水泥漿防竄性能評價實驗研究

毛 平

（大慶鉆探工程公司鉆井工程技術研究院，黑龍江大慶163413）

固井是石油勘探開發過程中的重要環節之一，也是鉆井工程中相對獨立的環節。固井質量的好壞不僅影響后續鉆井作業，也直接影響油氣井壽命和儲層的采收率。油氣井固井過程中的防竄問題一直是石油行業關注和研究的重點，除了在固井施工過程中做好井眼清潔、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物導致靜液柱壓力逐漸減小，當壓力降低到與地層壓力一樣時就容易出現環空竄流問題?，F場試驗也表明，即使是采用了壓穩技術并使用穩定性好、失水低的水泥漿體系，仍會出現氣竄情況[3-4]。本文通過對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性能進行對比試驗，以期從降失水劑角度來提高水泥漿體系的防竄效果。

1 實驗儀器和方法

1.1 主要實驗儀器

常壓稠化儀、高溫高壓失水儀、瓦林攪拌器、水泥漿靜膠凝強度分析儀均為Qiandele公司儀器。

水泥為G級水泥，聚合物類、纖維素類、成膜類降失水劑等相關助劑均從生產廠家索取。

1.2 實驗方法

水泥漿的制備及相關測試程序均按照按GB19139油井水泥試驗方法進行。

2 不同類型降失水劑對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套體系的穩定性、失水等基本參數均較好，避免了穩定性和失水等其他因素對體系抗竄性能的影響，從而保障接下來的評價結果更為客觀。

表1 水泥漿基本性能表

2.2 降失水劑對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、硼砂等無機物和PVA在一定條件下進行交聯反應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一步提高濾餅的致密性進而降低失水。

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，并能形成空間網狀結構，通過保持體系穩定性和孔隙填充作用來降低失水速率和濾餅滲透率。

纖維素類降失水劑可通過其分子鏈上的吸附基團吸附在水泥顆粒表面，并通過橋連作用將多個水泥顆粒聚集到一起形成空間網絡結構，該類降失水劑對自由水也有強烈的束縛作用。纖維素類降失水劑具有明顯的粘溫效應，當溫度升高時其失水會增大。

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果。

表2 水泥漿抗竄實驗表

從表2中的水泥漿啟動壓力可知，當水泥漿的靜凝膠強度達到48Pa時，使用成膜降失水劑的水泥漿啟動壓力最高，抗竄能力相對較好，使用聚合物降失水劑和纖維素降失水劑的水泥漿幾乎沒有啟動壓力，這種情況下，會因壓差導致氣竄，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。這是因為當水泥漿的靜凝膠強度達到48Pa后，水泥漿的狀態發生了明顯變化，從液態逐步變為固態，導致水泥漿內部開始逐步出現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，但由于其降失水機理不同，導致其濾餅的致密程度也有所不同，所以會出現啟動壓力和視滲透率的差異。

當水泥漿的靜膠凝強度達到240Pa時，三種降失水劑配制的水泥漿體系的啟動壓力均高于48Pa的啟動壓力。其中仍然是使用成膜降失水劑的水泥漿啟動壓力最高，其他兩種降失水劑配制的水泥漿體系的啟動壓力差距不大，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。

當水泥漿的靜膠凝強度達到240Pa時，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性能

從表3的數據分析可知，成膜降濾失劑通過在濾餅中形成低滲透率的薄膜，從而有效降低了失水速率，形成的膜較為穩定，在較高的壓差下氣體也不能侵入，所以有較強的抗氣竄能力。聚合物類降失水劑主要通過提高液相粘度和在水泥顆粒表面形成吸附水化膜，在失水的過程中具有較厚吸附水化膜的水泥顆粒進入濾餅中形成封堵，進而降低滲透率，但以此原理形成的濾餅相對較厚，30min后仍有濾失，當發生氣竄后，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，進而導致氣竄的進一步加劇。纖維素類降失水劑也是通過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降低失水，并且其形成的泥餅疏松且厚，在30min后也無法完全控制濾失，也無法阻止氣竄的發生，因此該水泥漿體系幾乎沒有啟動壓力。

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

3 結論及建議

（1）從降失水機理分析可以得知，共聚物降失水劑和纖維素降失水劑主要通過形成吸附水化膜和形成空間網狀結構來封堵濾餅空隙和吸附自由水來降低失水，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一步提高濾餅的致密性。

（2）當水泥漿的靜凝膠強度達到48Pa時，使用成膜降失水劑的水泥漿啟動壓力最高，使用聚合物降失水劑和纖維素降失水劑的水泥漿幾乎沒有啟動壓力，這種情況下，會因壓差導致氣竄，所以抗竄能力較差。

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