纤维水泥浆体系防漏性能评价及作用机制

华苏东，姚 晓，诸华军，张 亮

(南京工业大学材料科学与工程学院，江苏南京 210009)

纤维水泥浆体系防漏性能评价及作用机制

华苏东，姚 晓，诸华军，张 亮

(南京工业大学材料科学与工程学院，江苏南京 210009)

在固井过程中遇到孔洞型或裂缝型漏失地层时，水泥浆会漏失低返，造成环空流速下降，降低顶替效率、影响胶结质量和油气井产能。运用自制设备评价多种防漏水泥浆体系的性能，并分析S90水泥浆体系防漏机制。结果表明:S90纤维水泥浆体系模拟堵塞3 mm孔板和缝板，5 MPa可承压10 min;在S90纤维水泥浆体系中加入特种黏结剂KE50后，模拟堵塞4 mm孔板和缝板，7 MPa可承压10 min;在水泥浆漏失过程中，S90体系中长纤维、短纤维和特种黏结剂形成致密的、牢固的纤维网格，减慢和阻止水泥浆体通过，在裂缝周围形成致密的滤饼后防漏效果显著;净浆、胶乳水泥浆和低密度水泥浆无防漏作用。

固井;油井水泥;纤维;水泥浆漏失;防漏性能

漏失是指在钻井、完井和修井施工中全部或者部分钻井液、完井液或水泥浆进入地层。根据地层特征，漏失可分为渗透型漏失、孔洞型漏失、裂缝型漏失和裂缝－孔隙型漏失［1-4］。固井水泥浆发生漏失，不能按照设计要求封隔地层，造成环空流速下降，影响顶替效率和胶结质量，致使地下流体层间互窜。另外，水泥浆漏失到产层，对油气层产生污染，影响油气产能，并导致油气井失控［5-8］。根据纤维搭桥作用机制，S90复合纤维体系中的纤维可以搭桥阻止水泥浆的漏失。笔者对普通降失水仪进行改造，并对S90水泥浆体系防漏机制［9-12］进行分析。

1 试验原料与仪器

原料包括:G级油井水泥(江南水泥厂);KH500纤维分散剂(四川);KE200降滤失剂(南京);JR丁苯胶乳(市售);S90复合纤维体系(自制);KE50特种黏结剂(自制);漂珠PZ(市售)。S90复合纤维体系中，长度0～1 mm、1～2 mm和大于2 mm的纤维含量分别为60%～70%、10%～20%、0～10%，其中特种化纤占10%～20%，特种矿纤占80%～90%。

仪器包括:自制模拟防漏试验装置，1 mm孔板(60个孔)和缝板(20 mm×1 mm)、2 mm孔板(40个孔)和缝板(20 mm×2 mm)、3 mm孔板(20个孔)和缝板(20 mm×1 mm)、4 mm孔板(10个孔)和缝板(20 mm×2 mm)。其中3 mm缝板和孔板见图1。

图1 3mm孔板和缝板Fig.1 3 mm hole and crack plate

2 试验方法

(1)制浆。方法1:根据API规范［13］制浆，水灰比为0.44，外加剂采取外掺法;方法2:手动搅拌5 min，水灰比为0.44，外加剂采取外掺法。

(2)防漏性能测试。在80℃、0.1 MPa的条件下，将配置好的500 mL(920 g)水泥浆在稠化仪中搅拌20 min后装入圆筒中;接上氮气源，以0.5 MPa/min的速度加压，压力升到7 MPa后憋压10 min，卸压并拆除装置;测量流出液体和浆筒中水泥柱的质量。

3 结果分析

对净浆(J)、胶乳水泥浆(JR)和不同纤维水泥浆进行防漏性能评价，滤液质量和保存在浆筒中水泥柱质量用来评价材料的防漏效果，滤液质量小且浆筒中水泥柱质量高，则防漏效果好。由于复配纤维中高弹模纤维很容易被瓦楞搅拌机高速旋转(2000 r/min)的浆叶打断，使得复配纤维中长纤维的数量减少，而在实际固井时采用高压喷射混合水泥浆，不会因打断纤维而影响长纤维的数量，故试验分别对机搅和手搅水泥浆进行防漏性能评价。不同水泥浆体系模拟堵塞孔板和缝板试验结果见表1。

表1 不同水泥浆体系模拟堵塞孔洞和缝板试验结果Table 1 Test results of different slurries simulation plugging hole plate and crack plate

续表1

由表1可知，净浆、胶乳水泥浆和低密度水泥浆在一定的层压下无防漏作用，使用1 mm的孔板和缝板进行模拟试验时，水泥浆全部漏失。相同的纤维水泥浆体系，采用两种制备方法(机搅和手搅)，模拟堵塞相同尺寸的孔板和缝板，手搅制备水泥浆的防漏性能明显优于机搅制备水泥浆的防漏性能。S90水泥浆体系具有优异的防漏性能，在相同的配浆条件下，使用相同尺寸的孔板和缝板进行模拟试验时，其滤液质量较小，保留在浆筒内的水泥柱质量较大。用S90水泥浆体系(配方3)模拟堵塞3 mm孔板和缝板时，5 MPa下可承压10 min，滤液质量分别为552和584 g，保留在浆筒内的水泥柱质量分别为368和336 g;模拟堵塞4 mm孔板和缝板时，2.5 MPa下可承压10 min。在S90水泥浆体系中加入特种黏结剂KE50(配方4)，模拟堵塞4 mm孔板和缝板时，7 MPa下可承压10 min，滤液质量分别为494和625 g，保留在浆筒内的水泥柱质量分别为426和295 g，防漏效果优异。

4 S90水泥浆体系防漏机制

随着压力不断增加，纤维水泥浆不断从孔洞或者裂缝流出，在流动过程中，长纤维难以通过孔洞或裂缝，不断在孔洞或裂缝处聚集且乱向分布，形成纤维网(见图2)。短纤维填充纤维网格，无机长纤维吸附水泥颗粒，特种黏结剂KE50提高了纤维之间、纤维与水泥颗粒之间的黏接性能，纤维网格变得更致密和牢固，减慢了水泥浆体通过速率，阻止水泥颗粒通过纤维网格。随着部分滤液不断流失和水泥浆体的水化，纤维水泥浆稠度增加，在孔洞和裂缝周围形成致密的滤饼后(图3、4)，堵漏成功。

图2 纤维堵塞孔洞和裂缝示意图Fig.2 Sketch map of fiber plugging the hole and crack

图3 模拟堵塞3 mm孔板Fig.3 Simulation plugging 3 mm hole plate

图4 模拟堵塞3 mm缝板Fig.4 Simulation plugging 3 mm crack plate

5 结论

(1)净浆、胶乳水泥浆和低密度水泥浆无防漏作用，使用1 mm的孔板和缝板进行模拟试验时水泥浆全部漏失。相同的纤维水泥浆体系，采用两种制备方法(机搅和手搅)模拟堵塞相同尺寸的孔板和缝板，手搅制备的水泥浆的防漏性能明显优于机搅水泥浆。

(2)S90水泥浆体系模拟堵塞3 mm孔板和缝板时，5 MPa可承压10 min，滤液质量分别为552和584 g，保留在浆筒内的水泥柱质量分别为368和336 g。在 S90水泥浆体系中加入特种黏结剂KE50，模拟堵塞4 mm孔板和缝板，7 MPa可承压10 min，滤液质量分别为494和625 g，保留在浆筒内的水泥柱质量分别为426和295 g，防漏效果优异。

(3)短纤维填充纤维网格，无机长纤维吸附水泥颗粒，特种黏结剂KE50提高了纤维之间、纤维与水泥颗粒之间的黏接性能，纤维网格变得更致密和牢固，减慢了水泥浆体通过速率，阻止水泥颗粒通过纤维网格。随着部分滤液不断流失和水泥浆体的水化，纤维水泥浆稠度增加，在孔洞和裂缝周围形成致密的滤饼后，堵漏成功。

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Anti-lost-circulation performance evaluation and function mechanism of fiber slurry system

HUA Su-dong，YAO Xiao，ZHU Hua-jun，ZHANG Liang

(College of Materials Science and Engineering in Nanjing University of Technology，Nanjing210009，China)

The lost circulation of slurry appears frequently when the vuggy formation and crack formation are encountered during cementing.Lost circulation of slurry will decrease the annular velocity，the displacement efficiency，performance of interface bonding and oil well productivity.The performances of several kinds of anti-lost-circulation slurry systems were evaluated by self-made equipment，and the anti-lost-circulation mechanisms of S90 slurry were analyzed.The results show that the S90 fiber slurry system could plug 3 mm hole and crack plate，and it can bear the pressure of 5 MPa for 10 minutes.The S90 slurry system added special bonding element KE50 could plug 4 mm hole and crack plate，and it can bear the pressure of 7 MPa for 10 minutes.During the process of lost circulation of slurry，the long fibers，short fibers and cement could form tight and fast fiber net，which can slow and prevent slurry passing.A tight filter cake is formed around fractures，so the antilost-circulation effect is good.While the clean slurry，latex slurry and low-density slurry have no anti-lost-circulation effect.

cementing;oil-well cement;fiber;slurry lost circulation;anti-lost-circulation performance

TU 473.1

A

10.3969/j.issn.1673-5005.2012.01.028

1673-5005(2012)01-0158-04

2011－09－03

国家“863”高新技术计划项目(2003AA327120);江苏省企业博士基金项目(SBK200930213)

华苏东(1981－)，男(汉族)，江苏淮安人，副教授，博士，研究方向为油井水泥固井外加剂。

(编辑 刘为清)