高密度水泥漿固井膠結面密封性評價研究

羅 靜

(中海油田服務股份有限公司，河北 廊坊 065200)

在高溫高密度油井環境下開展固井作業的過程中，水泥漿體系的膠結面密封性能備受關注，水泥與套管和水泥與地層之間的良好的膠結質量，對于有效地封隔地層來說是很重要的。膠結不好會影響采油和注水(汽)的效果。泥漿頂替不良、由于過多的泥餅造成的水泥與地層膠結質量差、由于內部壓力或熱應力導致的套管伸縮和鉆井液或地層流體引起的水泥污染等因素，都可能導致地層間的串通。在這些情況下，在水泥與套管或水泥與地層之間的界面上常常出現較小的間隙，稱“微環隙”。在這樣的環境中，膠結面密封性能的有效評價和優化對于防止地層流體侵入、維持井筒完整性以及提高油井產能至關重要[1]。隨著石油工業的不斷發展和高溫高密度井的增多，對高溫高密度水泥漿體系的固井膠結面密封性能進行深入研究十分關鍵，井下的復雜環境如高溫、高壓、高密度、酸性等給膠結面密封性能帶來了挑戰[2]。現有研究表明，由于各種工況使井筒內壓力不斷變化，使水泥環本體破壞或膠結界面破壞，是環空帶壓發生的原因。通過對水泥漿進行優化，得到與井下環境相適應的水泥漿體系，對保持井筒完整具有積極作用；針對水泥環產生的膠結失效問題，可以通過提高水泥環的膠結強度達到提高水泥環密封能力的目的。因此，需要開展水泥漿體系的密封能力評價實驗，通過實驗測量出水泥漿體系的膠結強度，找出影響水泥石膠結強度的主要因素，最終提出對水泥漿體系的優化建議。

本次研究主要是通過實驗的方式，分別分析膨脹劑加量、環空補償壓力以及養護溫度對于固井膠結面密封性的影響，為優選水泥漿體系、優化固井施工工藝奠定基礎。

1 水泥漿體積膨脹性實驗

1.1 實驗儀器

在此次研究中所使用的儀器如圖1所示。反應釜用于容納和混合高溫高密度水泥漿體系的成分，以模擬井下條件，在反應釜內，你可以控制溫度、壓力和攪拌，以確保水泥漿體系在實驗中處于所需的條件下進行反應和測試。加熱裝置用于提供所需的高溫環境，以模擬井下高溫條件，這有助于評估水泥漿體系在高溫下的性能，包括黏度、流動性和化學反應等。位移傳感器用于測量水泥漿體系的體積變化或位移，這對于評估水泥漿的膨脹、收縮或體積變化等性能非常重要，位移傳感器可以記錄實驗期間的體積變化，以進行后續分析[3]。壓力傳感器用于監測水泥漿體系中的壓力變化，這對于模擬井下高壓條件以及評估水泥漿的密封性能非常重要，通過壓力傳感器可以測量水泥漿中的壓力，以確定其耐壓性和封堵能力。壓力泵用于提供實驗中所需的壓力，以模擬井下的壓力條件，這有助于測試水泥漿體系在高壓環境下的性能，包括密封性能和抗壓能力。

圖1 實驗儀器Fig.1 Experimental instrument

在開展高溫高密度水泥漿體系固井膠結面密封性能評價研究的過程中，開展水泥漿體積膨脹性實驗是非常重要的，水泥漿體積膨脹性實驗可用于評估水泥漿在高溫高密度條件下的密封性能，這對于固井膠結面的密封性能至關重要，因為井下環境可能受到高溫、高壓力、和化學腐蝕的影響，需要確保水泥漿能夠有效地封堵井壁，防止流體和氣體的泄漏。水泥漿體積膨脹性實驗允許模擬井下高溫高密度環境下的條件，這有助于了解水泥漿在實際工作條件下的表現，這些實驗可以幫助工程師和研究人員更好地理解水泥漿在井下作業中的行為[4]。水泥漿體積膨脹性實驗可以提供關于水泥漿膠結質量的信息，如果水泥漿體積膨脹性能不佳，可能會導致膠結不牢固或存在缺陷，從而降低了井壁的穩定性和密封性。固井是油氣勘探和生產中的關鍵步驟之一，通過進行水泥漿體積膨脹性實驗，可以確保選擇的水泥漿體系在高溫高密度條件下能夠正常工作，提高了固井的安全性。水泥漿體積膨脹性實驗的結果可以用于優化水泥漿的配方，根據實驗結果可以調整水泥漿的成分和配比，以滿足特定的井下要求，提高固井的成功率[5]。

1.2 實驗材料

本研究所使用的實驗材料如表1所示。水泥是水泥漿的基礎成分，其主要作用是在水化反應中形成膠狀物質，將其它顆粒粘合在一起，從而形成堅固的膠結體系，水泥也負責提供固井材料的強度。鐵礦粉通常被用作密度增加劑，以增加水泥漿的密度，以適應特定井下環境的需求，它還可以幫助控制水泥漿的流變性能。硅粉通常用作稀釋劑，用于減少水泥漿的密度，并改善其流動性，它可以用來調整水泥漿的流變性能，以滿足特定的井下要求。增韌劑是用于改善水泥漿的彈性和韌性的添加劑，它們有助于減少水泥漿的脆性，增加其耐受井下振動和應力的能力。分散劑用于防止水泥漿中的顆粒聚集，保持顆粒分散均勻，有助于維持水泥漿的穩定性和均勻性。降失水劑用于減少水泥漿的流失和濾失，這是在固井操作中不希望發生的現象，有助于提高水泥漿的密封性能。緩凝劑用于延長水泥漿的凝結時間，以確保在固井操作期間有足夠的時間將水泥漿注入到井中，并確保它能夠完全膠結和固化。這些成分的選擇和使用根據具體的井下條件、固井設計和所需的性能來確定，以確保水泥漿體系能夠滿足井下環境的要求，同時確保井壁的密封性和穩定性。

表1 實驗材料Table 1 Experimental materials

1.3 實驗步驟

根據研究的具體目的和設計要求，制備高溫高密度水泥漿體系的樣品，確保按照所需的水泥、添加劑、密度調整劑等成分和配比進行制備，準備用于進行水泥漿體積膨脹性實驗的裝置，包括密閉的反應釜，以確保實驗環境能夠達到高溫高密度的井下條件，將預先制備好的水泥漿樣品裝載到實驗裝置中，確保采集足夠數量的樣品，以進行多次試驗和可靠的數據分析。開始升溫和升壓過程，以模擬高溫高密度的井下環境，根據研究需求，設定所需的溫度和壓力條件，通常是高溫高壓條件，在實驗過程中，使用位移傳感器或其它測量裝置監測水泥漿樣品的體積變化或位移，記錄膨脹過程中的數據，包括時間、膨脹率和壓力等參數。在實驗過程中，持續記錄實驗數據，以確保準確和可重復的實驗結果，這些數據將用于后續分析和評估，使用實驗數據計算水泥漿樣品的膨脹率或膨脹系數，這些計算可以通過比較不同樣品在不同條件下的膨脹性能，來評估水泥漿在高溫高密度條件下的表現，對實驗數據進行分析，總結水泥漿體積膨脹性能的研究結果。

2 結果與討論

2.1 膨脹劑加量的影響

如圖2所示，隨著膨脹劑添加量的增加，壁面膠結強度也逐漸增加。這主要是因為部分添加劑，如硅粉和鐵礦粉，通常具有微細顆粒的性質，當這些顆粒被添加到水泥漿中時，它們可以填充水泥顆粒之間的空隙，這種顆粒填充效應可以增加固井漿體系的密度，并促進顆粒之間的物理交互，從而增加膠結強度，添加劑可能具有表面活性，能夠在顆粒表面形成化學鍵或吸附到水泥顆粒上，這可以改善水泥顆粒之間的黏附力和相互作用，有助于提高膠結強度，某些添加劑可能會與水泥漿中的成分發生化學反應，產生膠結物質，進一步增強膠結強度，這種化學反應通常涉及水泥中的水化過程，其中水泥成分與添加劑之間發生交互作用，在高密度水泥漿體系中，增加一些高密度調節劑，如鐵礦粉，可以提高水泥漿的密度，密度增加有助于提高固井漿體系的穩定性和密封性，從而增加壁面膠結強度。增韌劑和分散劑可以調節水泥漿的流變性質，通過改變水泥漿的流變性能，可以更好地控制其流動性和流變行為，從而改善固井漿體系的膠結性能。

圖2 膨脹劑加量對壁面膠結強度的影響Fig.2 Effect of expansion agent dosage on wall bonding strength

2.2 環空補償壓力的影響

環空補償壓力的影響實驗結果如圖3所示，分析發現，隨著環空補償壓力的增加，壁面膠結強度也將逐漸增加。這主要是因為高溫高密度水泥漿體系在井內暴露于高溫和高壓下，可能會發生水化反應，導致水泥漿膨脹，當環空補償壓力增加時，這種膨脹可能會更加顯著，因為增加的壓力有助于推動水泥漿深入井壁裂隙和孔隙中，增加了與井壁的接觸面積，從而增加壁面膠結強度。增加環空補償壓力可以導致水泥漿更緊密地填充井壁的縫隙和孔隙，這種壓實作用有助于減少水泥漿中的孔隙度，增加水泥顆粒之間的物理接觸提高膠結強度。高溫高密度水泥漿體系的滲透性通常較低，但在高壓條件下，滲透性可能會進一步降低，這意味著水泥漿更難滲透到井壁的微小孔隙中，而是更可能被擠壓到孔隙中增加壁面膠結強度。環空補償壓力的增加可能會改變井壁的應力分布，壓力增加可能會導致井壁周圍的應力更加均勻分布，從而減少了井壁的應力集中區域有助于提高壁面膠結強度。環空補償壓力的增加必須在合適的范圍內進行，過高的壓力可能會導致井下問題，如井漏或井壁破裂，因此，對于具體的固井設計，需要仔細考慮環空補償壓力和水泥漿性能之間的平衡，以確保固井膠結面的密封性能得到最佳的維護。

圖3 環空補償壓力對壁面膠結強度的影響Fig.3 Influence of annular compensation pressure on wall bonding strength

2.3 養護溫度的影響

養護溫度的影響實驗結果如圖4所示，通過分析可以發現，隨著養護溫度的增加，壁面膠結強度也將逐漸增加。這主要是因為水泥的水化反應通常在高溫下更快，養護溫度的升高會促進水泥顆粒與水之間的反應速度，這會導致水泥在固井膠結面更快地產生水化產物從而提高壁面膠結強度。在高溫條件下，水泥中的膠凝物質形成得更快，這些膠凝物質有助于填充井壁表面的孔隙和微裂縫，增強了水泥漿與井壁的物理結合。高溫下水泥漿體系中的水化反應可能導致水泥漿體積膨脹，當養護溫度升高時，膨脹效應可能更加明顯，使水泥漿更好地填充井壁縫隙。高溫條件下水泥顆粒的表面活性可能會增加，使其更容易附著在井壁表面，這增加了水泥漿與井壁的結合。高溫下化學反應的熱動力學變得更加有利于膠結物質的生成，這使得水泥漿更容易形成堅固的膠結層，增強了壁面膠結強度。但是過高的養護溫度可能導致水泥漿體系中的脫水和開裂，在固井設計中，必須謹慎選擇適當的養護溫度，

圖4 養護溫度對壁面膠結強度的影響Fig.4 Effect of curing temperature on wall bonding strength

3 結 論

本次研究通過實驗的方式開展了高溫高密度水泥漿體系固井膠結面密封性能評價研究，通過此次的評價研究可以發現，隨著膨脹劑加量、環空補償壓力以及養護溫度的逐漸增加，固井壁面的膠結強度也將會逐漸增加，此次研究可以為保障固井作業的順利開展奠定基礎。