不同固井水泥浆体系防气窜能力研究

于培刚 侯海欧

（中海油田服务股份有限公司油田化学事业部，天津 300459）

0 引言

油气井固井施工结束后，由于环空静液柱压力与地层间的压力平衡会随着水泥浆的水化过程产生变化，导致地层中的流体进入环空，这种现象称为流体窜流。固井作业结束后如何防止流体窜流一直是固井作业的一大难题，特别是针对高温高压井一直是较难解决的技术问题。如果不能有效抑制流体的气窜，后期会影响水泥环的界面胶结强度，影响油气开采，甚至可能形成井口带压，引发井喷事故。

固井施工的防气窜工作除了需要对现场固井作业的工艺进行改进，如何提升水泥浆的防窜性也是重要一环。目前，对于国内常用的水泥浆体系，如何能达到较好的防气窜效果，还没有相应的基础数据及评价方法。国内外大多数油田在固井水泥浆体系中掺入胶乳或者树脂，以提升水泥浆的整体防气窜效果，但是达到最佳效果的掺量大小及防气窜效果的好坏，至今没有相关标准，而目前国内有一些防气窜评价设备，也没有相关标准评价其质量的优劣。本研究利用水泥水化分析仪对常规低密度水泥浆体系、纯水泥体系、胶乳水泥浆体系进行防气窜性能评价，建立分析水泥浆防气窜评价的流程。建立评价流程后，通过调整水泥浆体系的各材料配比，最终得出适合现场使用的防气窜水泥浆配方［1-3］。

1 气窜机理及试验设备

1.1 气窜的理论研究

油气井固井过程及侯凝发生环空气窜主要有两个原因，一是固井作业顶替效率不高，导致环空中的岩屑等不能有效清洗干净，固井作业结束后，水泥环不能有效封固一二界面，最终产生气窜通道；二是由于水泥浆在凝固过程中会消耗一部分水分，水泥浆凝固后在水泥颗粒之间会有游离水通道，特别对于易漏失的井常采用低密度水泥浆进行全封，而低密度水泥浆体系由于高水灰比等原因，导致游离水通道较大，气窜风险也会相应增加［4-5］。故室内监测并评价固井水泥浆水化过程中压力的动态变化对于指导现场生产是很有必要的。

1.2 试验设备

为了解常见水泥浆体系在水化过程中压力的变化，本研究采用水泥水化分析仪作为水泥浆评价装置，水泥水化分析仪结构如图1 所示。该仪器用于评价不同配方油井水泥浆防气窜潜力和水化过程压力的变化情况。将水泥浆样品放置在圆筒型样品筒内，放入烘箱，对样品筒底部隔膜施加压力，模拟水泥浆承受的水围压。通过烘箱加热样品到试验温度，在水泥水化程度达到试验设定条件时，从水泥浆底部注射氮气；通过测量水泥柱顶部的水泥孔隙压力变化及氮气注入流速的变化，判断是否有氮气注射压向上传送或者窜通整个水泥柱到达水泥柱对面（顶部），从而判断水泥浆是否发生气窜。若发生气窜，将导致水泥顶部孔隙压力升高，氮气流速持续增大。若没有发生气窜，水泥在水化过程中孔隙压力将持续下降，并有可能持续降低到真空，氮气流速持续较低。通过测量水泥水化曲线以及孔隙压力∕氮气流速决定试验注气的结束时间，进而判断体系是否发生气窜。由于目前并没有相关的评价标准，因此试验采用3种不同的测试方案，分别是150 Psi∕200 Psi、200 Psi∕250 Psi、250 Psi∕300 Psi等3套压力系统。通过检测常用的不同配方水泥浆体系的防气窜能力，同时掺入合适的防气窜外加剂，使水泥浆体系达到最佳的防窜效果。

图1 水泥水化分析仪结构

水泥水化分析仪的原理是通过水围压实现对水泥样品增压，随着水泥的固化收缩，当水泥孔隙压力下降到特定数值（电脑程序设定），关闭釜体（关闭水围压阀），停止隔膜∕活塞杆对样品继续加压，打开氮气注射阀，水泥固化收缩，气体进入釜体并填满收缩产生的空隙，进入釜体的气体总量可用于估算水泥石总的收缩率。水泥石收缩部分用隔膜∕活塞杆位移来补偿，即当孔隙压力降低到比设定压力还低时才使气体注入水泥。这种试验程序要求氮气注入压低于水围压（比如用气体注入压250 Psi 对应300 Psi 水围压），先将样品用水围压加压，然后将气体注入压力设置为一个低的压力。当水泥温度达到试验温度时，且当水泥孔隙压力等于先前设定的气体注入压力时，关闭水围压阀，打开氮气注入阀，允许气体在余下试验时间段始终注入釜体，仪器的控制软件可设置为当水泥孔隙压力达到操作人员输入的最小孔隙压力时，自动打开∕关闭这些阀。当监测到水泥温度降低并且接近炉温时，说明水泥水化已完成，停止试验。试验得出，气体注入以后，若孔隙压力增加（特别是等于气体注入压力），说明发生气窜；相反，若水泥孔隙压力降低（特别是大约等于0 Psi），说明无气窜发生。

2 水泥浆体系防窜性能研究

2.1 常规低密度水泥浆体系

低密度水泥浆是目前国内油田使用较多的体系。室内评价采用的试验配方为：淡水+100%水泥+46.1%低密度混材+10.26%降失水剂PC-G81L+0.51%增韧剂PC-GS12S+1.03%增强剂PC-GS13L+0.26% 缓凝剂PC-H21L+1.28%消泡剂PC-X60L，水泥稠化时间为194 min，使用150 Psi∕200 Psi 压力组合评价，未加防窜材料低密度水泥浆气窜曲线如图2 所示。由图2 可知，常规低密水泥浆体系使用150 Psi∕200 Psi 压力组合评价，在水泥浆水化过程中，失重发生了气窜，450 min 是气窜的拐点，之后缓慢变为完全气窜。

图2 未加防窜材料低密度水泥浆气窜曲线

为了提升常规低密度水泥浆的防气窜性能，在常规低密度水泥浆配方的基础上掺入高分子防气窜材料。实验室对其防气窜性能进行了评价，具体试验配方：淡水+100%水泥+46.1%低密度混材+10.26% 降失水剂PC-G81L+0.51% 增韧剂PCGS12S+1.03%增强剂PC-GS13L+0.26%缓凝剂PCH21L+1.28%消泡剂PC-X60L+高分子防气窜材料，水泥浆稠化时间为184 min，采用150 Psi∕200 Psi 试验方案，得到加入高分子防窜材料低密度水泥浆气窜曲线，如图3所示。由图3可知，加入高分子防窜材料后低密度水泥浆的气窜效果得到了明显的改善，560 min 出现细微气窜，但随着时间的推移，水泥浆最终还是发生了气窜。其主要原因是低密水泥浆体系具有高水灰比，水泥浆凝固后水泥石颗粒之间会存在一定的细小孔道，虽然该体系中掺入了大量的防气窜材料，但随着时间的推移还是发生了气窜，后期应继续研究更好的防气窜材料。

图3 加入高分子防窜材料的低密度水泥浆气窜曲线

2.2 AMPS水泥浆体系

AMPS 水泥浆体系是行业内常用的水泥浆体系，该体系具有配方简单、现场易操作、使用范围广等特点。实验室对其防气窜能力进行了评价，试验配方：淡水+100%水泥+5.63%降失水剂PC-G81L+1%增韧剂PC-GS12S+0.25%增强剂PC-GS13L +0.31%缓凝剂PC-H21L+1%消泡剂PC-X60L，水泥稠化时间为177 min，通过采用150 Psi∕200 Psi 压力组合进行防窜性能评价，显示效果良好。但是当压力组合调整为200 Psi∕250 Psi时，体系发生气窜，重复多次依然发生了气窜，AMPS 水泥浆体系气窜曲线如图4所示。

图4 AMPS水泥浆体系气窜曲线

采用150 Psi∕200 Psi试验方案，水泥浆没有发生气窜，但是采用200 Psi∕250 Psi 试验方案却发生了气窜，说明AMPS 水泥浆体系具有一定的防窜能力，但防窜能力有限，应掺入一定的外加剂来改善水泥浆的防窜性能。

2.3 胶乳水泥浆体系

目前，行业内多采用胶乳来改善水泥浆的防窜性能［6］，通过室内试验对胶乳水泥浆的防窜性能进行了评价，试验配方：淡水+100%水泥+3%早强剂PC-B20S+3.5%降失水剂PC-G81L+5%胶乳PCGR1+1%胶乳稳定剂PC-J20L+0.25%增韧剂PCGS12S+0.25%增强剂PC-GS13L+0.63%分散剂PCF44L+0.13% 缓凝剂PC-H21L+1.5% 消泡剂PCX60L，水泥的稠化时间为150 min，采用200 Psi∕250 Psi 压力组合进行防气窜评价。胶乳水泥浆200 Psi∕250 Psi压力组合气窜曲线如图5所示，胶乳水泥浆250 Psi∕300 Psi压力气窜曲线如图6所示。

图5 胶乳水泥浆200 Psi∕250 Psi压力组合气窜曲线

图6 胶乳水泥浆250 Psi∕300 Psi压力组合气窜曲线

由图5、图6 可知，胶乳水泥浆体系在200 Psi∕250 Psi试验压力组合下能起到较好的防气窜效果，因此将压力组合提升至250 Psi∕300 Psi，在6 h 左右时，水泥浆体系缓慢发生气窜，16 h 后气窜现象基本稳定，但此时并没有完全气窜。为了达到较好的防窜效果，将胶乳的掺加量提高至8%，在250 Psi∕300 Psi试验压力组合下，胶乳水泥浆体系能起到较好的防气窜效果，如果开展评价的压力组合再加大数值，均会发生气窜。

3 结语

经研究可知，从气窜的机理出发，降低水灰比，提高固相含量，掺入水化快的早强材料，加大胶乳或树脂加量，充填窜通通道，均能够提升水泥浆的防窜性能。

目前，行业内还没有针对防窜评价的标准，本研究通过水泥水化分析仪对常规低密水泥浆体系、AMPS 纯水泥体系、胶乳水泥浆体系防气窜性能进行评价，分析三种水泥浆体系评价的压力组合。虽然水泥水化分析仪能评价各体系防窜效果，但不能有效模拟现场的实际情况，也只能在低压下（如250 Psi∕300 Psi）模拟气窜效果。

水泥浆在水化过程中，会有一定的收缩，通过试验发现“气窜”大部分是从试验浆杯壁窜上去的，因此气窜极有可能是水泥石收缩引起的，故膨胀剂在水泥浆中的使用也尤为重要。目前，膨胀剂大部分都是MgO，而其煅烧工艺非常重要。如果其稳定性差，遇水易生成Mg(OH)2，失去膨胀作用，进而使其过于稳定，在水泥水化期间不再发生化学反应，而此时是最容易气窜的时候，因此反应时间的控制至关重要，还需要进一步对其进行研究。此外，弹性材料在高压下处于物理压缩状态，而水泥水化收缩时，弹性颗粒释放压力，进而发生微膨胀，可以达到防气窜的目的。