水泥浆防窜性能评价实验研究

2021-09-17毛平

西部探矿工程 2021年7期

毛平

（大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院，黑龙江大庆163413）

固井是石油勘探开发过程中的重要环节之一，也是钻井工程中相对独立的环节。固井质量的好坏不仅影响后续钻井作业，也直接影响油气井寿命和储层的采收率。油气井固井过程中的防窜问题一直是石油行业关注和研究的重点，除了在固井施工过程中做好井眼清洁、套管居中和提高顶替效率等施工措施外，水泥浆的防窜能力也是重点工作之一[1-2]。已有的研究成果指出：由于候凝期间水泥浆生成水化产物导致静液柱压力逐渐减小，当压力降低到与地层压力一样时就容易出现环空窜流问题。现场试验也表明，即使是采用了压稳技术并使用稳定性好、失水低的水泥浆体系，仍会出现气窜情况[3-4]。本文通过对市面上常用的成膜类降失水剂、聚合物类降失水剂和纤维素类降失水剂配制的水泥浆体系的各项性能进行对比试验，以期从降失水剂角度来提高水泥浆体系的防窜效果。

1 实验仪器和方法

1.1 主要实验仪器

常压稠化仪、高温高压失水仪、瓦林搅拌器、水泥浆静胶凝强度分析仪均为Qiandele公司仪器。

水泥为G级水泥，聚合物类、纤维素类、成膜类降失水剂等相关助剂均从生产厂家索取。

1.2 实验方法

水泥浆的制备及相关测试程序均按照按GB19139油井水泥试验方法进行。

2 不同类型降失水剂对水泥浆防窜能力的影响分析

2.1 水泥浆基本性能

表1 为所配制的3套水泥浆体系的基本性能表，这3套体系的稳定性、失水等基本参数均较好，避免了稳定性和失水等其他因素对体系抗窜性能的影响，从而保障接下来的评价结果更为客观。

表1 水泥浆基本性能表

2.2 降失水剂对水泥浆体系抗窜能力的影响分析

成膜降失水剂是使用硼酸、硼砂等无机物和PVA在一定条件下进行交联反应制得的一种非离子型化合物，该类降失水剂可以很好地吸附在水泥颗粒表面，并形成较厚的吸附水化膜，失水后成膜降滤失剂还可以在滤饼中形成低渗透率的薄膜进一步提高滤饼的致密性进而降低失水。

共聚物降失水剂是一种多元共聚高分子化合物，它可以很好地吸附在水泥颗粒表面并形成较厚的吸附水化膜，并能形成空间网状结构，通过保持体系稳定性和孔隙填充作用来降低失水速率和滤饼渗透率。

纤维素类降失水剂可通过其分子链上的吸附基团吸附在水泥颗粒表面，并通过桥连作用将多个水泥颗粒聚集到一起形成空间网络结构，该类降失水剂对自由水也有强烈的束缚作用。纤维素类降失水剂具有明显的粘温效应，当温度升高时其失水会增大。

表2 为由3类不同的降失水剂配制的水泥浆体系的抗窜结果。

表2 水泥浆抗窜实验表

从表2中的水泥浆启动压力可知，当水泥浆的静凝胶强度达到48Pa时，使用成膜降失水剂的水泥浆启动压力最高，抗窜能力相对较好，使用聚合物降失水剂和纤维素降失水剂的水泥浆几乎没有启动压力，这种情况下，会因压差导致气窜，所以抗窜能力较差[5]。

从表2的视渗透率可以看出，使用聚合物降失水剂和纤维素降失水剂的水泥浆视渗透率较大，而使用成膜降失水剂的水泥浆视渗透率较小。这是因为当水泥浆的静凝胶强度达到48Pa后，水泥浆的状态发生了明显变化，从液态逐步变为固态，导致水泥浆内部开始逐步出现孔径大小不同的微孔，使其渗透率增高。虽然3套体系的API失水均在50mL以内，但由于其降失水机理不同，导致其滤饼的致密程度也有所不同，所以会出现启动压力和视渗透率的差异。

当水泥浆的静胶凝强度达到240Pa时，三种降失水剂配制的水泥浆体系的启动压力均高于48Pa的启动压力。其中仍然是使用成膜降失水剂的水泥浆启动压力最高，其他两种降失水剂配制的水泥浆体系的启动压力差距不大，主要原因仍然是成膜降失水剂体系的致密性好，抗窜能力强。

当水泥浆的静胶凝强度达到240Pa时，三种降失水剂配制的水泥浆体系的视渗透率均低于48Pa的视渗透率。其中成膜降失水剂的水泥浆体系的视渗透率最低。

表3 为不同水泥浆体系的失水性能表。

表3 不同水泥浆体系的失水相关性能

从表3的数据分析可知，成膜降滤失剂通过在滤饼中形成低渗透率的薄膜，从而有效降低了失水速率，形成的膜较为稳定，在较高的压差下气体也不能侵入，所以有较强的抗气窜能力。聚合物类降失水剂主要通过提高液相粘度和在水泥颗粒表面形成吸附水化膜，在失水的过程中具有较厚吸附水化膜的水泥颗粒进入滤饼中形成封堵，进而降低渗透率，但以此原理形成的滤饼相对较厚，30min后仍有滤失，当发生气窜后，这样的滤饼抗窜能力差，容易被冲蚀从而使滤饼形成大量空隙，进而导致气窜的进一步加剧。纤维素类降失水剂也是通过提高滤液的液相粘度和在水泥颗粒表面形成吸附水化膜来降低失水，并且其形成的泥饼疏松且厚，在30min后也无法完全控制滤失，也无法阻止气窜的发生，因此该水泥浆体系几乎没有启动压力。

通过上述的分析可以看出，不同类型的降失水剂对水泥浆的渗透率发展有显著的影响。在静胶凝强度为48Pa时，成膜降失水配制的水泥浆体系表现最为突出，有较高的启动压力，其余两种降失水剂配制的水泥浆体系相差不多。当静胶凝强度为240Pa时，水泥浆基体的致密性产生了更为重要影响，从视渗透率和启动压力的变化可知，三种水泥浆体系的抗窜能力区别不大。