一种预防气窜的固井前置凝胶体系

秦国川，许明标，宋建建，王学力，张 帅，周 俊

（长江大学 石油工程学院，湖北 武汉 430100）

一种预防气窜的固井前置凝胶体系

秦国川，许明标，宋建建，王学力，张 帅，周 俊

（长江大学 石油工程学院，湖北 武汉 430100）

本实验目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于固井过程中的防气窜前置凝胶体系，该体系具有以下特点：（1）与水泥浆具有良好的配伍性，与水泥浆任意比例混合不会污染水泥浆，具有较高的施工安全性；（2）该凝胶流变性良好、性能稳定，具有现场施工安全方便的特点；（3）该凝胶固化后具有很高的弹性，受力14kN时，压缩1cm后仍可恢复；（4）封隔性能良好，在承受13MPa压力时，未漏压。

预防；气窜；固井；前置凝胶体系

水泥环的层间封隔失效以及水泥环破坏会给天然气井安全长期高效的开发带来了很大影响。环空带压问题会减少天然气井的开发周期，需要昂贵的补救成本，并需要较长的补救时间，影响了天然气井的产量，且成功率低。因此，笔者设计了一种综合性能好的特别是稳定性好，具有高强度、高弹性的凝胶段塞也不失为一种预防天然气井环空带压降低成本的有效措施。对于天然气井环空带压，应以预防为主、治理为辅[1]。

1 设计思路

固井作业后的环空带压、气窜是所有气井固井都要面对的一个工程技术难题，如果环空窜流没有办法得到控制，将会导致井喷，甚至可能导致整个油井的报废，从而造成巨大的损失。因此，研制一种与水泥浆配伍性良好，与管柱及水泥环胶结质量好，可压缩可恢复的固井前置凝胶体系可以预防环空带压的相关问题。

在固井首尾浆之间，加入一段性能优异的凝胶段塞，防止流体上窜，阻止环空带压形成。该凝胶段塞是具有封隔器功能的弹性体系，压缩后可恢复。

2 实验部分

2.1 材料及仪器

（1）试验材料：自制SZ树脂；固化剂212；铁矿粉；oe-70；膨胀材料 SINA；阻聚剂 sDD；“JH”G 级水泥；增强剂STR；降滤失剂FLO-S；分散剂DISP-S；水泥缓凝剂H21L；膨胀剂bond；消泡剂 DESIL；增韧剂Latex（上述材料均来自荆州嘉华科技有限公司）。

（2）试验仪器：高速搅拌器；六速旋转粘度计；高温高压稠化仪；高温高压养护釜；万能力学试验机；密度计；固井壁面验窜仪。

2.2 试验方法

（1）SZ树脂的制备 将一定量的 MT103、MT135、MT122和去离子水按比例加入到反应釜中，80℃反应4h，反应完全后冷却，然后向其中加入氢氧化钠溶液，在85℃下进一步反应3h，冷却后将所得的材料进行冲洗，干燥后得固体颗粒，再加溶剂溶解即可得到SZ树脂。

（2）凝胶体系及水泥配方 凝胶体系：100%SZ树脂＋17%固化剂212＋9%阻聚剂sDD＋0.3%膨胀材料SINA＋106%铁矿粉（密度为1.90g·cm-3）。

水泥：100%“JH”G级水泥＋46.25%淡水＋2.25%降滤失剂FLO-S＋0.5%分散剂DISP-S＋1.5%增强剂STR＋1.25%膨胀剂bond＋2%增韧剂Latex＋0.63%缓凝剂H21L＋0.5%消泡剂DESIL（密度为 1.90g·cm-3）[2]。

（3）试验步骤 将水泥与凝胶体系分别配置好后，然后按照9∶1～1∶9的比例充分混合，放入高温高压稠化仪中，在40MPa、80℃和45MPa、90℃条件下观察现象。

将水泥与凝胶体系按比例充分混合后，依次作以下处理测定流变性能：置于常压稠化中，80℃、90℃条件下养护20min，然后测定混合流体在Φ：600、300、200、100、6、3 时的流变性。这里应注意的是：每次测流变性之前应用高速搅拌器将钻井液搅拌至少3min[3]。

3 结果与讨论

由于该种凝胶体系直接与固井水泥浆接触，所以研究一下与水泥浆的配伍性是很有必要的，其与水泥浆任意比例混合不会污染水泥浆，具有较高的施工安全性，不影响水泥浆的稠化时间、流变性能及强度。

3.1 凝胶体系对水泥浆稠化时间的影响

本次实验主要做了在80℃与90℃时，凝胶体系对水泥浆稠化时间的影响，实验结果见表1、2。

表1 凝胶体系对水泥浆稠化时间的影响（80℃）Tab.1 Effect of gel system on thickening time of cement paste（80℃）

表2 凝胶体系对水泥浆稠化时间的影响（90℃）Tab.2 Effect of gel system on thickening time of cement paste（90℃）

由表1、2可以看出，当水泥浆比例占据较多组分时，稠化时间会延长，但并不影响最终的稠化，当树脂比例占多数时，稠化时间会相对减少，但有一点要知道，当水泥浆稠度达到90Bc以上后，水泥会迅速固化，凝结成块，但该凝胶体系在稠度达到90Bc以后，依旧可以流动。所以树脂对水泥浆稠化时间的影响并不是很大，并不影响最终的施工效果。

3.2 凝胶体系对水泥浆流变性能的影响

国内外钻井界常用的流变模式有宾汉、幂律、赫-巴模式等，对具体液体进行流变模式优选，其方法可用F比值法，F值用六速旋转粘度计φ300、φ200、φ100转的读值计算，公式为：

当F=0.5±0.03时选用宾汉流变模式，反之则应选用幂律流变模式。

对于水泥浆的流变参数，通常采用直读式旋转黏度计测定不同转速条件下的读数，然后计算求取[4，5]。

表3 凝胶体系对水泥浆流变性能的影响（80℃）Tab.3 Effect of gel system on rheological properties of cement paste（80℃）

表4 凝胶体系对水泥浆流变性能的影响（90℃）Tab.4 Effect of gel system on rheological properties of cement paste（90℃）

由表3、4可以看出，在80与90℃温度下，凝胶体系与水泥浆各种比例的混合后，其流线性能影响不大，流变模式未改变，均为宾汉模式流体，流变性能良好，不影响泵送。

3.3 凝胶体系的性能评价

3.3.1 凝胶弹性评价 将配置好的凝胶放入80℃，20MPa条件下的养护釜中，养护24h，然后取出后使用万能力学试验机测定其强度。结果为：在受力14kN下，凝胶模块被压缩约1cm，去除压力后，模块恢复原有状态。由此可得该凝胶体系具有良好的抗压强度和弹性。

3.3.2 凝胶体系封隔性能评价 实验室利用固井壁面验窜仪，对凝胶体系的封隔性能进行了评价，具体评价结果见表5。

表5 凝胶体系封隔性能评价Tab.5 Evaluation of gel system blocking performance

由表5可知，该凝胶体系固化后，承压能力可达到13MPa。因此，该种凝胶体系拥有良好的封隔性能，可以达到防气窜的目的。

4 结论

（1）研究表明，本文所述的凝胶体系具有良好的抗压强度及弹性，且与水泥浆配伍性良好，各种混合配比后，对水泥浆的稠化时间流变性能均未产生严重地影响。

（2）该凝胶体系性能优异，具有良好的抗压强度和弹性，良好的封隔性能。应用于固井水泥浆的前置液中，为预防环空带压提供可靠的施工保证，从预防环空带压的角度，该凝胶体系在固井工程有广阔的应用前景。

［1］ 朱达江.气井环空带压机理研究［D］.西南石油大学博士论文，2014：11-20.

［2］ 许明标，宋建建，王晓亮，等.水平井全井段封固双凝防漏水泥浆技术［J］.石油天然气学报，2014，36（12）:131-136.

［3］ 步玉环，王瑞和，程荣超.油气固井纤维水泥浆性能研究［J］.石油钻采工艺，2005，34（3）:25-27．

［4］ 柳贡慧，宋健，陈勉.不同混配方式对水泥浆流变性能的影响［J］.石油钻采工艺，2012，34（3）:36-39．

A cementing pre-gel system for the prevention of gas channeling

QIN Guo-chuan，XU Ming-biao，SONG Jian-jian，WANG Xue-li，ZHANG Shuai，ZHOU Jun
（University of Petroleum Engineering，Yangtze University，Wuhan 430100，China）

The purpose of the experiment is to overcome the shortcomings of the prior art and to provide a gas barrier pre-gel system for the cementing process，which has the following characteristics:（1） Good compatibility with the cement slurry（2）The gel system rheological is good，the performance is stable，with the characteristics of safe and convenient on-site construction；（3）the gel after curing has a high elasticity，force 14kN，the compression can be restored after 1cm；（4）Sealing performance is good，when the pressure to withstand 13MPa，the instrument shows no pressure.

prevention；gas channeling；cementing；pre-gel system

TE245

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20171244

2017-09-01

秦国川（1990-），男，长江大学在读硕士研究生，研究方向：钻完井液技术研究。

导师简介：许明标（1962-），男，教授，博士生导师，长江大学海洋油气工程系主任，研究方向：钻完井液与水泥浆技术研究。