新型固井用防水窜材料的研究与性能评价

卢海川， 赵岳， 宋伟宾， 高继超， 胡中华， 霍明江

（1.中国石油集团海洋工程有限公司渤星公司，天津 300451；2.西部钻探青海钻井公司，青海海西 816400）

新型固井用防水窜材料的研究与性能评价

卢海川1， 赵岳1， 宋伟宾1， 高继超1， 胡中华2， 霍明江1

（1.中国石油集团海洋工程有限公司渤星公司，天津 300451；2.西部钻探青海钻井公司，青海海西 816400）

固井水窜问题是各油田普遍存在的技术难题，目前缺乏有效的解决办法。针对以上问题，从水泥浆体系出发，首先进行了防水窜材料的结构设计，然后根据结构设计，筛选出相应的防水窜原材料，并通过对其合理的复配研究，制备出了一种新型固井用防水窜材料。实验根据固井不同阶段的水窜机理，采用相应的方式对该材料的防水窜效果进行了评价，结果显示开发的防水窜材料可增加水泥浆内部结构，缩短静胶凝过渡时间，避免水泥石收缩，从而避免水泥浆在不同阶段发生水窜。另外，综合评价结果表明，新型固井防水窜材料可缩短稠化时间、增加水泥石强度，改善水泥浆稳定性，且对水泥浆稠化、流变、失水等性能无不良影响，综合性能良好。

固井；水窜；水泥浆；防水窜材料；防水窜评价；综合性能

中国大部分陆上油田均已进入高含水开发后期，即使新开发的油藏大多也采用早期注水开发方式保持地层产能，这就使固井作业面临水窜的问题。目前油气井尤其是调整井固井的水窜问题是各油田尚未很好解决的技术难题，严重地制约了油田开发战略的实施和油气采收率的提高[1-2]。固井防窜材料的研究多集中在防气窜材料的研究[3-4]，缺乏专门的防水窜材料，而水窜与气窜是不同的，水窜入水泥浆后，会直接影响水泥浆的凝固过程，而气窜则不会，因此采用防气窜的一些材料来防止水窜应用效果往往不够理想[1-5]。中国虽有一些防水窜体系[6-10]，但多采用速凝早强、膨胀、低失水、抗渗等常规外加剂简单复配的方式，这就常会导致浆体的基本性能难以调节、防窜性能不够全面等问题，且研究多集中在如何使水泥浆快速凝固，而对于水泥浆没有开始凝固前的阶段研究很少，这就可能会增加水侵的可能性，从而不能起到很好的防水窜效果。针对以上问题，从水窜机理出发，开发出了一种综合性能良好的新型固井用防水窜材料[11-14]。

1 新型防水窜材料的开发

1.1 新型防水窜材料的要求

固井水窜可能发生在水泥浆凝固的不同阶段，根据对水窜机理的分析，分别从水泥浆凝固前、凝固中以及凝固后3个不同阶段提出了防水窜材料应具备的性能。①避免水泥浆凝固前的水窜，选用可在水泥浆内部形成立体空间网络结构，且可改善水泥浆表面张力的物质，增加水泥浆内聚力，增强水侵阻力，减少水对水泥浆的影响。②避免凝固过程中的水窜，选用可明显缩短水泥浆静胶凝过渡时间的物质，从而避免因失重造成的水窜。③避免由于收缩而导致的水窜，选用可同时产生塑性膨胀和硬化体膨胀的材料。④避免由于水泥石渗透率过大导致的水窜，所选材料可在一定程度上改善渗透率。⑤避免防水窜材料影响其他性能，所选材料应对水泥浆其他性能无不良影响或具有改善作用。

1.2 新型防水窜材料的复配研究

通过大量合成、筛选，最后得到3种性能优良的原材料X、Y、Z。其中，X为具有微膨胀作用的超细粉体材料，Y为可改善表面性质的合成乙烯类共聚物，其具有两亲性，Z为具有一定促凝作用的无机材料。以上述3种材料为原材料，结合各自性能，分别从静切力、静胶凝过渡时间、膨胀率3个方面出发进行了复配研究，考察了不同配比下水泥浆的性能，结果见表1。由表1可知，随着材料X所占比例的降低与材料Y所占比例的升高，水泥浆的静切力先增加后逐渐降低，静胶凝过渡时间先变短后变长但整体变化不大，24 h水泥石膨胀率逐渐降低；随着材料Z的增加，水泥浆静胶凝过渡时间呈现较明显的缩短，当增加到一定程度后基本保持不变。以上数据表明，材料X与Y之间存在协同作用，可形成一定的内部空间结构，提高水泥浆静切力，从而增加水泥浆内部结构强度。水泥石膨胀率则主要受材料X影响，材料Z与X、Y协同作用共同影响静胶凝过渡时间。综合以上因素，结合成本问题，选择mx∶my∶mz之间的最佳比例为7∶2∶1，并将其代号定为W-1；以W-1为主剂形成的水泥浆具有较强的内部结构，较短的胶凝过渡时间以及较高的膨胀率，有利于避免不同阶段水窜的发生。水泥浆基本配方如下。

胜潍G级油井水泥+3.0%BXF-200L（AF）+4.0%防水窜材料+43%水

表1 防水窜材料不同配比下水泥浆的性能

2 新型防水窜材料性能评价

为了较好地防止固井水窜，水泥浆凝固前应具有较强的内部结构，可避免水对其的侵蚀与“溶解迁移”。按照GB/T 19139—2012规定的胶凝强度测试方法，对加入W-1的水泥浆凝固前形成内部结构的强弱进行评价，并采用室内简易的模拟装置，考察了水对水泥浆的“溶解迁移”情况。不同温度下水泥浆的胶凝强度见表2。

2.1 防水窜性能

2.1.1 凝固前的防水窜性能

实验用水泥浆配方如下。

胜潍G级油井水泥+4.0%BXF-200L（AF）+W-1+43%水

模拟装置主要由U型管和橡皮管组成，实验时在橡皮管中注入水泥浆，模拟套管与地层注入的水泥浆，为了模拟水泥浆与地层水的接触，在内部橡皮管壁上开一些小孔；U型管与橡皮管环空模拟含水地层，且可使水循环实现水的流动，从而模拟水对水泥浆的“溶解迁移”等过程。实验时，开启循环水，观察不同时间水对水泥浆的“溶解迁移”情况，结果见图1。

表2 不同温度下水泥浆的胶凝强度

图1 不同含量W-1在不同循环时间下的状态

由表2可知，加入防水窜材料W-1后，水泥浆的胶凝强度明显变大，随着加量增加，水泥浆在不同温度下的胶凝强度也明显提高，且在一定范围内温度对水泥浆的胶凝强度影响不大。这说明防水窜材料可提高不同温度下水泥浆的内部结构。由图1可知，不加防水窜材料的水泥浆在刚开始就被水大量带走，30 min后，小孔周围水泥浆几乎被全部带走，而加入防水窜材料的水泥浆几乎不受循环水的影响，在水流冲刷30 min后软管中水泥浆几乎还保持原来状态，进一步证明水泥浆具有较强的内聚力和抗水侵的能力，避免了水对水泥浆的影响。

2.1.2 凝固中的防水窜性能

采用美国千德乐静胶凝强度测试仪和水泥气液窜模拟分析仪，对水泥浆凝固过程中的防水窜性能进行了评价，考察了水泥浆在40 ℃和70 ℃下的静胶凝过渡时间和70 ℃下防水窜模拟情况，结果见表3、图2、图3和图4。

表3 不同温度下水泥浆静胶凝过渡时间对比

图2 40 ℃下水泥浆静胶凝强度发展曲线

图3 40 ℃下加入3.5%W-1水泥浆静胶凝强度的发展曲线

由此可知，加入防水窜材料W-1后，水泥浆静胶凝过渡时间明显缩短，这就可减少水泥浆凝固过程中因失重发生水窜的几率。另外，防水窜模拟实验也进一步证明了，加有防水窜材料W-1的水泥浆体系可避免水泥浆凝固过程中水窜的发生。

图4 70 ℃下加入3.0%W-1水泥浆的防水窜模拟曲线

2.1.3 凝固后的防水窜性能

按照JC/T 313—2009对W-1不同加量下的水泥石膨胀率进行了测试，采用低渗/特低渗储层伤害模拟评价系统，对水泥石的渗透率进行了测试，养护条件为70 ℃、48 h，测试流体为自来水，结果见表4和表5。由此可知，加有W-1的水泥石养护不同时间后都表现出一定的膨胀，避免了水泥浆凝固后造成的收缩，且随着防水窜材料的增加，水泥石的渗透率逐渐变小，这就为水泥石凝固后防止水窜的发生提供了保障。

表4 不同养护龄期水泥石膨胀率测试（70 ℃）

表5 水泥石渗透率测试结果（70 ℃、48 h）

2.2 稠化性能

考察了W-1对水泥浆稠化性能的影响，结果见表6。由表6可知，随着防水窜材料加量的增加，水泥浆稠化时间明显缩短，表现出较明显的促凝作用。在保证施工安全的前提下，水泥浆的快速凝固有利于避免水窜的发生；另外，根据现场需求，稠化时间的长短也可以通过加入缓凝剂进行调节。以防水窜材料W-1为主剂形成的水泥浆体系稠化时间可调，过渡时间短，稠化线形良好。

表6 W-1不同加量下水泥浆稠化性能对比

2.3 流变性能

采用OFITE900型黏度仪对不同W-1加量下水泥浆的流变性能进行了测试，结果见表7。由表7可知，加入防水窜材料后水泥浆稠度系数变大，但仍具有良好的流动性能，有利于提高顶替效率，避免水侵发生的同时可保证施工的安全性。

2.4 稳定性

对加入W-1常规密度水泥浆和不同水灰比的水泥浆的稳定性进行了考察。水泥浆经70 ℃养护20 min后，倒入量筒中放于70 ℃水浴静置2 h，测上下密度差，结果见表8。

表7 W-1不同加量下水泥浆流变性与胶凝强度对比

表8 不同W-1加量下水泥浆稳定性对比

由表8可知，没有加W-1的水泥浆随着水的增加，稳定性会明显变差；而加有W-1的水泥浆可保持极好的稳定性，即使在水灰比迅速增加的情况下，水泥浆具有很好的稳定性。

2.5 失水量、抗压强度性能

通过改变W-1的加量，考察了W-1对水泥浆失水量、水泥石抗压强度的影响，结果见表9。采用静胶凝强度测试仪对加有3.0%W-1的水泥浆强度发展情况进行了测试，结果见图5。由此可知，防水窜材料对水泥浆失水、强度无不良影响；随着防水窜材料的增加，水泥石抗压强度有所增加，表现出一定的增强作用；且由强度发展曲线可以看到，加有防水窜材料的水泥石强度发展较快，151 min开始起强度，不加防水窜材料的水泥石强度发展慢，195 min开始起强度，且水泥石强度低。

表9 W-1对失水量和抗压强度的影响

图5 加有3.0%W-1水泥浆的强度发展曲线

综上所述，W-1在增加水侵阻力的同时，可明显缩短胶凝过渡时间，避免水泥石收缩，改善水泥石渗透率，从而可防止水窜的发生。另外，防水窜材料W-1可缩短稠化时间、增加水泥石抗压强度，且对水泥浆稠化时间、失水量、稳定性和流变性能等无不良影响。

3 结论

1.根据微观结构设计，通过无机材料与聚合物材料的合理复配研究，开发出了一种新型的固井用防水窜材料W-1，其可明显地增加水泥浆的胶凝强度，缩短静胶凝过渡时间，避免水泥石的收缩。

2.根据固井不同阶段水窜机理，分别采用相应测试方法，对加入W-1的水泥浆在凝固前、凝固过程中及凝固后的防水窜性能进行了测试，测试结果显示W-1在不同阶段都具有良好的防水窜性能。

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Study and Evaluation of a New Anti-Water Channeling Material for Well Cementing

LU Haichuan1, ZHAO Yue1, SONG Weibin1, GAO Jichao1, HU Zhonghua2, HUO Mingjiang1
(1. Boxing Division of CNPC Offshore Engineering Company Limited, Tianjin 300451;2. Qinghai Drilling Division of CNPC Xibu Drilling Engineering Company Limited, Haixi, Qinghai 816400)

Water channeling in well cementing has been a difficult technical problem remained unsolved in petroleum industry till now.In a study on anti-water channeling cement slurry, structural design of anti-water channeling additives were done, and based on the design, several anti-water channeling raw materials were selected and mixed in a certain ratio to form a new compounded anti-water channeling additive. According to the water-channeling mechanisms in different stages of well cementing, the effect of the anti-water channeling additive was evaluated with different evaluation methods. The evaluation results showed that the anti-water channeling additive developed is able to strengthen the interior structure of cement slurry, shorten the transit time of static gel, avoid contracting of set cement, thereby avoiding water-channeling of cement slurry at different cementing stages. The evaluation also demonstrated that the new anti-water channeling additive is able to shorten thickening time of cement slurry, increase compressive strength of set cement, and improve the stability of cement slurry; it has no bad effect on the thickening time, rheology and filter loss of cement slurry,exhibiting good overall properties.

Well cementing; Water channeling; Cement slurry; Anti-water channeling material; Evaluation of anti-water channeling performance; Overall properties

卢海川，赵岳，宋伟宾，等．新型固井用防水窜材料的研究与性能评价[J].钻井液与完井液，2017，34（4）：75-79，84.

LU Haichuan，ZHAO Yue，SONG Weibin，et al.Study and evaluation of a new anti-water channeling material for well cementing[J].Drilling Fluid & Completion Fluid，2017，34（4）：75-79，84.

TE256.6

A

1001-5620（2017）04-0075-05

10.3969/j.issn.1001-5620.2017.04.0014

卢海川，毕业于天津大学材料学专业获硕士学位，主要从事固井材料和水泥浆体系的研究。电话 （022）66310332；E-mail：luhc@cnpc.com.cn。

2017-5-5；HGF=1704N11；编辑 王超）