高强度防窜油水井复合堵剂研究及应用

于锋　刘念辉

摘要：高强度防窜油水井复合堵剂主要适用于油水井封堵层吸水指数注入压力，5MPa<注入压力<18MPa，吸收量>100L/min的井况。该堵剂可防止水泥浆体塑性收缩和水泥石硬化后的化学体积收缩，有效防止气窜。解决常规堵剂封堵凝固后水泥石与地层界面胶结不紧密造成承压能力不强的问题，堵层后井筒承压能力明显增强，满足了大多数井况的需求。且堵剂水泥浆体系有较好的分散性、稳定性、可泵性。因此，高强度防窜油水井复合堵剂封堵性能优于其它水泥浆体系，利用它可以减少堵剂用量，降低作业成本，提高封堵一次成功率，应用前景广阔。

关键词：高强度;防气窜;封堵剂;水泥收缩

常规的高强度封堵剂主要是单纯的有机高分子聚合物类膨胀剂其作用主要发生在水泥水化早期，对水泥基材料后期收缩的补偿作用不大且水化产物的物理化学性质不稳定，在90℃以上易发生分解，防气窜效果不佳。另一方面超细水泥凝固后，高温（90℃以上）条件下易发生强度衰退，承压能力弱。另外堵剂用量大，一般在30-50吨。因此施工时间长，规模大，需要消耗大量的人力、物力，作业成本高。

1 高强度防窜油水井复合堵剂总体设计

高强度防串油水井复合堵剂是在G级水泥浆体系中添加硅石粉、高分子聚合树脂防裂剂、晶格防窜剂改善堵漏剂的化学性能，通过G级水泥添加硅石粉使堵剂进入封堵层后具有强固结性质，增加承压强度;高分子聚合树脂防裂剂具有较强的吸水性，能与水分子形成氢键，产生相互作用，在水泥水化过程中，分散到水泥水化产物表面，吸水溶胀，与G级水泥水化物共同形成含有大量水的凝胶状物质，使得G级水泥石本身表现出了一定的膨胀性，防止水泥浆前期的塑性体积收缩产生微裂。通过控制反应活性，使其膨胀性能大部分发生的水化后期（凝固后），防止水泥石硬化后体积收缩，防止气窜。

2 高强度防窜油水井复合堵剂室内研究

2.1 主要材料的室内研究

2.1.1 硅石粉材料

高强度防窜油水井复合堵剂使用微硅粉平均粒径为0.15-0.20μm，其主要成分为二氧化硅，含量为80%-92%，杂质成分为氧化钠、氧化钙、氧化镁、氧化铁、氧化铝和活性炭等。由于所选微硅粉具有颗粒细小、比表面积大、SiO2纯度高、火山灰活性强等物理化学特点，将微硅粉作为揍和剂加人堵剂中可改善复合堵剂多方面的性能，如显著改善塑性堵剂土粘附性能和凝聚性。

通过室内试验，微硅粉的渗入能较大幅度提高堵剂中期和后期的强度，强度提高的幅度随着微硅粉渗入量的增大而增大。抗压强度随着侯凝时间（h）的延长加入微硅粉量的增大而提高，但是提高的幅度不同，加入量为26%、28%、30%、32%、34%、36%时，72h强度比不加入（0%）强度提高比列分别是17.5%、19.0%、20%、22%、27%、25%，说明微硅粉加入对提高试样的早期强度不明显，但由于提高比例的增幅不同，在加入34%时增幅最大，说明外加入量并不能在短期内参与反应，微硅粉的加入量并不是越多越好。

2.1.2 高分子聚合树脂防裂剂

高分子聚合物树脂材料，其膨胀原理主要是：高分子聚合物树脂具有较强的吸水性，能与水分子形成氢键，产生相互作用，在水泥水化过程中，分散到水泥水化产物表面，吸水溶胀，与水泥水化物共同形成含有大量水的凝胶状物质，使得水泥石本身表现出了一定的膨胀性，防止水泥浆前期的塑性体积收缩。

2.1.3 晶格膨胀剂

为了解决水泥浆硬化后的化学收缩问题，优选了晶格膨胀剂，该膨胀剂为MgO类延迟性膨胀剂，其具有如下特点：（1）膨胀剂的活性组分与水泥水化物反应，在受限空间内产生晶格膨胀，致使水泥石体积膨胀，增强了水泥与套管、地层的界面胶结强度;（2）膨胀剂在产生体积膨胀的同时，可以向水泥石内部空隙空间扩展，从而降低水泥石的孔隙度和渗透率，提高水泥石的耐腐蚀性能和抗压强度。

为防止水泥浆收缩必须从塑性收缩和硬化收缩两方面着手，因此我们优选了有机高分子聚合物类膨胀剂防止水泥浆凝固前的塑性体收缩，复合晶格膨胀剂，作为延迟膨胀材料，防止水泥浆硬化后的化学收缩。

3 高强度防窜油水井复合堵剂性能评价试验

3.1 防窜性能评价

实验根据行业标准采用流体窜流分析仪对触变胶凝堵漏体系体系的防窜性能进行了评价。实验所用水泥浆基础配方为：G级水泥50%，硅石粉36%，高分子聚合树脂防裂剂8.5%，晶格防窜剂4%，降失水剂1.2%，缓凝剂0.3%，实验温度为90℃，测试压差2.8MPa。

3.2 强度性能评价试验

封堵剂固化后的抗压强度是保证油水井长期有效封堵的关键指标，固化强度越高，封堵质量就越好，发生气窜的可能性就越小。将不同固液比的堵剂放入25℃水浴中常压养护24h后，采用抗压强度实验仪，测试不同温度下的水泥稠化试验如下图1所示：

实验结论：封堵剂的固化强度主要受固液比的影响，硅石粉比例越大，封堵剂的固化强度越高，封堵剂平均强度可达40MPa以上，完全可以满足油、水、气层封堵要求。

4 现场应用

截至目前，该堵剂材料在大港油田共完成堵层4井次，施工成功率为100%，累计增产原油3849 t，天然气0.9×10⁴m³，封堵效果明显。

以板深4H井为例：该井是大港油田一口生产井，地质要求挤灰封堵马家沟组4516.0m以上射孔层位，钻塞，放开下部马家沟组油层;完井下排水采气管柱，注气压力不低于20MPa，堵层后清水试压不小于25MPa，常规堵剂难以满足地质要求。

通过堵剂优选，最后采用G级水泥+硅石粉+膨胀材料水泥体系14m3对2829-2872.1m层进行封堵，最高挤注压力16MPa，封堵后试压25MPa合格，取得了不错的堵层效果。

5 結论

（1）通过复配使用防裂剂和防窜剂，形成多膨胀源膨胀剂，分别防止水泥浆体塑性收缩和水泥石硬化后的化学体积收缩，水泥浆体系的膨胀率达到0.072%，有效防止气窜;

（2）该水泥浆体系阻止水泥石的凝固后收缩，有效解决常规堵剂封堵凝固后水泥石与地层界面胶结不紧密造成承压能力不强的问题，堵层、钻塞后井筒承压≥20MPa;

参考文献

[1] 杨昌华，刘长松等.YH2000高强度复合型堵剂的研究及应用[J].西安石油学院学报，2001（7）：32-35.

[2] 于永生，齐行涛等.水平井出水段高强度封堵配套工艺技术[J].钻井液与完井液，2016（9）：124-128.

[3] 刘宏梁，代礼杨等.不收缩微膨胀水泥浆研究[J].石油钻采工艺，2005（6）：22-25.