遇油膨胀水泥浆体系的研究及应用

练钦　(中石化胜利石油工程有限公司渤海钻井总公司，山东 东营 257200)

遇油膨胀水泥浆体系的研究及应用

练钦(中石化胜利石油工程有限公司渤海钻井总公司，山东 东营 257200)

[摘要]随着钻井技术的不断提高，各种复杂井、长封固段井、大位移井和非常规页岩井的固井过程中，由于钻井液中混入的油基物质，使套管和井壁表面形成油膜，影响了水泥石双界面的胶结强度，同时也影响着水泥浆的流动性、稠化时间、静胶凝强度和水泥石强度的发展，最终导致水泥浆顶替效率低、压稳失效以及水泥石本身强度和界面胶结强度差，在水泥浆凝固期间发生油气窜，造成层间封隔失败。针对这些问题优选出具有缓水性包衣材料的高吸油树脂和矿物质作为膨胀剂，设计出遇油膨胀水泥浆体系。该水泥浆体系能实现水泥石微间隙或微裂缝的遇油自修复，提高水泥环的胶结强度，阻止地层油气的窜流，实现水泥石的长期完整性。在胜利油田桩西、车西2个油区进行现场试验，油基钻井液有助于提高固井质量。

[关键词]遇油膨胀；膨胀水泥；水泥浆；水泥浆胶凝；界面胶结；固井质量

胜利油田经过多年的开发，逐渐向难动用、非常规方向发展，大斜度井、水平井所占的比例近35%。而大斜度井、水平井在钻井过程中多使用油基钻井液或在钻井液中混入原油来提高钻井液性能，维护井壁、提高钻进速度和钻井成功率。钻井液中混入的油基物质，使套管和井壁表面形成油膜，不易被水泥浆顶替，影响了水泥石双界面的胶结强度；在注水泥过程中，未被前置液顶替干净的油基物质混入水泥浆中，影响水泥浆的流动性、稠化时间、静胶凝强度和水泥石强度的发展，最终导致水泥浆顶替效率低、压稳失效以及水泥石本身强度和界面胶结强度差[1~6]。通过多年的研究实践，目前使用的可压缩水泥浆(水泥浆中加入可压缩材料或者加入惰性发气剂使水泥浆在高压时体积收缩，在环空静液柱压力下降时体积膨胀)，是利用金属氧化物结晶膨胀水泥浆，再配套以ECP(套管外封隔器)辅助压稳技术[5]，虽然能起到一定的提高固井质量、增强界面胶结的效果，但无法从根本上解决油基泥浆固井的问题。国内外对于水泥浆的研究中发现自愈水泥浆、抗CO2腐蚀水泥浆等能在水泥浆凝固之后，在遇到地层流体后能再次发生反应，实现自愈，但价格昂贵，在国内没有得到很好应用。

1技术思路

由于水泥浆固结为水泥石后有体积收缩的特性，为防止产生微间隙造成地下流体窜流，一般在水泥浆中添加膨胀材料来弥补水泥石的体积收缩[4]。但是国内目前使用的惰性气体膨胀材料和金属氧化物结晶膨胀材料都只是在水泥胶结过程中产生膨胀，在后期出现微环隙和微裂缝时无法再度膨胀[3]，对油井生产过程中的油气水窜无抑制作用，影响油井寿命。为了使水泥浆在候凝期间遇油性能不变，同时胶结后的水泥石遇油能产生一定的体积微膨胀，就需要研究一种遇油能膨胀的材料，通过控制材料的吸油膨胀的速率和膨胀率，弥补水泥浆体积收缩，增强界面胶结，同时在水泥浆产生微裂缝和微间隙时遇油膨胀材料能吸收窜出的油再次膨胀，填充裂缝和微间隙，从而实现水泥石自愈。

2遇油膨胀剂的作用机理

遇油膨胀剂主要是具有缓水性包衣材料的高吸油树脂和矿物质，结构中含有亲油基团[7]。在水泥浆水化过程中，其包衣材料与水接触逐渐溶解，吸水树脂中的亲油基链段吸附油分子，油分子进入到树脂的网络结构中，当吸附的油分子足够多时，高分子链段开始伸展，树脂发生溶胀，水泥石的体积也开始相应膨胀[2]。在实际应用中，可以通过控制包衣材料的溶解速率，实现膨胀材料在水泥水化过程中膨胀，水泥候凝过程中膨胀和出现微裂缝和微环隙时自愈性膨胀。

3遇油膨胀剂对水泥浆性能影响

3.1　膨胀剂对水泥浆基本性能的影响

在API水泥检验的试验条件下，水泥浆随膨胀剂质量分数增加各项性能的变化如表1所示，可以看出，常规水泥浆的密度、流动度、强度随遇油膨胀剂加入量增加变化不大，稠化时间略有延长。

3.2　膨胀剂对水泥石膨胀率的影响

表1　遇油膨胀水泥浆常规性能

注：水泥类型为G级高抗水泥；水灰比为0.44；测试条件为52℃×35.6MPa。下同。

膨胀剂质量分数对水泥石膨胀的影响可分为2个部分：一是与水泥浆内部混油的膨胀，通过在水泥浆中混入一定比例的油测定其24h膨胀率。二是水泥石在油基环境中的二次膨胀，通过将前面已经凝固的水泥石继续放入柴油中养护48h，测定其膨胀率，结果如表2所示，膨胀剂在混有油的水泥浆里具有明显的膨胀作用，并随着膨胀剂质量分数的增加，膨胀率增大；膨胀剂的二次膨胀效果明显，并且随质量分数的增加膨胀效果越好。

表2　水泥石的膨胀率统计表

3.3　膨胀剂对水泥石致密性的影响

经电镜扫描(见图1、2)。发现加入遇油膨胀剂的水泥浆早期形成的水泥石的内部结构含有较多的空隙，而在煤油中养护后的水泥石更加密实、空隙少。说明在油基物质存在的情况下，水泥石中的吸油膨胀材料能再次产生微膨胀，充填水泥石中的微空隙。

图1　24h水泥石的扫描电镜照片　　　　　　　　　　图2　油基养护后水泥石的扫描电镜照片

4遇油膨胀水泥浆体系的室内研究

根据遇油膨胀水泥浆体系设计方案，经过室内与多类固井添加剂调配试验，优选出适用于浅井与中深井的2种遇油膨胀水泥浆体系。

体系Ⅰ：100%高抗硫G级油井水泥+2.5%SGZQ早强剂+2.0%SGJS-Ⅱ降失水剂+2.5% SSJ遇油膨胀剂+0.75%SGJZ分散剂+2.0%SGPZ-1膨胀剂(52℃×35MPa)。

体系Ⅱ：100%高抗硫G级油井水泥+1.0%SGJS-1降失水剂+0.5%SGJZ分散剂+2.5% SSJ遇油膨胀剂+2.0%SGPZ-1膨胀剂+0.2%CH-1缓凝剂(110℃×60MPa)。

体系Ⅰ、Ⅱ具有低失水量、胶凝强度发展迅速、微膨胀、遇油再膨胀的特性(表3)。2种体系的水泥浆稠化曲线如图3所示。

表3　2种不同的水泥浆体系加入遇油膨胀剂的性能指标

图3　水泥浆稠化曲线

井号井深/m钻井液密度/(g·cm-3)一界面固井质量二界面固井质量桩123-斜4井36061.25优质合格桩702-斜17井32981.25优质合格桩23-斜411VF井40131.42优质合格车71井37501.34优质优质桩123-斜2井33801.24优质合格

5现场应用及结论

根据遇油膨胀水泥浆体系的特点，在胜利油田桩西、车西2个油区使用油基钻井液钻井的5口油井中进行了现场应用，这5口井油层显示活跃。应用情况见表4，遇油膨胀水泥浆体系在使用油基钻井液且油气显示活跃的油井固井施工中，有助于提高固井质量。

由此可得出如下结论：①遇油膨胀水泥浆体系具有较好的吸油膨胀效果，凝固后期能产生微膨胀，提高双界面的水泥胶结质量。②加入遇油膨胀材料的水泥石在地层油侵的情况下能产生再次体积微膨胀，实现微环隙或微裂缝的自修复。

[参考文献]

[1]Cavanagh P.Self-healing cement—novel technology to achieve leak-free wells[J].SPE/IADC 105781，2007.

[2]李芸芸,舒武炳,蔺福强.高吸油性树脂的研究及应用现状[J].精细与专用化学品,2007，10(15)：1~3.

[3]Li Y H ,John D F ,Carl T M.Mathematical modeling of secondary precipitation from sandstone acidizing[J].SPE39420,1998.

[4]温铁坚.化学分析[M].北京：中国石化出版社,1992.

[5]张明昌.固井工艺技术[M].北京：中国石化出版社，2007.

[6]刘崇建，黄柏宗，徐同台.油气井注水泥理论与应用[M].北京：石油工业出版社，2001：163~168.

[7]许婵婵，余金陵，徐鑫.遇水自膨胀封隔器专用橡胶的合成与性能分析 [J].石油钻探技术，2012,40(3):38~42.

[编辑]帅群

[引著格式]练钦.遇油膨胀水泥浆体系的研究及应用[J].长江大学学报(自科版) ,2015,12(29):44~46.

[中图分类号]TE256.6

[文献标志码]A

[文章编号]1673-1409(2015)29-0044-03

[作者简介]练钦(1968-)，男，高级工程师，现主要从事钻井技术与工艺方面的研究， lianqin.slyt@sinopec.com。

[收稿日期]2015-05-20