韧性防气窜固井水泥浆体系研究

何 磊，廖兴松

（大港油田公司工程技术处，天津 300280）

随着页岩气田、低渗油气田等复杂气田的开发，对固井水泥浆体系及性能的要求也越来越高，水泥浆体系不仅要求能进行管柱封固和层间封隔，而且需要能抵抗井下复杂作业载荷的破坏，同时防止固井作业过程中发生气窜问题[1]。

为提高水泥浆的长期封固稳定性，延长油气井开采寿命，保障固井质量，国内外研究表明，当水泥浆具有较强的韧性时，其凝固后的水泥石对外部载荷作用具有较强的缓冲能力，能在一定程度上抵抗井下复杂作业对水泥环的冲击破坏，可以提高水泥浆凝固后的封固稳定性，改善水泥浆的长期层间封隔的能力[2，3]。此外，对于气井来说，水泥浆的防气窜能力至关重要。通过添加剂材料的调节提高水泥浆的防气窜能力，可降低气窜对固井质量带来的损害[4，5]。为开发性能优异的韧性防气窜水泥浆体系，室内对主要的固井添加剂进行了研究，使用开发的添加剂材料构建了韧性防气窜水泥浆体系，并对其性能进行评价。

1 实验仪器与方法

1.1 实验仪器

恒速搅拌器，六速旋转黏度计，增压稠化仪，API失水仪，简支梁冲击试验机，电子万能材料试验仪。

1.2 实验方法

（1）水泥浆常规性能评价。水泥浆的制备和评价参照国家标准GB/T 19139-2012《油井水泥试验方法》中的具体要求进行。

（2）水泥浆防气窜性能评价。水泥浆的防气窜能力以水泥浆性能系数（SPN）值作为评价标准，SPN 值反映了水泥浆失水量及凝固过程中阻力变化系数对防气窜的影响，具体的计算式为：

式中：SPN-水泥浆性能系数，无因次；FLAPI-水泥浆API 失水量，mL-水泥浆稠度为100 Bc和30 Bc 的时间，min。

SPN 值评价防气窜能力的标准（见表1）。

表1 防气窜能力评价

2 韧性防气窜水泥浆主要添加剂材料研究

2.1 分散剂

不添加分散剂的水泥浆体系的流变性通常较差，而良好的流变性能是保证固井施工安全性的基础。分散剂的作用是使油井水泥颗粒在配浆水中分散均匀，对水泥颗粒之间的成团连接进行削弱和拆散，释放游离水，降低浆体内摩擦阻力，使水泥浆保持良好的可泵送性能[6]。为研究合适的分散剂应用在韧性防气窜水泥浆中，评价了几种选择和研制的分散剂性能，实验结果（见表2）。

从表2 数据可以看出，与空白水泥浆相比，添加了分散剂ERA60 和F385 的水泥浆体系流变性改善较大，两种分散剂能较好的调节水泥浆的流变性能，但是F385 分散剂的添加引起了少量自由液的产生，影响了水泥浆浆体稳定性。综合考虑分散剂在水泥浆中的作用效果，选用ERA60 作为韧性防气窜水泥浆的分散剂。

2.2 缓凝剂

水泥浆的稠化时间是固井作业过程中衡量和保证水泥浆泵送和施工安全性极为重要的性能。在井底温度工况下，大多固井水泥浆体系都需要进行缓凝处理，不添加缓凝剂水泥浆体系的稠化时间通常都不能满足固井施工的要求。缓凝剂在水泥浆中通过表面吸附或生成表面沉淀的方式起缓凝作用，延长水泥浆的稠化时间[7]，室内评价的不同缓凝剂作用效果（见图1）。

从图1 中的实验结果可以看出，与空白水泥浆相比，掺入不同的缓凝剂都能在一定程度上延长水泥浆的稠化时间。在评价的几种缓凝剂中，缓凝剂HN-3 对水泥浆稠化时间延长最明显，作用效果最好，有助于在少量加量条件下调节水泥浆的稠化时间。因此，韧性防气窜水泥浆体系选取HN-3 作为缓凝剂。

表2 不同分散剂性能

图1 不同缓凝剂性能

图2 不同降失水剂的性能

2.3 降失水剂

水泥浆的失水量对固井质量有较大的影响。在没有进行滤失和施工性能处理的情况下，水泥浆失水量较大，可能导致环空浆体水灰比的变化，流变性变差，稠化时间缩短，稠度急剧增加，导致固井失败[8]。此外，大量水泥浆水向地层的滤失，可能造成储层污染，降低储层渗透率继而降低油井产量。为了研究出合适的降失水剂，评价了几种降失水剂性能，实验结果（见图2）。

图3 不同防气窜剂的性能

图2 的实验结果表明，不同的降失水剂都能降低水泥浆的失水量，其中降失水剂RL-30 的降低失水量的效果最好。与空白水泥浆相比，使用降失水剂RL-30配制的水泥浆体系的失水量下降了44 mL。因此，选择降失水剂RL-30 作为水泥浆的降失水剂添加剂。

2.4 防气窜剂

在气井固井过程中，水泥浆浆体失重易引起环空水泥浆的气侵，产生环空气窜，形成环空窜槽，降低固井质量，甚至导致固井失败。为了提高水泥浆的防气窜能力，可在配制水泥浆时加入一定量的防气窜剂。为研究不同防气窜剂的作用效果，对不同水泥浆SPN 值进行评价，实验结果（见图3）。

从图3 可以看出，无防气窜剂水泥浆体系的防气窜能力较差，掺入防气窜剂后，水泥浆防气窜能力得到改善。防气窜剂AGC-1 和CR-60 配制的水泥浆体系防气窜能力都较好，其中AGC-1 的作用效果最好,其SPN 值的大小仅0.87。因此，选取AGC-1 作为水泥浆体系防气窜剂。

2.5 增韧剂

水泥石的韧性表征了水泥石抵抗外部载荷冲击破坏的能力，通常以抗冲击强度大小作为评价标准。赋予油井水泥石韧性形变能力，增加水泥石抗冲击破碎性能，减轻水泥环在受冲击力作用后的应力集中造成的破碎伤害程度是韧性防气窜水泥浆体系研究的重要内容。为提高水泥浆韧性，评价了胶乳液、碳纤维和自制增韧剂ETA-30 在水泥浆中的作用效果，结果（见表3）。

表3 不同增韧剂的性能

从表3 可以看出，空白水泥浆试样抗压强度较高，但是弹韧性较差。添加增韧剂后，增韧水泥浆体系的抗压强度略有下降，但都满足固井施工的要求，且增韧水泥浆的抗冲击强度大幅度提高，弹性模量下降，水泥石的弹韧性有明显的改善。与碳纤维和胶乳液相比，使用增韧剂ETA-30 配制的水泥浆体系的抗压强度下降幅度最小，同时抗冲击强度提升最明显，弹性模量最小，水泥石的弹韧性最优异。因此，韧性防气窜水泥浆体系选择ETA-30 作为韧性防气窜水泥浆的增韧剂。

3 韧性防气窜水泥浆体系性能评价

通过研究的不同水泥浆添加剂，以微硅作为增强剂材料，构建了韧性防气窜水泥浆配方，其具体组成为：100 %G 级水泥+44 %淡水+2 %微硅+2 %降失水剂RL-30+0.5%分散剂ERA60+0.5%缓凝剂HN-3+2%防气窜剂AGC-1+3 %增韧剂ETA-30。

表4 韧性防气窜水泥浆常规性能

表5 韧性防气窜水泥浆力学性能

为进一步评价构建的水泥浆体系的性能，室内研究了水泥浆体系在60 ℃和90 ℃两种温度条件下的常规性能和力学性能，实验结果（见表4 和表5）。

从表4 中的数据可以看出，在不同的温度条件下，构建的韧性防气窜水泥浆体系流变性均较好，失水量小于50 mL，浆体稳定，稠化性能满足施工要求，且SPN 值均小于1，防气窜性能优异。从表5 可以看出，韧性防气窜水泥浆体系抗压强度满足固井封固要求，抗冲击强度大，弹性模量较低，水泥浆体系具有较强的抵抗外部载荷破坏的能力。

4 结论

（1）研究的添加剂材料能显著提高水泥浆的弹韧性和防气窜能力，降低水泥浆的失水量，改善水泥浆流变性，调节水泥浆稠化时间。

（2）韧性防气窜水泥浆体系流变性能较好，失水量低，浆体稳定，稠化时间满足施工要求且防气窜性能优异。

（3）韧性防气窜水泥浆体系的抗压强度满足固井封固要求，弹韧性优异，具有较强的抵抗外部载荷破坏的能力。