小井眼井固井柔性水泥浆体系研究*

赵 俊 ，梅文博 ，夏忠跃 ，解健程 ，姜 磊

（1.中联煤层气有限责任公司，北京100016；2.中海油能源发展股份有限公司 工程技术分公司，天津300452）

对于一些中小型或边际油气田来说，单井产量不高，对井眼尺寸及井下工具的要求也相对较低，若使用传统钻完井设计会造成不必要的浪费[1,2]。20 世纪90 年代以来，BP 公司将小井眼技术作为其勘探技术手段，节省费用超过40%。

在国内的临兴-神府区块，由于地质构造复杂、机械钻速低的问题，通过对井身结构优化、钻头设计及钻井液体系优化等方面研究，形成了适用于临兴-神府致密气井的小井眼高效钻井技术，并在中海油致密气开发中进行了应用，缩短钻井周期59.1%，机械钻速提高56.2%。

但在小井眼钻井开发过程中，由于小井眼井固井时存在小套管易弯曲、居中度低，且环空间隙小，水泥环薄等问题[3]，因此，对固井水泥浆体系的性能提出了更高的要求。研究表明，小井眼井固井要求水泥浆体系具有较好的流变性和较高的稳定性、低失水高弹韧性，且稠化时间可调[4]。

针对小井眼井固井技术存在的难点，为了研发适用于小井眼井固井的水泥浆体系，室内研究了一系列固井水泥浆添加剂，构建了用于小井眼井固井的柔性水泥浆体系，并对水泥浆体系性能进行了评价。

1 实验部分

1.1 实验材料

G 级油井水泥（嘉华特种水泥厂）；消泡剂RF51L、弹性乳液、缓凝剂HNA、增强剂CE50（湖北江汉石油技术有限公司）；纤维（沧州中丽新材料科技有限公司）；降失水剂WLR-80、分散剂RD40L，实验室自制。

1.2 实验方法

依据GB/T 19139-2012《油井水泥试验方法》中的实验方法对水泥浆性能进行评价。

2 结果与讨论

2.1 降失水剂的选择

水泥浆降失水剂的配套选择是水泥浆体系建立的基础，降失水剂通过提高水泥浆粘度、降低滤饼渗透性等作用降低水泥浆的失水量[5,6]。为了研究性能较好的降失水剂，对不同的降失水剂进行了系统的评价研究，实验温度为80℃，实验结果见表1。

表1 降失水剂的性能评价Tab.1 Performance evaluation of filtrate reducer

由表1 可以看出，WLR-80 和JSD 具有较好的降滤失效果，但降失水剂JSD 配制的水泥浆稳定性较差。综合考虑降失水剂的作用效果，选择对水泥浆流变性影响小且浆体稳定的WLR-80 作为水泥浆体系的降失水剂。

降失水剂WLR-80 是AA/AMPS 共聚而成的低粘聚合物。为研究降失水剂WLR-80 对水泥浆失水量的影响，室内进行了进一步评价，实验结果见图1。

图1 WLR-80 对失水量影响Fig.1 Effect of WLR-80 on water loss

由图1 看出，不同加量的降失水剂WLR-80 均能降低水泥浆的失水量，且水泥浆的失水量随WLR-80 的加量增加而减小。当降失水剂加量超过4%时，失水量降低幅度减小。

2.2 缓凝剂的选择

水泥浆的稠化性能与水泥浆的施工安全性密切相关。对于大多数的水泥浆体系都需要进行缓凝处理，缓凝剂通过表面吸附或生成表面沉淀的方式起到缓凝作用[7,8]。为研究适用于小井眼井固井的水泥浆体系，室内研究了不同缓凝剂水泥浆的稠化性能，实验温度80℃，实验结果见表2。

表2 缓凝剂性能评价Tab.2 Performance evaluation of retarder

由表2 可以看出，大多数缓凝剂在中低温条件下，要么缓凝效果不佳，要么转化时间较长，但加入HNA 缓凝剂的水泥浆显示了较好的稠化性能，稠化转化时间短，体系选取HNA 作为缓凝剂。

为研究缓凝剂HNA 对水泥浆性能的影响，室内进行了进一步评价，实验结果见表3。

表3 HNA 加量对水泥浆性能影响Tab.3 Effect of HNA dosage on properties of cement slurry

由表3 可以看出，HNA 的延长水泥浆稠化时间的效果稳定，稠化时间可调，而且稠化转化时间均小于20min。当加量大于0.6%时，稠化时间延长幅度降低。

2.3 分散剂的选择

分散剂的作用是促使水泥颗粒均匀地分散在水中，同时使水泥浆在低水灰比的情况下，依然保持可泵性[9-11]。小井眼井由于环空间隙小，对水泥浆流变性要求更高。室内研究了几种分散剂对水泥浆流变性的影响，实验结果见表4。

表4 分散剂性能评价Tab.4 Performance evaluation of dispersant

表4 结果表明，D49L 和RD40L 都具有较好的流变性控制能力，但加入RD40L 的水泥浆失水量较小，说明了RD40L 分散剂优异的分散性能，且对水泥浆性能影响较小。

为研究分散剂RD40L 对水泥浆性能的影响，室内进行加量评价，实验结果见表5。

表5 RD40L 对体系流变性能的影响Tab.5 Effect of RD40L on rheological properties of the cement slurries

表5 结果表明，水泥浆体系的流变读数随着分散剂RD40L 的加量增加而变小，但考虑到水泥浆的悬浮稳定性，在保证水泥浆分散性的前提下，分散剂的加量应不超过1%。

2.4 增强剂的优选

为研究水泥浆合适的增强剂，室内评价了超细矿渣、粉煤灰、微硅以及混合增强剂CE50 对水泥石抗压强度的影响，实验结果见表6。

表6 增强剂性能评价Tab.6 Performance evaluation of reinforcing agent

表6 结果表明，相比3 种常规增强剂，CE50 在中低温条件下对水泥浆体系的增强效果更为明显。所以，体系选取CE50 作为增强剂。

为研究增强剂CE50 对水泥浆性能的影响，室内进行了进一步评价，实验结果见图2。

图2 CR50 对抗压强度影响Fig.2 Effect of CR50 on compressive strength

由图2 可见，CE50 明显提高了水泥石的强度性能，但随CE50 加量增加，体系的抗压强度增长幅度明显降低。所以，在满足强度性能的前提下，应控制其加量。

2.5 柔性材料的优选

柔性材料是设计柔性水泥浆体系必不可少的添加剂材料。室内选取几种常用的柔性材料，并与弹性乳液和纤维组成的复合柔性材料进行对比，评价了不同柔性材料水泥浆的力学性能，结果见表7。

表7 柔性材料性能评价Tab.7 Performance evaluation of flexible materials

表7 的结果表明，几种柔性材料都不同程度的降低了水泥石的抗压强度，提高了水泥石的抗冲击强度，降低了水泥石的弹性模量，柔性材料组成的水泥浆体系比空白水泥浆体系的弹韧性更好。当纤维与弹性乳液同时加入时，水泥浆体系的抗冲击强度和弹性模量性能更好，因此，选择纤维与弹性乳液混合作为柔性材料建立柔性水泥浆体系。

3 柔性水泥浆体系性能研究

通过上述添加剂研究，构建的柔性水泥浆体系配方为：100%JH/G +42%淡水+1%消泡剂RF51L+4%弹性乳液+0.3%纤维+4%降失水剂WLR-80+1%分散剂RD40L+0.6%缓凝剂HNA+2%增强剂CE50（密度 1.9g·cm-3）。

3.1 水泥浆常规性能

室内针对研究的柔性水泥浆体系，在不同温度下对水泥浆体系常规性能进行了评价，实验结果见表8。

表8 水泥浆体系常规性能Tab.8 Conventional performance of cement slurry system

从表8 结果看出，构建的复合柔性水泥浆在不同的温度下均具有较好的常规性能，水泥浆的Φ300实验结果都小于300，失水量小于50mL,稠化时间为3～5h，无自由液且没有上下密度差。实验结果表明，柔性水泥浆体系流变性好，失水量低，浆体稳定，稠化时间满足固井要求。

3.2 水泥石力学性能

针对小井眼井进行固井，除了要求水泥浆体系具有较好的常规性能外，还要求水泥浆体系力学性能优异，达到长期封固环空的目的。室内对不同温度下水泥石的力学性能进行评价，实验结果见表9。

表9 水泥石力学性能Tab.9 Mechanical properties of cement paste

从表9 可以看出，不同温度下柔性水泥浆抗压强度都大于25MPa，抗折强度大于6MPa，抗冲击强度达到 2kJ·m－2以上，且弹性模量小于 6GPa。实验结果表明，不同温度下柔性水泥石力学性能都较好。抗压强度满足固井要求，且抗折强度和抗冲击强度较高，弹性模量低，构建的柔性水泥浆体系具有较好的弹韧性。

4 结论

（1）研究的降失水剂、缓凝剂、分散剂、增强剂能显著降低水泥浆失水量，延长稠化时间，提高水泥浆流变性和抗压强度。

（2）弹性乳液与纤维组成的复合柔性材料能显著提高水泥浆的力学性能，增强其弹韧性。

（3）构建的柔性水泥浆体系在不同温度下流变性较好，浆体稳定，失水量低，稠化时间和抗压强度满足固井要求，且水泥石的力学性能优异，具有较好的弹韧性。