柴油搬土水泥浆性能室内研究

2022-06-14宋亚楠马春旭朱剑锋房恩楼许前富

广州化工 2022年10期

宋亚楠，马春旭，李斌，朱剑锋，房恩楼，许前富

(中海油田服务股份有限公司，河北三河 065201)

井漏是油气井开发过程中常见的井下复杂情况之一，井漏不仅会耗费钻井时间，漏失钻井液、水泥浆，而且还可能引起卡钻、井喷、井塌、固井质量差等问题,甚至导致井眼报废事故,造成重大经济损失。钻井过程中发生漏失的井或下套管过程中有漏失的井，固井质量都难以保证，因而堵漏防漏成为钻井过程中必需采取的措施[1-3]。近几年辽东及周边地区钻井作业发生多次裂缝性、断层漏失和薄弱砂岩层漏失等复杂情况，部分漏失严重的井，采取多种堵漏措施，效果不能保证，严重影响钻井作业效率和井筒质量安全。

目前，国内外对堵漏技术的研究主要采用在钻井流体中添加各种堵漏材料进行堵漏[4-6]，但当钻遇天然发育较大裂缝、溶洞恶性井漏等恶劣情况时，一般的堵漏材料粒径小，难以在漏失通道中堆积、架桥，从而导致堵漏失败。在固井过程中，当井筒中流体由钻井液转化为水泥浆，由于水泥浆密度和固相含量都比泥浆高，因此水泥浆循环当量密度升高，对于压力窗口窄的地层，钻井液堵漏后重新漏失的可能性；并且有的桥接材料与水泥浆的相容性不好，影响水泥浆的泵注或固化后性能，限制了很多堵漏材料的使用[7-8]。处理严重漏失，尤其是大溶洞、大裂缝引起的失返性漏失，一般采用水泥浆进行堵漏[9-10]，柴油搬土水泥浆是一种由柴油、搬土、水泥组成的悬浮液体系，可以在遇水的情况下，迅速与水发生反应，生成具有一定结构的物质，达到堵漏的目的，可以有效封堵大漏失现象，其中水泥与水的进一步反应，可以达到永久性封固的效果，具有良好的应用潜力。本课题成功构建了一种适用于快速堵漏的柴油搬土水泥浆体系，并对其机理和最优条件进行室内测试，实验表明，该套堵漏水泥浆体系综合性能完全满足井底长效封堵的要求。

1 实验

1.1 实验原料

油井“G”级水泥，由山东中昌水泥厂提供；搬土、3号柴油、表面活性剂等，由天津中海油服化学有限公司提供。

1.2 实验仪器

OWC-9360型水泥浆恒速搅拌器、加压密度计、OWC-9350型常压稠化仪、 OWC-118型常压养护箱，沈航应研所；压力试验机，沈阳金欧科。

1.3 实验方法

浆体配制及常规性能如强度等测试，按照API 10B-2“Recommended Practice for Testing Well Cements”的规定进行配制与测试。

柴油搬土水泥浆是由油井水泥、柴油、搬土以及少量的表面活性剂组成，表面活性剂的加入，可以改善油井水泥、搬土在柴油中的分散效果，提高油井水泥、搬土等的浓度，有效降低吸油率，提高遇水后的堵漏能力。

表1 柴油搬土水泥浆配方

配制方法：将定量表面活性剂加入到柴油中，搅拌均匀后，加入油井水泥及搬土混合材料，使用瓦楞搅拌机4000 r/min搅拌20 s后，高速搅拌40 s。

析油率的测试：搅拌完成后，将柴油搬土水泥浆倒入100 mL量筒，静止2 h后，称取上层析出柴油的量，与100 mL浆体中柴油总量之比，即为析油率。

强度的测定：配制好浆体后，称取400 g柴油搬土水泥浆，按设计比例分别加入一定量的水，搅拌均匀后，清除析出表面析出油渍，搅拌均匀后装入模块，在一定温度下进行养护，养护结束后，测定水泥石强度。

2 堵漏机理

柴油膨润土水泥浆本身不具有硬化性能，需与水接触后，才能起到结块、堵漏的作用。由于水泥、膨润土属于亲水性物质，因此，在柴油膨润土水泥浆与水基泥浆接触后，水能够将油浆中的水泥、膨润土等物质从柴油中迅速置换出来，由于置换初期，水灰比相对很小，因此会迅速反应；而其中形成的固体颗粒，是膨润土遇水后，迅速吸水形成的表面含水的膨润土富集表现。随着水量的增加，水灰比提高，混合浆体又再次出现了变稀的现象。

通过精心优选表面活性剂，利用膨润土的溶胀特性，对膨润土和水泥进行合理配比，使水泥干灰的固相绝对体积达到最大，油浆中水灰比含量降至最低，实现最高强度。它是由柴油，膨润土，水泥及与之配套的表面活性剂组成的柴油膨润土水泥浆体系。该体系具有析油量低，与泥浆混配后迅速形成固体颗粒，强度高等特点。

由于搬土与水泥都是亲水性物质，本身在柴油中润湿性不好，加入少量表面活性剂可以有效改善搬土与水泥浆的亲油效果，提高搬土与水泥在柴油中的分散浓度。同时，由于表面活性剂的加入，可以有效降低柴油的析油率，提高柴油搬土水泥浆的稳定性。

3 结果与讨论

3.1 流动度测定

井筒中流体的流动度的提高，可以有效降低摩阻，进而进一步减少井底漏失。在柴油搬土水泥浆配制过程中，搬土、水泥自身颗粒较细，并且亲油性不强，易在浆体中发生团聚，进而增稠现象，因此固含量收到一定的限制。为了提高浆体中的固含量，可以通过添加表面活性剂的方式，改善颗粒材料在流体中的分散度，并且提高颗粒间的斥力，改善浆体流动性。本研究选取有机醇酯类表面活性剂S-1，作为体系的分散剂使用，并对浆体的流动性能进行测试。实验中，分别进行了未加入表面活性剂、加入不同加量表面活性剂S-1情况下的流动度测定，如表2所示。

表2 流动度数据

由表2可以看出，在不加入表面活性剂之前，水泥与搬土的加量分别为80%时，流动度仅为14，无法很好的流动，也就是说，在不加入表面活性剂的情况下，水泥与搬土的加量80%情况下，已经无法进一步提高；随着表面活性剂的加入，固体含量可以显著提高，S-1加量达到0.4%时，水泥加量可以提高至120%，流动度可达23 cm，具有良好的流动性。因此表面活性剂的加入，显著改善了浆体的流动度，使得浆体可以实现在井筒中良好的泵注与顶替。

3.2 析油率

析油率是表示油基搬土水泥浆的稳定程度的指数，可以表现为一定体积的浆体在静止状态下的油析出数量。降低析油率，可以通过固含量的提高或者添加表面活性剂两种方法来解决，但是固含量的提高至一定程度后，流动度下降，有一定的加量限制，因此无法完全满足降低析油率的要求。因此我们通过添加适量表面活性剂，提高搬土与水泥在柴油中的分散效果，使他们可以稳定的存在于浆体中，进而降低析油率。

分别在不同表面活性剂加量的情况下，进行了析油率的测定，结果如图1所示。

图1 析油率数据

由结果可以看出，随着表面活性剂S-1的加入，浆体的析油率降低，当加量为0.4%时，可以使析油率达到2%左右，可以保证浆体的稳定存在；并且随着表面活性剂的加入，析油率降低有限，因此认为表面活性剂S-1的最优加量为0.4%。

3.3 强度性能

根据形成永久性堵漏机理的过程，认为起作用的主要是水泥与水起反应，从而形成强度。以(水:水泥)质量比作为参照，对水与油浆(柴油膨润土水泥浆)的配比进行了理论计算：

(1)按照水:油浆=5:95，油浆中水泥含量为95×8÷26=29.23，从而水:水泥=5÷29.23=0.17；在此比例下，部分水泥被水从柴油中置换出来，形成了部分块状物，但由于油还是主要溶剂，因此浆体仍具有流动性；

(2)按照水:油浆=10:90，油浆中水泥含量为90×8÷26=27.69，从而水:水泥=10÷27.69=0.36；在此比例下，更多的水泥被水从柴油中置换出来，形成了更多块状物，油仍为主要溶剂，因此浆体仍具有流动性；

(3)按照水:油浆=15:85，油浆中水泥含量为85×8÷26=26.15，从而水:水泥=15÷26.15=0.57；在此比例下，更多的水泥被水从柴油中置换出来，形成了更多块状物，油应仍为主要溶剂，因此浆体仍具有流动性；

(4)按照水:油浆=20:80，油浆中水泥含量为80×8÷26=24.62，从而水:水泥=20÷24.62=0.81；在此比例下，更多的水泥能够全部被水从柴油中置换出来，形成了更多块状物，油已经不再是主要的溶剂，流动性显著下降；

(5)按照水:油浆=30:70，油浆中水泥含量为70×8÷26=21.54，从而水:水泥=30÷21.54=1.39；在此比例下，水泥几乎全部被水从柴油中置换出来，形成了多数块状物，接近或称为转换点，浆体流动性丧失；

(6)按照水:油浆=40:60，油浆中水泥含量为60×8÷26=18.46，从而水:水泥=40÷18.46=2.17；在此比例下，水将逐步称为主要溶剂，随着水的加入，水量增大，称为主要稀释物，浆体将逐步变稀；

(7)按照水:油浆=50:50，油浆中水泥含量为50×8÷26=15.38，从而水:水泥=50÷15.38=3.25；浆体进一步变稀。

众所周知，水:水泥=0.44是我们的G级水泥理想的水化比例，随着油浆中混入水量的增大，必然出现先变稠后变稀的现象；上述的理论计算，只是基于水：水泥的比例进行，未考虑膨润土的水化需水量，这也是为什么最稠的阶段没有出现在水:水泥=0.44附近的原因。

但是，经过上述这种推算，水与水泥比例越小，后期形成的强度才能越高，也就是说，随着水量的增大，强度应出现先升高(初期无强度)后减小(水量太大，强度很小，甚至没有)的现象，因此，根据不同比例做强度曲线，应出现一个强度峰值。

图2 不同水与油浆掺和后效果图

图3 水加量与强度的关系

通过实验可以看出，随着水量的增大，形成的结构，先随水量增大而增强；后随水量进一步增大，而又降低。在30:70节点，显示出较好的效果。与理论计算的0.87的点，并不能完全吻合，有可能是由于搬土的存在，使得大量旳水被搬土消耗所致。不过由强度数据也可以看出，确实存在峰值，使得油浆与水在某比例达到最高强度值，与理论设想一致。

3.4 堵漏能力评价

柴油搬土水泥浆的堵漏能力，主要来自遇水后，水泥迅速从柴油中析出，与水快速反应，生成具有一定胶凝强度的结构，流动阻力上升或丧失，进而在漏失层位形成堆积，起到快速堵漏的效果；并随着时间延长，水泥反应程度加深，形成水泥石强度，从而更大限度的提高长效封固能力。

本实验通过裂缝型堵漏测试仪，进行了水与油浆在不同比例条件下的堵漏能力评价，测试温度50 ℃。结果如表3所示。

表3 堵漏试验结果

由实验结果可知，水:油浆比例为30:70具有最好的堵漏效果，可以进行1.5 mm以内裂缝的封堵，而其他比例条件下，要么没有堵漏能力，要么堵漏能力较低，应该是水量过多和过少，都不能使混合浆体的水泥最大程度的形成结构，从而不能有效封堵裂缝；但是可以看出，当裂缝较大时(如裂缝≥2 mm时)，即使最优比例的混合浆体，也不能有效封堵，主要是形成的结构力较弱，不阻力在大裂缝处有效堆积；而当裂缝达到2 mm时，通过先侯凝一段时间后，再进行堵漏能力测试，可以达到理想的堵漏效果，这主要是水泥水化作用，导致结构力上升所致，认为这是可以实现高效、长效封堵的有效手段。