苯丙胶乳水泥浆防气窜效果与失重规律分析

陆沛青 ， 桑来玉 ， 谢少艾， 高 元 ， 张佳滢， 康旭亮

（1. 页岩油气富集机理与有效开发国家重点实验室，北京 100101；2. 中国石化石油工程技术研究院，北京 100101；3. 中石化石油机械股份有限公司，湖北武汉 434014；4. 油气资源与探测国家重点实验室（中国石油大学（北京）），北京 102249）

在固井过程中水泥浆候凝期间，因水泥浆失重引起的井底有效浆柱压力下降，是导致气井环空带压的重要因素之一[1]。认识水泥浆失重模式与失重规律，是预防环空气侵的重要基础。由于现场试验干扰因素较多且数据样本有限，因此大型物理模拟试验成为研究水泥浆失重规律以及建立失重预测模型的主要方法。前人针对水泥浆失重问题已开展了大量的试验研究工作：G. Carter和R. A. Crook等人[2-3]发现气体不仅可以通过水泥环第一、二胶结界面的薄弱处侵入环空，也可以在水泥浆候凝期间穿透水泥浆胶凝结构形成气窜。自此，由水泥浆失重引发的早期气窜现象开始引起重视，陆续开展了针对水泥浆静胶凝强度[4-6]、滤失量[7]、沉降稳定性[8-9]、体积收缩[10-11]，大斜度及水平井等因素对失重影响的机理研究等[12]。研究发现，影响水泥浆失重的因素复杂多样。目前普遍接受的观点是，井壁悬挂与体积收缩是导致水泥浆失重的2大主要因素[13]。但是，上述失重研究的对象主要集中于水泥净浆，针对特殊水泥浆，特别是防气窜水泥浆的试验研究相对较少，对失重模式与规律的认识还不够清楚。为此，笔者以苯丙胶乳水泥浆为研究对象，利用自主设计的水泥浆压力传导精确测量装置，实时测量了不同试验条件（胶乳加量、温度、气层压力以及井筒深度）下，水泥浆有效液柱压力的变化，分析了苯丙胶乳水泥浆的防气窜效果与失重规律，以期为防气窜固井施工及建立水泥浆失重预测模型提供参考。

1 苯丙胶乳水泥浆配方及性能

为有效提高水泥浆的防气窜能力，以2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸为功能单体进行改性，合成了一种用以防气窜固井的苯丙胶乳水泥添加剂[14]。该胶乳为乳白色黏性液体，密度为1.05 kg/L，固相含量为40%，黏度为8.7 mPa·s，胶乳粒径为125 nm。

由于胶乳粒径远小于水泥颗粒粒径（20～74 μm），当其应用于水泥浆封闭气层时，随着水泥水化反应的进行，环绕水泥颗粒的水被消耗，胶乳局部固相体积分数升高，产生颗粒聚集，从而形成空间网络状非渗透薄膜，并填充于水泥颗粒空隙，避免环空发生窜流。

通过优化组合，确定苯丙胶乳水泥浆的基本配方为G级油井水泥+5.0%～ 20.0%苯丙胶乳+1.0%～2.0%胶乳稳定剂+0.1%～ 0.4%分散剂+44.0%水。在不同苯丙胶乳加量下，苯丙胶乳水泥浆的综合性能见表1。

表1 苯丙胶乳防气窜水泥浆的综合性能Table1 Comprehensive performance of styrene-acrylic latex anti-gas channeling cement slurr

从表1可以看出，苯丙胶乳对水泥浆流性指数的影响较小，但分析认为，苯丙胶乳可以完全分散于水泥浆中，使水泥浆保持良好的流变性和沉降稳定性。同时，随着苯丙胶乳加量增大，具有弹性的胶乳粒子充分充填于水泥颗粒之间，不但可以明显降低水泥浆的滤失量，还可以降低水泥石的渗透率，因此苯丙胶乳可在不影响水泥浆性能的前提下，提高水泥浆的防气窜性能。目前，该苯丙胶乳水泥浆已在川东北、顺南[15]和顺北等地区复杂工况下的防气窜固井施工中广泛应用。

2 失重试验方法

2.1 试验装置

为进行苯丙胶乳水泥浆失重试验，设计了一套水泥浆压力传导精确测量装置，如图1所示。该装置主要由5大系统组成，分别为模拟井筒、加热及温度控制系统、压力及压差测量系统、出口计量系统和注入系统。1）模拟井筒：水泥环内径为50.0 mm、长度为1 000.0 mm，井筒上设有4个压力测点（由下至上编号为1#—4#，间距20 cm），用以测量不同深度处的压力变化；测点上设有橡胶薄膜套，可以兼作隔离器使用。2）加热及温度控制系统由硅橡胶加热套、温度控制仪及温度传感器组成，控温范围在10～100 ℃，控温精度为0.5 ℃。3）压力及压差测量系统：传感器量程为0.6 MPa，精度0.25% FS（FS为full scale，意即满量程）。4）出口计量系统由气液分离器、高精度电子天平（精度为0.000 1 g）、干燥器和微量气体流量计组成。5）注入系统控制气源压力，由氮气源、调压阀等组成。

图1 水泥浆压力传导精确测量装置的结构Fig. 1 Structure of cement slurry pressure conduction precision measuring device

利用该装置，可以模拟不同温度及气窜压力条件下水泥浆候凝早期阶段全井筒（1#—4#测点）有效浆柱压力的变化，评价水泥浆早期防气窜效果。

2.2 试验参数选择

分析认为，影响苯丙胶乳水泥浆失重曲线形态的因素包括苯丙胶乳加量、气窜压力、井筒温度以及井筒几何参数（井筒深度、井径）等。因此，选取上述参数作为试验变量，进行了纯水对比试验、净浆对比试验、苯丙胶乳加量变化试验、气压变化试验以及温度变化试验，相关参数组合见表2。其中，纯水对比试验主要用来检测仪器的密封性、压力测量的精确性以及气窜检测的敏感性。

2.3 试验步骤

1）基于表2中的试验参数，针对不同试验内容，配制不同配方的水泥浆，设置对应的试验温度及气压，除纯水试验外，每一组试验对应一组确定的苯丙胶乳加量、气压和温度，试验过程中不再发生变化。

2）进行纯水试验，确保仪器正常运行，在清水充满模拟井筒的状态下，1#—4#测点理论上的压力应为2.6，4.6，6.6和8.6 kPa，若实测值与理论值差距较大，则需重新调试仪器。

3）用清水充满井筒并保持5～10 min，确保清水通过渗透塞（传递液柱压力，并阻挡水泥颗粒进入传感器）完全充满压力传感器，打开“排压阀”放空传感器内剩余的空气。

4）排出清水，确定模拟井筒充满空气时对应的压力读数为0，随后尽快注入已配制好的水泥浆，并适当敲击井壁消除水泥浆触变，使水泥浆充分充满模拟井筒，并观察仪表读数是否正常。

5）打开气源开始试验，实时记录水泥浆液柱压力及气体流量。

6）试验过程中，密切关注气体流量及水泥浆液柱压力的变化，若发生气窜或水泥失重至等高水柱压力以下时，及时停止试验，并保存数据。

表2 苯丙胶乳水泥浆失重试验参数Table2 The parameters of styrene-acrylic latex anti-gas channeling cement slurry weight loss test

3 试验结果及失重规律分析

3.1 苯丙胶乳水泥浆防气窜效果

采用水灰比为44%、密度为1.88 kg/L的苯丙胶乳水泥浆进行试验，评价其防气窜效果。当气体在水泥浆中形成通道后，1#—4#测点的压力迅速升高，伴随井筒上端产生气泡，液面上升，据此可以判断发生了气窜。统计清水、净浆与苯丙胶乳水泥浆发生气窜时的试验数据和比例，即可评价该水泥浆的防气窜效果。

清水对比试验中，当底部气层压力大于8.6 kPa（等高清水液柱压力）时即发生气窜，此后逐步提高底部气层压力，1#—4#测点的压力同步升高，井筒上端连续冒出气泡，如图2（a）所示。

图2 清水和净浆液柱压力变化曲线Fig. 2 The slurry column pressure variation curves of fresh water and paste

24组净浆对比试验中，有12组试验在压力快速下降阶段发生了气窜，临界气窜压力为16～18 kPa，1#—4#测点的压力响应存在一定滞后，液面小幅升高，井筒上端断续冒出小气泡，如图2（b）和图 2（c）所示。

当苯丙胶乳加量为5%时，即使气层压力（18 kPa）高于浆柱压力（由16 kPa失重至12 kPa），在水泥浆快速失重阶段也未发现有明显的气窜现象。拆卸后发现，96组试验中有20组试验的水泥浆底部存在气体置换现象，水泥浆中存在微小气泡。而在苯丙胶乳加量为10%及20%的水泥浆中，有12组试验水泥浆存在微弱的气体置换现象。气体置换过程中，苯丙胶乳水泥浆失重曲线未出现显著变化。在相同温度压力条件下，不同浆体的防气窜效果如图3所示。

图3 相同温度压力条件下不同类型浆体的防气窜效果Fig. 3 The anti-gas channeling effect of different types of slurry under the same temperature and pressure conditions

由图3可知，由于苯丙胶乳粒子具有在压差下聚集成膜，挤压、填充水泥颗粒孔隙等特性[16-17]，可有效增强水泥浆整体的结构强度，对于防止候凝过程中发生气窜具有显著效果。在该试验条件下，苯丙胶乳含量超过5%即可有效抑制环空气窜，苯丙胶乳加量为10%时可使气侵风险降至20%，其加量为20%时气侵风险可降至10%。因此，针对高压气层固井施工，可与降滤失剂等水泥添加剂配合使用，建议加入5%～10%的苯丙胶乳；对于易漏易窜等其他更复杂的固井工况条件，苯丙胶乳加量可以基于该试验方法进一步优化。

3.2 苯丙胶乳水泥浆失重规律分析

共采集水泥浆压力变化数据120组，其中净浆试验24组，苯丙胶乳加量变化试验32组，气压变化试验32组，温度变化试验32组。统计发现：在水泥浆液柱压力下降到等高水柱压力之前，有108组（占总数的90.0%）压降曲线呈两段式，称为两段式失重模式；有12组压降曲线（占总数10.0%）呈三段式，称为三段式失重模式。在两段式失重模式中，有29组（约占总数24.2%）失重曲线斜率变化剧烈，前后两段拟合曲线斜率比＞10，最高可达61.8；有79组（约占总数65.8%）失重曲线斜率变化相对平缓，前后两段拟合曲线斜率比＜10，最低达到1.04。苯丙胶乳水泥浆两段式失重曲线斜率比分布如图4所示。

3.2.1 两段式失重模式

图4 两段式失重曲线斜率比分布Fig. 4 Slope ratio distribution of two-stage weight loss curve

图5 斜率变化显著的两段式失重曲线Fig. 5 Two-stage weight loss curve with significant slope change

图5 为典型的斜率变化显著的两段式失重曲线，对应试验条件分别为苯丙胶乳加量5%、气压15 kPa、温度30 ℃和苯丙胶乳加量10%、气压0 kPa、温度60 ℃。对两段式失重曲线进行分段线性拟合，分析失重曲线变化趋势。

由图 5（a）可知：在 0～1 055 s时间段，1#—4#测点压力-时间拟合曲线的斜率依次为 －0.006 8，－0.003 4，－0.002 5和－0.001 5，在此阶段，水泥浆快速由液体状态向胶凝态转变，并伴有较强的触变现象；在1 055～14 000 s时间段，1#—4#测点压力-时间拟合曲线的斜率分别为－0.000 11，－0.000 091，－0.000 064和－0.000 042，在此阶段，水泥浆呈胶凝态，缓慢失重，直至降至等高水柱压力，停止试验。将上述2个阶段拟合曲线的斜率相除，可计算得到4条曲线的斜率比依次为61.8，37.8，39.1和35.9。类似地，图5（b）中4段拟合曲线的斜率比依次为17.7，16.8，9.0 和 6.3。

对比图5中的曲线可知：当拟合曲线的斜率比＞10时，失重曲线变化明显，前期失重速度快，后期失重速度相对较小；当拟合曲线的斜率比＜10时，失重曲线整体较为平缓，斜率显著变化的时间节点不明显。

图6为典型的斜率变化幅度较小的两段式失重曲线，对应试验条件分别为苯丙胶乳加量10%、气压15 kPa、温度30 ℃和苯丙胶乳加量20%、气压0 kPa、温度50 ℃。与图5中的曲线相比，图6中曲线斜率变化的幅度相对较小。图6（a）中，1#—4#测点压力-时间拟合曲线的斜率比依次为7.5，7.4，8.8 和 8.6；图 6（b）中，1#—4#测点压力-时间拟合曲线的斜率比为9.4，9.5，9.1和7.1。在曲线缓慢下降阶段，水泥浆逐渐由液体状态向胶凝态转变，无明显触变现象；在平稳下降阶段，水泥浆呈胶凝态并伴随有少量胶乳析出，液柱压力缓慢降低，直至降至等高水柱压力。

由此可知：对于触变性较强的水泥浆，由于受到触变形成的挂壁效应影响[17]，其液柱压力通常呈现“快速+平稳”两段式下降；对于触变性较小的水泥浆，其失重的原因主要是水泥浆内部颗粒沉降导致水泥颗粒出现桥堵现象，使部分水泥颗粒的重力作用于管壁上[18]，故液柱压力失重相对缓慢，通常呈现“缓慢+平稳”两段式下降。但整体而言，在水泥浆失重阶段，液柱压力并非线性降低，存在阶段性变化，与水泥的水化息息相关。

3.2.2 三段式失重模式

图7为典型的三段式失重曲线，对应试验条件为苯丙胶乳加量5%、气压15 kPa、温度50 ℃和苯丙胶乳加量10%、气压15 kPa、温度70 ℃。由图7可以看出，水泥浆液柱压力平稳降至等高水柱压力后，又开始迅速降低，整体呈现三段式。

图6 斜率变化平缓的两段式失重曲线Fig. 6 Two-stage weight loss curve with gentle slope change

由图 7（a）可知：在 1～6 880 s时间段，曲线的形态与两段式失重曲线一致，1#—4#测点压力-时间拟合曲线的斜率比依次为40.6，64.9，38.5和40.5；时间超过6 880 s后，水泥浆液柱压力重新开始加速降低，前后2个阶段1#—4#测点压力-时间拟合曲线的斜率比为 0.07，0.04，0.05 和 0.03。类似地，图 7（b）水泥浆液柱压力也呈三段式下降，在70 ℃温度下，水泥浆失重曲线斜率变大，失重至等高水柱压力的时间缩短。水泥浆液柱压力降至等高水柱压力后，水泥浆开始快速凝结、稠化。为防止水泥浆完全凝固在井筒中，停止试验并拆下井筒，发现水泥浆已基本丧失流动性，呈塑性状态。

综合分析上述现象，认为完整的水泥浆失重曲线应为三段式：1）水泥浆进入井筒不再流动后，形成触变或胶凝结构，水泥颗粒沉降，导致水泥颗粒附着于管壁上，造成水泥浆快速失重；2）随着水泥水化反应进行，水泥浆逐渐从“颗粒堆积体”转变为“骨架-孔隙结构”，水泥浆形成孔隙溶液传压，压力缓慢降低[19]；3）当诱导期结束，水泥浆开始快速水化，直至降至等高水柱压力，随后彻底稠化、凝结，封闭井筒。为防止水泥浆凝固损毁试验井筒，设定水泥浆液柱压力降至等高水柱压力即停止试验。此时，若继续采集数据，应能观察到水泥浆液柱加速失重的过程。因此，试验采集到的绝大部分失重曲线为两段式曲线。

图7 典型的三段式失重曲线Fig. 7 Typical three-stage weight loss curv

分析认为，在该试验条件下，失重曲线中斜率显著变化的第一个拐点是最易发生气窜的状态。在第一拐点处，水泥浆液柱压力迅速降低，而水泥浆胶凝结构尚未完全形成，防气窜的阻力较低，当底部气层压力大于水泥浆底部压力与气窜阻力之和时，就易发生气窜。当水泥浆开始加速水化后，即使水泥浆液柱压力迅速降低，加速形成的水泥浆结构强度也可以阻止气体在水泥浆中运移。因此，在后续研究中，应重点探索失重曲线第一拐点附近压力变化的规律，基于数据建立水泥浆失重预测模型，为防气窜固井施工提供参考和指导。

4 结论及建议

1）设计了一套水泥浆压力传导精确测量装置，并利用该装置实时测量了不同苯丙胶乳加量、底部气压、环境温度和井筒深度等条件下，水泥浆由液态变成塑性状态过程中有效浆柱压力变化的过程。

2）苯丙胶乳水泥浆失重试验表明，即使气层压力高于浆柱压力，也未发生明显的气窜现象。整体而言，苯丙胶乳粒子可有效增强水泥浆的整体结构强度，防止发生气窜。对于气层压力较高的井，建议采用苯丙胶乳加量为5%～10%的水泥浆进行固井。

3）苯丙胶乳水泥浆的主要失重模式为三段式：当候凝形成触变或胶凝结构后，水泥浆快速失重；随着水化反应进行，水泥浆形成孔隙溶液传压，失重现象缓慢，压力缓慢降低；最后，水泥浆开始快速水化，直至降至等高水柱压力，随后彻底稠化。

4）在文中试验条件下，失重曲线的第一个拐点位置对应的是最易发生气窜的状态，在后期研究中，建议重点研究第一拐点附近水泥浆液柱压力变化的规律。

5）建议采用水泥浆压力传导精确测量装置与测量方法，进一步研究多种水泥添加剂、外掺料对水泥浆失重模式的影响，完善水泥浆失重规律分析。