高密度水泥浆固井胶结面密封性评价研究

罗 静

(中海油田服务股份有限公司，河北 廊坊 065200)

在高温高密度油井环境下开展固井作业的过程中，水泥浆体系的胶结面密封性能备受关注，水泥与套管和水泥与地层之间的良好的胶结质量，对于有效地封隔地层来说是很重要的。胶结不好会影响采油和注水(汽)的效果。泥浆顶替不良、由于过多的泥饼造成的水泥与地层胶结质量差、由于内部压力或热应力导致的套管伸缩和钻井液或地层流体引起的水泥污染等因素，都可能导致地层间的串通。在这些情况下，在水泥与套管或水泥与地层之间的界面上常常出现较小的间隙，称“微环隙”。在这样的环境中，胶结面密封性能的有效评价和优化对于防止地层流体侵入、维持井筒完整性以及提高油井产能至关重要[1]。随着石油工业的不断发展和高温高密度井的增多，对高温高密度水泥浆体系的固井胶结面密封性能进行深入研究十分关键，井下的复杂环境如高温、高压、高密度、酸性等给胶结面密封性能带来了挑战[2]。现有研究表明，由于各种工况使井筒内压力不断变化，使水泥环本体破坏或胶结界面破坏，是环空带压发生的原因。通过对水泥浆进行优化，得到与井下环境相适应的水泥浆体系，对保持井筒完整具有积极作用；针对水泥环产生的胶结失效问题，可以通过提高水泥环的胶结强度达到提高水泥环密封能力的目的。因此，需要开展水泥浆体系的密封能力评价实验，通过实验测量出水泥浆体系的胶结强度，找出影响水泥石胶结强度的主要因素，最终提出对水泥浆体系的优化建议。

本次研究主要是通过实验的方式，分别分析膨胀剂加量、环空补偿压力以及养护温度对于固井胶结面密封性的影响，为优选水泥浆体系、优化固井施工工艺奠定基础。

1 水泥浆体积膨胀性实验

1.1 实验仪器

在此次研究中所使用的仪器如图1所示。反应釜用于容纳和混合高温高密度水泥浆体系的成分，以模拟井下条件，在反应釜内，你可以控制温度、压力和搅拌，以确保水泥浆体系在实验中处于所需的条件下进行反应和测试。加热装置用于提供所需的高温环境，以模拟井下高温条件，这有助于评估水泥浆体系在高温下的性能，包括黏度、流动性和化学反应等。位移传感器用于测量水泥浆体系的体积变化或位移，这对于评估水泥浆的膨胀、收缩或体积变化等性能非常重要，位移传感器可以记录实验期间的体积变化，以进行后续分析[3]。压力传感器用于监测水泥浆体系中的压力变化，这对于模拟井下高压条件以及评估水泥浆的密封性能非常重要，通过压力传感器可以测量水泥浆中的压力，以确定其耐压性和封堵能力。压力泵用于提供实验中所需的压力，以模拟井下的压力条件，这有助于测试水泥浆体系在高压环境下的性能，包括密封性能和抗压能力。

图1 实验仪器Fig.1 Experimental instrument

在开展高温高密度水泥浆体系固井胶结面密封性能评价研究的过程中，开展水泥浆体积膨胀性实验是非常重要的，水泥浆体积膨胀性实验可用于评估水泥浆在高温高密度条件下的密封性能，这对于固井胶结面的密封性能至关重要，因为井下环境可能受到高温、高压力、和化学腐蚀的影响，需要确保水泥浆能够有效地封堵井壁，防止流体和气体的泄漏。水泥浆体积膨胀性实验允许模拟井下高温高密度环境下的条件，这有助于了解水泥浆在实际工作条件下的表现，这些实验可以帮助工程师和研究人员更好地理解水泥浆在井下作业中的行为[4]。水泥浆体积膨胀性实验可以提供关于水泥浆胶结质量的信息，如果水泥浆体积膨胀性能不佳，可能会导致胶结不牢固或存在缺陷，从而降低了井壁的稳定性和密封性。固井是油气勘探和生产中的关键步骤之一，通过进行水泥浆体积膨胀性实验，可以确保选择的水泥浆体系在高温高密度条件下能够正常工作，提高了固井的安全性。水泥浆体积膨胀性实验的结果可以用于优化水泥浆的配方，根据实验结果可以调整水泥浆的成分和配比，以满足特定的井下要求，提高固井的成功率[5]。

1.2 实验材料

本研究所使用的实验材料如表1所示。水泥是水泥浆的基础成分，其主要作用是在水化反应中形成胶状物质，将其它颗粒粘合在一起，从而形成坚固的胶结体系，水泥也负责提供固井材料的强度。铁矿粉通常被用作密度增加剂，以增加水泥浆的密度，以适应特定井下环境的需求，它还可以帮助控制水泥浆的流变性能。硅粉通常用作稀释剂，用于减少水泥浆的密度，并改善其流动性，它可以用来调整水泥浆的流变性能，以满足特定的井下要求。增韧剂是用于改善水泥浆的弹性和韧性的添加剂，它们有助于减少水泥浆的脆性，增加其耐受井下振动和应力的能力。分散剂用于防止水泥浆中的颗粒聚集，保持颗粒分散均匀，有助于维持水泥浆的稳定性和均匀性。降失水剂用于减少水泥浆的流失和滤失，这是在固井操作中不希望发生的现象，有助于提高水泥浆的密封性能。缓凝剂用于延长水泥浆的凝结时间，以确保在固井操作期间有足够的时间将水泥浆注入到井中，并确保它能够完全胶结和固化。这些成分的选择和使用根据具体的井下条件、固井设计和所需的性能来确定，以确保水泥浆体系能够满足井下环境的要求，同时确保井壁的密封性和稳定性。

表1 实验材料Table 1 Experimental materials

1.3 实验步骤

根据研究的具体目的和设计要求，制备高温高密度水泥浆体系的样品，确保按照所需的水泥、添加剂、密度调整剂等成分和配比进行制备，准备用于进行水泥浆体积膨胀性实验的装置，包括密闭的反应釜，以确保实验环境能够达到高温高密度的井下条件，将预先制备好的水泥浆样品装载到实验装置中，确保采集足够数量的样品，以进行多次试验和可靠的数据分析。开始升温和升压过程，以模拟高温高密度的井下环境，根据研究需求，设定所需的温度和压力条件，通常是高温高压条件，在实验过程中，使用位移传感器或其它测量装置监测水泥浆样品的体积变化或位移，记录膨胀过程中的数据，包括时间、膨胀率和压力等参数。在实验过程中，持续记录实验数据，以确保准确和可重复的实验结果，这些数据将用于后续分析和评估，使用实验数据计算水泥浆样品的膨胀率或膨胀系数，这些计算可以通过比较不同样品在不同条件下的膨胀性能，来评估水泥浆在高温高密度条件下的表现，对实验数据进行分析，总结水泥浆体积膨胀性能的研究结果。

2 结果与讨论

2.1 膨胀剂加量的影响

如图2所示，随着膨胀剂添加量的增加，壁面胶结强度也逐渐增加。这主要是因为部分添加剂，如硅粉和铁矿粉，通常具有微细颗粒的性质，当这些颗粒被添加到水泥浆中时，它们可以填充水泥颗粒之间的空隙，这种颗粒填充效应可以增加固井浆体系的密度，并促进颗粒之间的物理交互，从而增加胶结强度，添加剂可能具有表面活性，能够在颗粒表面形成化学键或吸附到水泥颗粒上，这可以改善水泥颗粒之间的黏附力和相互作用，有助于提高胶结强度，某些添加剂可能会与水泥浆中的成分发生化学反应，产生胶结物质，进一步增强胶结强度，这种化学反应通常涉及水泥中的水化过程，其中水泥成分与添加剂之间发生交互作用，在高密度水泥浆体系中，增加一些高密度调节剂，如铁矿粉，可以提高水泥浆的密度，密度增加有助于提高固井浆体系的稳定性和密封性，从而增加壁面胶结强度。增韧剂和分散剂可以调节水泥浆的流变性质，通过改变水泥浆的流变性能，可以更好地控制其流动性和流变行为，从而改善固井浆体系的胶结性能。

图2 膨胀剂加量对壁面胶结强度的影响Fig.2 Effect of expansion agent dosage on wall bonding strength

2.2 环空补偿压力的影响

环空补偿压力的影响实验结果如图3所示，分析发现，随着环空补偿压力的增加，壁面胶结强度也将逐渐增加。这主要是因为高温高密度水泥浆体系在井内暴露于高温和高压下，可能会发生水化反应，导致水泥浆膨胀，当环空补偿压力增加时，这种膨胀可能会更加显著，因为增加的压力有助于推动水泥浆深入井壁裂隙和孔隙中，增加了与井壁的接触面积，从而增加壁面胶结强度。增加环空补偿压力可以导致水泥浆更紧密地填充井壁的缝隙和孔隙，这种压实作用有助于减少水泥浆中的孔隙度，增加水泥颗粒之间的物理接触提高胶结强度。高温高密度水泥浆体系的渗透性通常较低，但在高压条件下，渗透性可能会进一步降低，这意味着水泥浆更难渗透到井壁的微小孔隙中，而是更可能被挤压到孔隙中增加壁面胶结强度。环空补偿压力的增加可能会改变井壁的应力分布，压力增加可能会导致井壁周围的应力更加均匀分布，从而减少了井壁的应力集中区域有助于提高壁面胶结强度。环空补偿压力的增加必须在合适的范围内进行，过高的压力可能会导致井下问题，如井漏或井壁破裂，因此，对于具体的固井设计，需要仔细考虑环空补偿压力和水泥浆性能之间的平衡，以确保固井胶结面的密封性能得到最佳的维护。

图3 环空补偿压力对壁面胶结强度的影响Fig.3 Influence of annular compensation pressure on wall bonding strength

2.3 养护温度的影响

养护温度的影响实验结果如图4所示，通过分析可以发现，随着养护温度的增加，壁面胶结强度也将逐渐增加。这主要是因为水泥的水化反应通常在高温下更快，养护温度的升高会促进水泥颗粒与水之间的反应速度，这会导致水泥在固井胶结面更快地产生水化产物从而提高壁面胶结强度。在高温条件下，水泥中的胶凝物质形成得更快，这些胶凝物质有助于填充井壁表面的孔隙和微裂缝，增强了水泥浆与井壁的物理结合。高温下水泥浆体系中的水化反应可能导致水泥浆体积膨胀，当养护温度升高时，膨胀效应可能更加明显，使水泥浆更好地填充井壁缝隙。高温条件下水泥颗粒的表面活性可能会增加，使其更容易附着在井壁表面，这增加了水泥浆与井壁的结合。高温下化学反应的热动力学变得更加有利于胶结物质的生成，这使得水泥浆更容易形成坚固的胶结层，增强了壁面胶结强度。但是过高的养护温度可能导致水泥浆体系中的脱水和开裂，在固井设计中，必须谨慎选择适当的养护温度，

图4 养护温度对壁面胶结强度的影响Fig.4 Effect of curing temperature on wall bonding strength

3 结 论

本次研究通过实验的方式开展了高温高密度水泥浆体系固井胶结面密封性能评价研究，通过此次的评价研究可以发现，随着膨胀剂加量、环空补偿压力以及养护温度的逐渐增加，固井壁面的胶结强度也将会逐渐增加，此次研究可以为保障固井作业的顺利开展奠定基础。