动态复杂压力下的水泥浆体系及性能评价

李治衡，张晓诚，谢涛，李进，张羽臣

（1.海洋石油高效开发国家重点实验室，天津 300459；2.中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津 300459）

注水开发是渤海油田最主要和最常用的开发手段[1-2]，长期的注水开发使得地层压力体系紊乱，复杂的压力系统致使部分区块固井质量较差，特别是第二界面胶结质量最差，井下不同压力层系间的有效封隔是难点[3-7]。同时，渤海湾馆陶组油藏纵向为上薄互层、异常高压和低压易漏失互层广泛存在，压力系统复杂，固井期间常发生井漏、窜槽等现象[8-12]。比如蓬莱油田开发L50-L102 等10 余个小层时，层间压差高达3～4 MPa，高低压交错的现象非常突出。目前，常规技术手段要求在动态复杂压力体系下的调整井固井期间，关停周边注水井，以确保固井质量[13-15]。但随着渤海增储上产目标的提出，要求调整井固井期间不停注，注水开发给固井工程带来了新的技术挑战。因此，亟需开展动态压力体系下的固井技术研究，满足不停注条件下的固井封固要求。针对动态压力体系下的水泥浆性能评价难题和固井技术难点，利用自主研发的抗动态水分散性能评价、界面胶结防窜性能测试和塑性体体积测试装置及方法，通过外加剂材料评价与优选，构建了动态复杂压力体系下的新型固井水泥浆体系，提高了渤海油田复杂压力体系调整井的固井质量。

1 水泥浆防窜性能综合评价方法

通过抗动态水分散性能评价装置、界面胶结防窜性能测试装置和塑性体体积测试装置，能够评价水泥浆的动态抗水分散能力和固化后水泥环的防窜能力，形成了适用于动态复杂压力下水泥浆防窜性能综合评价方法，为优化水泥浆配方、提高水泥浆的防窜性能提供了依据和参考。

1.1 抗动态水分散性能评价装置和方法

水泥浆抗动态水分散性能评价装置示意图见图1 所示，该装置可以模拟注水泥期间至初凝前水泥浆被动态地层水水侵的过程，可用于抗水分散剂的筛选和水泥浆体系的抗水侵能力评价。该装置的评价原理为：优选孔径为0.015 mm 的尼龙滤网和金属滤网，以实现对模拟地层水和水泥浆的隔离，同时也能让旋转水流对模拟候凝过程中的水泥浆形成冲刷、扰动。通过控制转子搅拌速度以模拟不同流速的地层水对水泥浆的侵扰，带有大量OH-的水泥浆被水侵溶解分散后，在浓度差、离子势能的作用下，水泥浆中的OH-会进入模拟地层水，导致其OH-含量增加，pH 值增大。水侵越明显，OH-交换越频繁，因此模拟地层水中OH-浓度即pH 值的变化能够表征水泥浆抗地层水侵扰的能力。同时，可根据水泥浆初凝后滤网上水泥浆体的结构和状态，定性分析水泥浆的抗水分散能力。pH 值越小且稳定，滤网上浆体结构越密实，水泥浆抗水分散能力越强。

图1 抗动态水分散性能评价装置

1.2 界面胶结防窜性能测试装置及方法

利用平流泵提供动态水压，即压力为0～5 MPa 的交替变化水压，使模拟地层（具有一定渗透率的人造岩心）水在压差作用下侵蚀模拟固井第二界面上的水泥浆，干扰模拟固井二界面上水泥浆的凝结过程，从而实现模拟固井水泥浆在固井候凝过程中被地层水水侵的目的，如图2 所示。

待水泥浆凝固后，利用手动计量泵通过底盖测窜口向固井二界面慢慢加压，当模拟二界面上部出水时（测窜出口压力增加），记下此时测窜入口压力表的读数，即模拟地层与水泥浆胶结面的窜通压力（见图2 b）。同时，将水泥环和模拟岩心退模后，测定模拟地层与水泥浆胶结面的胶结强度，也可以反映出水泥浆的抗窜能力。窜通压力越高，水泥浆抗窜能力越好，胶结强度越高，水泥浆防窜能力越好。

图2 动态压力下界面胶结防窜性能测试装置

1.3 塑性体体积测试装置和方法

水泥浆塑性体体积测试装置是将一定体积水泥浆试样用薄壁胶袋封装后，置于广口瓶内并使瓶内充满液体，然后把广口瓶放入恒温养护箱中，读取不同时刻移液管液面的高度，水泥浆终凝之前的读数反映了水泥浆在塑性阶段的体积收缩膨胀特性。

2 动态压力下新型水泥浆体系研究

渤海油田动态复杂压力体系下固井水泥浆体系优化的方向是水泥浆的防窜性能和水泥石的防窜性能，通过抗动态水分散剂、膨胀剂、增韧剂以及缓凝剂等外加剂材料的评价与优选，最终得到具有防窜增韧和膨胀性能的一套水泥浆体系。

2.1 外加剂材料评价及优选

2.1.1 抗动态水分散剂

利用自主设计的水泥浆抗动态水分散性能评价试验装置，对比测试了CG712-F6、G81L、G34L 和B83L 等4 种稳定剂对水泥浆抗动态水分散性能的影响，结果如图3 所示。加入稳定剂后，水泥浆体系抗动态水分散的能力均有提高，加有CG712L-F6 稳定剂的效果最佳，因此，选定CG712L-F6 稳定剂为抗动态水分散剂。

图3 不同稳定剂对水泥浆抗水分散性能的影响

采用界面胶结防窜性能测试装置对比测试了CG712-F6 浆体、PL 原浆以及G 级基础浆体系的界面胶结防窜性能，实验结果如图4 所示。

图4 不同体系界面胶结防窜性能

加入CG712L-F6 稳定剂以后，水泥浆抗窜能力明显高于PL 原浆以及G 级基础浆体系，且无水窜通道产生。PL 原浆以及G 级基础浆模拟一界面均有明显的水侵后形成的沟槽，抗窜压力均较低。CG712L-F6 可保证胶结强度及改善界面防窜性能。

2.1.2 膨胀剂

采用塑性体体积测试装置和方法，实验对比了3 种不同外加膨胀剂，结果表明水泥浆的体积均产生不同程度地收缩，氧化镁型膨胀剂水泥浆的体积收缩率最小，常压下48 h 水泥石膨胀率为2.88%，所产生膨胀应力能减小微环隙的产生、提高胶结强度且不会对后期封固造成不良影响，所以优选氧化镁型膨胀剂，如表1 所示。

表1 不同膨胀剂的膨胀性能

2.1.3 增韧剂

测试了晶须和纤维材料对水泥石抗压强度的影响，实验结果见图5，其中ZRCS 为硫酸钙晶须，ZRCC 为碳酸钙晶须。由图5 可以看出，加入晶须及纤维后，水泥石的抗折强度均有明显提高。晶须的掺量较大，一般在2%～7%左右，在加量为6%时，晶须水泥石的抗折强度提升最大，加量为7%时，晶须水泥石的抗折强度出现了衰退，因为加量过大时晶须容易团聚，会在水泥石的内部形成薄弱结构，降低水泥石的抗折强度。纤维的掺量较少，一般在0.1%～0.35%，掺量为0.30%时，纤维水泥石的抗折强度提升最大，加量为0.35%时，纤维水泥石的抗折强度出现了衰退，因为纤维在水泥浆中分散性通常较差，加量过大时，容易在水泥基体形成薄弱结构，降低水泥石的抗折强度。

图5 晶须和纤维对水泥石强度的影响

进一步比较3 种增韧剂对水泥石力学性能的影响，实验结果如表2 所示。

表2 纤维和晶须水泥石的力学性能

从弹性模量和差应力可看出，纤维只是增韧，对抗压强度不利，而晶须是既可加水泥石韧性又能提高水泥石抗压强度，这是因为晶须属于微米级无机单晶，自身强度高且与水泥浆有很好的相容性，还可降低水泥石孔隙度。综合比较分析，选定ZRCC 晶须作为增韧剂。

2.1.4 缓凝剂

测试了5 种缓凝剂对蓬莱油田目标区块水泥浆稠化性能的影响，见表3。5 种缓凝剂的稠化曲线均正常，但过渡时间越短，水泥浆从流体到固体状态所经历的时间越短，环空发生窜流的可能性越小，越有利于水泥浆防窜，因此优选PC-H21L为缓凝剂。

表3 目标区块不同缓凝剂水泥浆的凝结性能

2.2 新型水泥浆体系配方确定及性能评价

根据蓬莱油田目标区块的工况，结合对膨胀剂、增韧剂的优选以及抗动态水分散和水泥浆凝结时间优化实验结果，开发形成了一套适用于动态复杂压力体系下的新型防窜水泥浆体系，配方如下。该体系与该区块原始体系的密度、流变性能和失水量相近，但抗压强度提高18.6%，抗折强度提高34.0%，胶结强度提高28.7%，抗水窜压力提高60.8%，水泥浆防窜性能大幅提高，新型防窜水泥浆的性能见表4 所示。

表4 新型防窜水泥浆性能表

原始水泥浆（1#）1.3%分散剂CG712L-F6+1.3% 增强剂PC-GS12s+0.85% 消泡剂PC-X60L，水灰比为0.7

新型水泥浆（2#）3%膨胀剂MgO+7.02%抗动态水分散剂CG712L-F6+2%增韧剂ZRCC 晶须+0.2%PC-H21L+1.3%CG712L-F6+1.3%PC-GS12s+0.85% PC-X60L，水灰比为0.7

可以看出，新型防窜水泥浆抗水分散能力显著提高，水泥浆体积收缩率明显下降。特别是在模拟条件下养护1 d 后，3.7 MPa 水压下可稳压60 s，5 MPa 左右才窜通，而原始配方窜通压力为0 MPa，实验结果见图6～图8 所示。

图6 水泥浆抗动态水分散性能对比

图7 不同水泥浆体系塑性阶段的体积变化率对比

图8 不同水泥浆体系硬化阶段的体积变化率对比

3 现场应用

目前，该新型防窜体系已在蓬莱油田目标区块完成了现场应用试验，该区块由于长期注水开发，预测L40～L90油组可能存在3.2 MPa 的压力亏空和2 MPa 的超压，高低压同层，压力体系复杂，固井封固难度大。同时，X2 井距离断层F501 最近距离180 m，固井漏失风险高，周边最近的注水井相距145 m。另外，根据实钻井对比，X2 井在L60～L80油组（垂深1222～1330 m）可能有气层发育，增大了固井难度。针对X2、X44、X30 和X39 井存在的固井难点，采用新型防窜水泥浆体系进行固井，固井过程中周边注水井不停注，水泥浆施工性能优良，试验井固井注水泥施工正常，储层段固井质量评价结果见表5 所示。由表5 可知，采用新型防窜水泥浆体系的4 口井固井质量较对比井固井质量有大幅提升，X02 井固井质量中等及以上占比较邻井Y02 井提升了35.7%；X44 井固井质量中等及以上占比较邻井Y42 井提升了22.3%；X30 井固井质量中等及以上占比高达81.6%；X39 井固井质量中等及以上占比69.9%。

表5 蓬莱油田试验井固井质量

4 结论

1.为满足动态复杂压力体系下的水泥浆防窜性能评价需求，利用自主设计研发的抗动态水分散性能评价装置、界面胶结防窜性能测试装置和塑性体体积测试装置，形成了适用于动态复杂压力下的水泥浆防窜性能综合评价方法。

2.在渤海油田调整井固井注水泥期间，周边注水井不停注的前提下，针对复杂压力体系固井难题，通过抗动态水分散剂、膨胀剂、增韧剂和缓凝剂等外加剂材料的评价与优选，开发出一套适用于渤海油田动态压力体系固井的新型防窜水泥浆体系。

3.应用表明，新型防窜水泥浆较目标区块原始水泥浆的防窜性能更加优良，可大幅提高复杂压力体系下的调整井固井质量，满足调整井固井注水泥期间注水井不停注的要求，推广应用前景广阔。