解，防氣竄效果不佳。另一方面超細水泥凝固后，高溫（90℃以上）條件下易發生強度衰退，承壓能力弱。另外堵劑用量大，一般在30-50噸。因此施工時間長，規模大，需要消耗大量的人力、物力，作業成本高。

1 高強度防竄油水井復合堵劑總體設計

高強度防串油水井復合堵劑是在G級水泥漿體系中添加硅石粉、高分子聚合樹脂防裂劑、晶格防竄劑改善堵漏劑的化學性能，通過G級水泥添加硅石粉使堵劑進入封堵層后具有強固結性質，增加承壓強度;高分子聚合樹脂防裂劑具有較強的吸水性，能與水分子形成氫鍵，產生相互作用，在水泥水化過程中，分散到水泥水化產物表面，吸水溶脹，與G級水泥水化物共同形成含有大量水的凝膠狀物質，使得G級水泥石本身表現出了一定的膨脹性，防止水泥漿前期的塑性體積收縮產生微裂。通過控制反應活性，使其膨脹性能大部分發生的水化后期（凝固后），防止水泥石硬化后體積收縮，防止氣竄。

2 高強度防竄油水井復合堵劑室內研究

2.1 主要材料的室內研究

2.1.1 硅石粉材料

高強度防竄油水井復合堵劑使用微硅粉平均粒徑為0.15-0.20μm，其主要成分為二氧化硅，含量為80%-92%，雜質成分為氧化鈉、氧化鈣、氧化鎂、氧化鐵、氧化鋁和活性炭等。由于所選微硅粉具有顆粒細小、比表面積大、SiO2純度高、火山灰活性強等物理化學特點，將微硅粉作為揍和劑加人堵劑中可改善復合堵劑多方面的性能，如顯著改善塑性堵劑土粘附性能和凝聚性。

通過室內試驗，微硅粉的滲入能較大幅度提高堵劑中期和后期的強度，強度提高的幅度隨著微硅粉滲入量的增大而增大。抗壓強度隨著侯凝時間（h）的延長加入微硅粉量的增大而提高，但是提高的幅度不同，加入量為26%、28%、30%、32%、34%、36%時，72h強度比不加入（0%）強度提高比列分別是17.5%、19.0%、20%、22%、27%、25%，說明微硅粉加入對提高試樣的早期強度不明顯，但由于提高比例的增幅不同，在加入34%時增幅最大，說明外加入量并不能在短期內參與反應，微硅粉的加入量并不是越多越好。

2.1.2 高分子聚合樹脂防裂劑

高分子聚合物樹脂材料，其膨脹原理主要是：高分子聚合物樹脂具有較強的吸水性，能與水分子形成氫鍵，產生相互作用，在水泥水化過程中，分散到水泥水化產物表面，吸水溶脹，與水泥水化物共同形成含有大量水的凝膠狀物質，使得水泥石本身表現出了一定的膨脹性，防止水泥漿前期的塑性體積收縮。

2.1.3 晶格膨脹劑

為了解決水泥漿硬化后的化學收縮問題，優選了晶格膨脹劑，該膨脹劑為MgO類延遲性膨脹劑，其具有如下特點：（1）膨脹劑的活性組分與水泥水化物反應，在受限空間內產生晶格膨脹，致使水泥石體積膨脹，增強了水泥與套管、地層的界面膠結強度;（2）膨脹劑在產生體積膨脹的同時，可以向水泥石內部空隙空間擴展，從而降低水泥石的孔隙度和滲透率，提高水泥石的耐腐蝕性能和抗壓強度。

為防止水泥漿收縮必須從塑性收縮和硬化收縮兩方面著手，因此我們優選了有機高分子聚合物類膨脹劑防止水泥漿凝固前的塑性體收縮，復合晶格膨脹劑，作為延遲膨脹材料，防止水泥漿硬化后的化學收縮。

3 高強度防竄油水井復合堵劑性能評價試驗

3.1 防竄性能評價

實驗根據行業標準采用流體竄流分析儀對觸變膠凝堵漏體系體系的防竄性能進行了評價。實驗所用水泥漿基礎配方為：G級水泥50%，硅石粉36%，高分子聚合樹脂防裂劑8.5%，晶格防竄劑4%，降失水劑1.2%，緩凝劑0.3%，實驗溫度為90℃，測試壓差2.8MPa。

3.2 強度性能評價試驗

封堵劑固化后的抗壓強度是保證油水井長期有效封堵的關鍵指標，固化強度越高，封堵質量就越好，發生氣竄的可能性就越小。將不同固液比的堵劑放入25℃水浴中常壓養護24h后，采用抗壓強度實驗儀，測試不同溫度下的水泥稠化試驗如下圖1所示：

實驗結論：封堵劑的固化強度主要受固液比的影響，硅石粉比例越大，封堵劑的固化強度越高，封堵劑平均強度可達40MPa以上，完全可以滿足油、水、氣層封堵要求。

4 現場應用

截至目前，該堵劑材料在大港油田共完成堵層4井次，施工成功率為100%，累計增產原油3849 t，天然氣0.9×10⁴m³，封堵效果明顯。

以板深4H井為例：該井是大港油田一口生產井，地質要求擠灰封堵馬家溝組4516.0m以上射孔層位，鉆塞，放開下部馬家溝組油層;完井下排水采氣管柱，注氣壓力不低于20MPa，堵層后清水試壓不小于25MPa，常規堵劑難以滿足地質要求。

通過堵劑優選，最后采用G級水泥+硅石粉+膨脹材料水泥體系14m3對2829-2872.1m層進行封堵，最高擠注壓力16MPa，封堵后試壓25MPa合格，取得了不錯的堵層效果。

5 結論

（1）通過復配使用防裂劑和防竄劑，形成多膨脹源膨脹劑，分別防止水泥漿體塑性收縮和水泥石硬化后的化學體積收縮，水泥漿體系的膨脹率達到0.072%，有效防止氣竄;

（2）該水泥漿體系阻止水泥石的凝固后收縮，有效解決常規堵劑封堵凝固后水泥石與地層界面膠結不緊密造成承壓能力不強的問題，堵層、鉆塞后井筒承壓≥20MPa;

參考文獻

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