遇油膨胀水泥浆体系的研究及应用

2015-03-02练钦中石化胜利石油工程有限公司渤海钻井总公司山东东营257200

长江大学学报(自科版) 2015年29期

练钦　(中石化胜利石油工程有限公司渤海钻井总公司，山东东营 257200)

遇油膨胀水泥浆体系的研究及应用

练钦(中石化胜利石油工程有限公司渤海钻井总公司，山东东营 257200)

[摘要]随着钻井技术的不断提高，各种复杂井、长封固段井、大位移井和非常规页岩井的固井过程中，由于钻井液中混入的油基物质，使套管和井壁表面形成油膜，影响了水泥石双界面的胶结强度，同时也影响着水泥浆的流动性、稠化时间、静胶凝强度和水泥石强度的发展，最终导致水泥浆顶替效率低、压稳失效以及水泥石本身强度和界面胶结强度差，在水泥浆凝固期间发生油气窜，造成层间封隔失败。针对这些问题优选出具有缓水性包衣材料的高吸油树脂和矿物质作为膨胀剂，设计出遇油膨胀水泥浆体系。该水泥浆体系能实现水泥石微间隙或微裂缝的遇油自修复，提高水泥环的胶结强度，阻止地层油气的窜流，实现水泥石的长期完整性。在胜利油田桩西、车西2个油区进行现场试验，油基钻井液有助于提高固井质量。

[关键词]遇油膨胀；膨胀水泥；水泥浆；水泥浆胶凝；界面胶结；固井质量

胜利油田经过多年的开发，逐渐向难动用、非常规方向发展，大斜度井、水平井所占的比例近35%。而大斜度井、水平井在钻井过程中多使用油基钻井液或在钻井液中混入原油来提高钻井液性能，维护井壁、提高钻进速度和钻井成功率。钻井液中混入的油基物质，使套管和井壁表面形成油膜，不易被水泥浆顶替，影响了水泥石双界面的胶结强度；在注水泥过程中，未被前置液顶替干净的油基物质混入水泥浆中，影响水泥浆的流动性、稠化时间、静胶凝强度和水泥石强度的发展，最终导致水泥浆顶替效率低、压稳失效以及水泥石本身强度和界面胶结强度差[1~6]。通过多年的研究实践，目前使用的可压缩水泥浆(水泥浆中加入可压缩材料或者加入惰性发气剂使水泥浆在高压时体积收缩，在环空静液柱压力下降时体积膨胀)，是利用金属氧化物结晶膨胀水泥浆，再配套以ECP(套管外封隔器)辅助压稳技术[5]，虽然能起到一定的提高固井质量、增强界面胶结的效果，但无法从根本上解决油基泥浆固井的问题。国内外对于水泥浆的研究中发现自愈水泥浆、抗CO2腐蚀水泥浆等能在水泥浆凝固之后，在遇到地层流体后能再次发生反应，实现自愈，但价格昂贵，在国内没有得到很好应用。

1技术思路

由于水泥浆固结为水泥石后有体积收缩的特性，为防止产生微间隙造成地下流体窜流，一般在水泥浆中添加膨胀材料来弥补水泥石的体积收缩[4]。但是国内目前使用的惰性气体膨胀材料和金属氧化物结晶膨胀材料都只是在水泥胶结过程中产生膨胀，在后期出现微环隙和微裂缝时无法再度膨胀[3]，对油井生产过程中的油气水窜无抑制作用，影响油井寿命。为了使水泥浆在候凝期间遇油性能不变，同时胶结后的水泥石遇油能产生一定的体积微膨胀，就需要研究一种遇油能膨胀的材料，通过控制材料的吸油膨胀的速率和膨胀率，弥补水泥浆体积收缩，增强界面胶结，同时在水泥浆产生微裂缝和微间隙时遇油膨胀材料能吸收窜出的油再次膨胀，填充裂缝和微间隙，从而实现水泥石自愈。

2遇油膨胀剂的作用机理

遇油膨胀剂主要是具有缓水性包衣材料的高吸油树脂和矿物质，结构中含有亲油基团[7]。在水泥浆水化过程中，其包衣材料与水接触逐渐溶解，吸水树脂中的亲油基链段吸附油分子，油分子进入到树脂的网络结构中，当吸附的油分子足够多时，高分子链段开始伸展，树脂发生溶胀，水泥石的体积也开始相应膨胀[2]。在实际应用中，可以通过控制包衣材料的溶解速率，实现膨胀材料在水泥水化过程中膨胀，水泥候凝过程中膨胀和出现微裂缝和微环隙时自愈性膨胀。

3遇油膨胀剂对水泥浆性能影响

3.1　膨胀剂对水泥浆基本性能的影响

在API水泥检验的试验条件下，水泥浆随膨胀剂质量分数增加各项性能的变化如表1所示，可以看出，常规水泥浆的密度、流动度、强度随遇油膨胀剂加入量增加变化不大，稠化时间略有延长。

3.2　膨胀剂对水泥石膨胀率的影响

表1　遇油膨胀水泥浆常规性能

注：水泥类型为G级高抗水泥；水灰比为0.44；测试条件为52℃×35.6MPa。下同。

膨胀剂质量分数对水泥石膨胀的影响可分为2个部分：一是与水泥浆内部混油的膨胀，通过在水泥浆中混入一定比例的油测定其24h膨胀率。二是水泥石在油基环境中的二次膨胀，通过将前面已经凝固的水泥石继续放入柴油中养护48h，测定其膨胀率，结果如表2所示，膨胀剂在混有油的水泥浆里具有明显的膨胀作用，并随着膨胀剂质量分数的增加，膨胀率增大；膨胀剂的二次膨胀效果明显，并且随质量分数的增加膨胀效果越好。