防窜膨胀水泥浆的应用

杨亚馨

【摘 要】在固井过程中，为了防止环空二界面微间隙的产生，尤其是为了开发不收缩水泥浆体系以保证层间封隔质量，在室内进行了环空水泥封隔实验，并且对所开发的膨胀水泥浆体系的性能进行了室内实验评价。实验结果表明，根据地层实际情况而设计的膨胀水泥浆体系能够有效地封隔地层，现场应用表明，该膨胀水泥浆体系能够有效地封隔储气层。本文介绍了该膨胀水泥浆体系在2个地区现场固井中的应用情况。

【关键词】层间封隔；膨胀水泥；水泥浆性能；微间隙

固井作业中水泥被顶替至地层和套管之间，其主要作用是封隔地层防止地层流体串流。油气井在寿命期内以及其被废弃之后，其层间封隔必须保证完好无损。即使在固井作业中水泥浆被正确预置至正确位置并且实现了良好的水力密封，但是，在经过一段时间后，这种完好无损的层间封隔也会消失，而这种情况多数是由于地层的微间隙引起的。

1.收缩膨胀机理

水泥的收缩和膨胀主要取决于水泥的水化产物，因为水泥的水化产物因水化成分的不同所形成的体积不同。所以宏观上表现为水泥体积的变化，即体积的收缩或膨胀。

2.膨胀水泥

本次研究所采用的膨胀水泥是在普通波特兰水泥中加入10%膨胀剂，水泥浆的膨胀性能：搅拌后的塑性粘度69cp，搅拌后的屈服值7lb/100ft2，养护后的塑性粘度79cp，养护后的屈服值7lb/100ft2。

3.机械性能

抗压强度的试验压力为41Mpa，杨氏模量取决于应力应变曲线中最适合的线性部分，最佳值为6688Mpa。

4.线性膨胀模具

水泥的线性膨胀性能是利用膨胀试验装置测量的。膨胀试验装置是由一个下底盘、一个开口的可膨胀圆环和一个上底盘组成，其中可膨胀环带有2个固定别针，安放在2个底盘之间，上下底盘之间通过一个螺丝固定。

4.1试验过程

首先在倒入水泥浆以前要对试验模具在一定温度下进行水浴养护加温。然后倒入水泥浆，此时测量可膨胀环2个别针之间的距离D1，接着把模具放在事先预热好的水浴中养护，整个试验过程中，水泥浆浸入水浴中。当水泥浆开始凝固膨胀时，膨胀环的外径开始变大，此时测量膨胀环2个别针之间的距离D2。

4.2水泥浆配置

试验采用G膨胀水泥，密度为16.4ppg，水泥浆制备规范为API标准配置规范。膨胀剂采用干混模式。

5.环空模拟试验

环空模拟试验装置由2个同轴钢桶组成，这两个钢桶的直径大小不同，内部钢桶内外径为111mm和113mm，外部钢桶的内外直径分别为196mm和198mm，内外钢桶的高度为80mm，内部钢桶用来模拟井下条件中的套管，外部钢桶用来模拟地层。应变测量仪安装在钢桶上用来测量他们的切向变形，径向变形和位移变形。在内部钢桶的内表明安装三个应变测量仪，在外部钢桶的外表面安装三个应变测量仪，这三个测量仪大于成120 度角。钢桶固定在加热箱的底盘上，然后在2个钢桶的环空中倒入水泥浆，置于温度传感器用来测量水泥浆的温度，并且检测水泥浆的水化过程，应变测量仪通过惠斯电桥通将信号传递到数字接收装置。

为了准确模拟不同地层的情况，外部钢桶的厚度变化范围为1mm～10mm，最小厚度1mm的外部钢桶用来模拟松散的砂岩，而10mm厚度的钢桶模拟较硬的砂岩。

加热箱预先加热至实验温度直至测量仪显示的数字信号稳定不变。此时设置测量仪的起始测量数据以避免钢桶的变化而影响实验结果，把水泥浆倒入钢桶的环空中，并使水泥浆上面覆盖大约10mm厚的水层，水层之上覆盖适当的油层，以避免水的蒸发。

水泥浆的制备。

采用G级油井水泥，配置水泥浆密度为16.4ppg，膨胀剂采用干混的形式。膨胀实验主要关注地层强度对水泥浆膨胀性能的影响，即外部钢桶厚度分别为1mm A装置和厚度为10mm的B装置。

6.线性膨胀实验结果

实验温度为170℃，膨胀剂加量为10%，2个星期后測量水泥石的线性膨胀率为3%，在水泥浆凝固后水泥石的膨胀就开始了。

7.环空模拟实验结果

实验装置A外部套管代表松软地层，如松散的砂岩，在整个实验过程中，测量内部钢桶的径向应变保持恒定基本为0，这一实验结果表明水泥环在内部钢桶上的施加应力不大，即表明套管与水泥环之间的胶结质量较差。

相反的，外部钢桶的测量值随时间的增加而增加，并在7000min时到达最大值500μstrain，这一实验结果表明水泥环发生了膨胀并在外部钢桶上施加了一定的压力，即在外部钢桶上产生一定的应力，在水泥浆凝固以后水泥的膨胀就开始了。实验结果证实了参考文献中作者的理论观点，水泥浆的膨胀方向趋于地层方向，同时实验结果表明膨胀水泥不适合封固松散地层，因为松散地层不能在界面上提供反作用力，并且在界面上有产生微间隙的可能性。

实验装置B的外部钢桶代表硬地层。虽然装置A和B实验用材料、试验条件相同，但是实验结果却大相径庭。外部钢桶测量的最大应力为80μstrain，而内部钢桶的最大值为270μstrain。

由于水泥膨胀因而在外部钢桶上产生一定的压力，同时由于外部钢桶比较坚硬可以取代或者抗拒水泥的膨胀力，此时水泥的膨胀趋向内部钢桶的方向，在这种情况下，膨胀水泥在套管和地层2个界面都产生一定压力，所以在坚硬的地层使用膨胀水泥能够产生良好的水利密封。

8.现场实例研究

膨胀水泥浆体系的主要应用之一是用来封隔气井，气井主要指天然气井和煤层气井。一旦气井存在微间隙，气体很容易向地面方向产生窜流，因此，在封固气井时必须保证良好的层间胶结质量。由于挤水泥作业费用很高，所以固井作业最主要的目标就是必须保证生产套管的固井质量。此外，储气层上通常伴有盐层，而盐层进行钻井作业时通常采用密度较高的钻井液。因而，封固盐层就会产生新的挑战。在开发衰竭油气藏中需要采用低密度钻井液。如果套管已经安放完毕而且封隔盐层采用高密度水泥，而在后续的作业中需要采用低密度钻井液，此时由于地层压力减小，就容易在套管和水泥界面产生微间隙。另外，在封隔盐层时形成的微间隙通常是因为水泥浆在盐层的稀释造成的。实验表明在封固盐层时水泥浆通过盐层并返至地面时，水泥浆中盐的含量已经大约为4%。下面实例中所使用的膨胀水泥与试验中所使用的膨胀水泥相同。

实例1：

由温特斯豪天然气公司开发的天然气藏位于白云石地层，在气层的顶部是一个巨大的镁灰岩，实例井是大位移井，121/4裸眼段处的最大井斜为850，下入7〞尾管固井，所以对这口实例井来说，在生产套管处得到良好的胶结质量非常重要。 由于砂岩地层有漏失发生，所以下入133/8〞套管作为尾管，并采用低密度水泥进行固井。95/8〞生产套管下至3000-3400mm（井底静止温度85-95℃），采用2中水泥浆体系进行固井，低密度水泥浆密度为1.45kg/l作为领浆，膨胀水泥作为尾浆，其密度为1.94kg/l，膨胀水泥采用饱和盐水进行配置。水泥浆返至133/8〞尾管100米处。采用盐水隔离液，现场施工按照计划进行。顶替排量3000l/min，测井曲线表面水泥浆胶结情况良好。

9.结论

环空试验表明在松散地层使用膨胀水泥浆固井存在一定的风险：即容易在套管水泥界面产生微间隙，主要原因在于膨胀水泥径向膨胀的反作用力太小。膨胀水泥适合封隔硬度较大的地层，因为硬地层能够提供膨胀水泥膨胀所需的反作用力。因此可以得到良好的水利密封。膨胀水泥在凝固后就开始膨胀，并且这种膨胀过程可以持续几天的时间。水泥石在两个界面的胶结强度随时间的延长而增加。现场应用实例表明膨胀水泥可以有效地封隔盐层地层。 [科]