纳米液硅防窜水泥浆体系性能研究及应用

魏浩光

(中国石油化工股份有限公司 石油工程技术研究院， 北京 100101)

纳米液硅是由纳米SiO2颗粒与水组成的一种悬浮分散液。经国内外学者研究，突破了制备工艺中的分散与团聚难题，形成了多种牌号的产品[2-3]。哈里伯顿、贝克休斯、中海油油服、中石化油服等公司以纳米液硅材料为核心，构建了防窜水泥浆体系[4-7]，但纳米液硅水泥浆体系的性能研究主要集中在塑态性能，忽视了流态与固态的综合性能。本文研究了纳米液硅水泥浆体系以流态、塑态、固态3种形态下存在的关键性能，包括浆体以流态存在时的基础性能、向塑态转变时的防窜性能、以固态形式存在水泥石的力学性能以及水化收缩规律等特殊性能，并分析了纳米液硅材料在各项性能变化中发挥的作用机理。最后，介绍了纳米液硅水泥浆体系在新疆顺北油田产层套管固井总体应用情况及顺北1-19井的168.3 mm套管固井实例。

1 纳米液硅水泥浆体系性能

1.1 流态性能

纳米液硅水泥浆体系由AMPS类降失水剂SCFL、纳米液硅SCLS、聚羧酸类分散剂SCD-150L、有机硅抑泡剂SCDF-3以及聚合物缓凝剂SCR-6组成。水泥浆密度为1.90 g/cm3，实验条件为130 ℃、80 MPa。实验方法参照行标《油井水泥试验方法》(SY/T 6544—2017)。

表1说明呈流态的纳米液硅水泥浆体系具有更好的幂律特征、API失水性能、稳定性。纳米液硅加量为10%、15%时，水泥浆体系幂律指数n值由0.92下降到0.76、0.69，稠度系数K值由0.13 Pa·sn增加到0.28、0.45 Pa·sn。加入10%以上的纳米液硅时，水泥浆的稳定性显著改善，自由液由0.8 mL降低为0，养护后的沉降密度差由0.13 g/cm3改善至无沉降。无纳米液硅时水泥浆失水69 mL，加入10%、15%纳米液硅时，水泥浆体系的API失水量分别为45、36 mL。

纳米液硅中的固体颗粒比表面积大，达到了23 m2/g，能大量吸附浆体中游离水，具有增黏提切性，改善浆体的流变学特征与稳定性。同时，纳米液硅中的固体颗粒粒径达到了纳米尺度，填充作用使API失水降低。

1.2 塑态性能

水泥浆进入油气井环空后，浆体将由流态向塑态转变，环空静液柱压力逐渐减小，地层流体易在环空中发生窜流。本文从气窜因子SPN值、静胶凝强度实验、气窜模拟实验3个方面研究了纳米液硅水泥浆体系呈塑态时的性能。

表1 纳米液硅水泥浆体系的流态性能

1.2.1 气窜因子SPN

影响水泥浆气窜因子SPN的主要因素是API失水与稠化过渡时间。API失水量越小，稠化过渡时间越短，SPN越低，水泥浆体系的防窜性能越好，通常要求SPN值不超过3.0[8-9]。0%纳米液硅加量水泥浆体系的SPN值3.5，加量10%与15%纳米液硅水泥浆体系的SPN值分别为1.6、1.3，分别降低了45.7%、62.9%。纳米液硅水泥浆体系具有低失水的特征。同时，纳米二氧化硅颗粒表面富含硅羟基官能团[10]，能加速水泥水化反应，加量10%与15%使水泥浆的稠化过渡时间由12 min缩短至7、5 min。因此，纳米液硅水泥浆体系的气窜因子SPN值显著降低。

1.2.2 静胶凝强度发展

静胶凝强度(SGS)发展就是水泥浆流态转变至塑态过程中的胶凝结构变化，静胶凝强度由48 Pa发展为240 Pa阶段为极易窜流的阶段，这段时间要求不超过30 min, 具体实验方法见GB/T 39421—2020。本文利用chandler超声波静胶凝强度仪，考察了纳米液硅水泥浆体系(加量10%)的静胶凝强度发展规律。图1表明纳米液硅水泥浆的静胶凝强度由48 Pa发展为240 Pa的时间仅为10 min。分析其作用机理为：纳米二氧化硅硅羟基官能团，具有促凝性，缩短过渡时间[11]。

图1 静胶凝强度发展曲线

1.2.3 气窜模拟实验

本文利用chandler气窜模拟仪[12]，开展了纳米液硅水泥浆体系塑态“失重”气窜模拟实验。将纳米液硅(加量10%)水泥浆倒入气窜模拟装置养护釜后，随着水化进行，水泥浆逐渐进入塑态“失重”，表现为孔隙压力下降，浆柱底部的气体易向上部窜流。图2为纳米液硅水泥浆气窜模拟实验曲线，在水泥浆内部孔隙压力急剧下降过程中，采集到的气窜量为零，气窜模拟实验中未见气窜现象发生。

图2 气窜模拟曲线

1.3 纳米液硅水泥浆体系固态性能

1.3.1 弹性模量

本文重点考察了纳米液硅水泥浆转变为固态水泥石后的弹性模量、强度、渗透率等工程物性参数。表2说明纳米液硅水泥石的弹性模量随着纳米液硅的加量增加而显著降低。加量15%时，降低幅度达到了38.9%。较低弹性模量可避免各种应力作用对水泥石本体、水泥石-套管界面、水泥石-地层界面造成破坏，预防窜流的发生。油井水泥石固化后，内部存在大量的微裂隙、微缺陷，致使其力学性能较差。纳米液硅填充在水泥石的微裂隙、微缺陷里，通过参与水化反应，生产水化硅酸钙凝胶产物，对水泥石内部的微裂隙、微缺陷进行修补。

表2 水泥石弹性模量

1.3.2 抗压强度

表3说明龄期1 d时，加量10%与15%的纳米液硅水泥石抗压强度比无纳米液硅的水泥石抗压强度分别提高了9.1%、22.7%；龄期3 d时，纳米液硅水泥石强度分别提高了30%、46.7%；龄期5 d时，纳米液硅水泥石抗压强度分别提高了23.5%、38.2%；龄期7 d时，纳米液硅水泥石抗压强度分别提高28.2%、35.9%。纳米二氧化硅颗粒提高水泥石抗压强度的作用机理主要有：①增加了水泥石的致密性；②具有促凝性；③参与水化反应，修补水泥石微裂隙。

表3 不同龄期水泥石抗压强度

1.3.3 渗透率

渗透率大小不仅反映了水泥石的致密性，也体现了水泥石本体的密封能力。纳米液硅的颗粒填充堵塞作用降低水泥石渗透率。无纳米液硅水泥石渗透率为0.22×10-3μm2；加量10%、15%的纳米液硅水泥石渗透率分别为0.05×10-3、0.007×10-3μm2，比普通水泥石的渗透率降低了77.3%、90.9%。

1.4 水泥浆收缩规律

水泥浆在水化反应过程中存在着较高的体积收缩率，严重时可引起油气井水泥环界面窜流。本文利用chandler高温高压膨胀收缩仪，考察了纳米液硅水泥浆体系以流态、塑态、固态3种状态存在时的收缩规律。实验结果见表4。

表4 水泥浆水化体积收缩率 %

表4说明加入纳米液硅后水泥浆体系具有更低的收缩率，0%加量纳米液硅水泥浆体系的流态、塑态、固态时的水化体积收缩率分别为0.51%、1.86%、1.64%。纳米液硅降低水泥浆收缩率的主要作用机理为限位支撑作用[13]，可以显著降低水泥浆塑态和固态收缩率。加量10%的纳米液硅水泥浆体系在塑态和固态水化体积收缩率分别为1.64%、0.56%，降低幅度为11.8%、65.8%；加量15%的纳米液硅水泥浆体系在塑态和固态水化体积收缩率分别为1.26%、0.34%，降低幅度为32.3%、79.3%。

2 应用情况

2.1 顺北地区整体应用情况

新疆顺北油田位于塔里木盆地中西部，是中国石化在碳酸盐岩海相石油勘探的新发现，平均埋藏深度超7 300 m，具有超深、超高压、超高温的特点。其产层套管固井面临的主要难题体现在：①桑塔木组高压水层，距上层套管鞋仅100 m左右，安全密度窗口仅0.03 g/cm3，极易发生水窜，应用纳米液硅防窜水泥浆体系前，水窜井比率达到了30%；②短尾管、小井眼固井，固井质量难以保证，应用纳米液硅水泥浆体系前，该区域的固井质量优良率仅70.3%；③水泥石强度不足，难以满足侧钻要求，需要多次打水泥塞施工。

截至目前，该区域产层套管固井累计应用纳米液硅防窜水泥浆技术153井次。应用后成功封住桑塔木组高压水层，应用井中未见水窜现象发生，应用井固井优良率由70%提升至91.7%。应用井最深顺北鹰1井8 520 m。

2.2 顺北1-19井168.3 mm套管固井实例

该井的构造位置为塔里木盆地塔中北坡顺托果勒低隆，属于开发井，井型为直井。本井3开理论井眼直径190.5 mm，井深7 294 m。下入168.3 mm套管，套管下深7 292 m。悬挂器位置6 356 m。钻井液密度1.62 g/cm3，黏度为57 s，动切力为24 mPa·s。主要固井难点，钻遇桑塔木组高压含水层和辉绿岩盐水层，地层多次发生漏失，安全密度窗口窄，易发生水窜。

本次固井采用纳米液硅水泥浆体系，计算井底静止温度为140 ℃，水泥浆实验温度为130 ℃。该井固井施工时注入16 m3加重隔离液，密度1.75 g/cm3，泵压1215 MPa；注入纳米液硅防窜水泥浆16.83 m3，密度1.90 g/cm3，注入排量0.6～0.8 m3/min，泵压1511 MPa；注压塞液2 m3，密度为1.75 g/cm3，注入排量为0.5 m3/min，泵压5 MPa；大泵替浆12 m3，密度为1.62 g/cm3，注入排量0.8～0.6 m3/min，泵压5～7 MPa；注保护液2.9 m3，密度1.75 g/cm3，注入排量0.5 m3/min，泵压5 MPa；大泵替浆43.67 m3，密度1.62 g/cm3，注入排量0.8～0.3 m3/min，碰压，泵压1622 MPa；检查回流，回压凡尔工作正常，起钻10柱，反循环洗井1.5周，起钻1柱。关井憋压4 MPa侯凝48 h。

开井扫塞后，经声幅测井评价全井声幅值<10%，成功封住桑塔木地层与辉绿岩盐水层，固井质量评定为优质。

3 结论

1)纳米液硅水泥浆体系以流态存在时比普通水泥浆体系具有更好的基础性能，幂律指数为0.69，稠度系数为0.45 Pa·sn，API失水36 mL，无自由液，无沉降现象。纳米液硅颗粒水泥浆体系向塑态转变时的防窜系数SPN值为1.3，比普通水泥浆体系低62.9%，静胶凝强度由48 Pa发展至240 Pa的时间为7 min，模拟实验中无窜流现象发生。

2)纳米液硅加量15%，龄期7 d时的水泥石弹性模量为8.3 GPa，降低幅度38.9%，水泥石强度为53 MPa，提高幅度35.9%。龄期7 d固化体的渗透率为0.007×10-3μm2，比普通水泥石降低90.9%。纳米颗粒具有限位支撑作用，纳米液硅水泥浆体系转变为塑态、固态后具有更低的水化收缩率，加量15%的纳米液硅水泥浆体系在塑态和固态水化体积收缩率分别为1.26%、0.34%，降低幅度为32.3%、79.3%。

3)纳米液硅水泥浆体系在顺北油田累计应用153井次，平均固井优良率91.7%，主要解决了产层套管固井的桑塔木高压水层与辉绿岩盐水层窜流难题。