国内外固井技术难点及新型水泥外加剂特性评析

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1、国内外固井技术难点及新型水泥外加剂特性评析姚晓1吴叶成2黎学年2刘金余2胡中磊2徐德安2（1南京工业大学材料科学与工程学院，2江苏石油勘探局钻井处）摘要：从材料学角度出发，结合现场实际问题，通过对油井水泥固有缺陷和常用油井水泥外加剂特性的分析，阐述了影响井下水泥环长期封隔质量的3个主要因素，即水泥浆的漏失低返、水泥石的体积收缩和高脆性。在讨论新材料作用机理的基础上，提出了初步的解决方案，并介绍了新材料的现场应用情况。文中还就国内油田未来对固井新材料的技术需求进行了预测，并就今后的研究方向提出了建议。主题词：油井水泥

2、水泥浆固井质量新材料性质井下水泥环的主要功能是支撑和保护套管，满足油气井开采阶段长期层间封隔的技术要求。油井水泥作为主要的密封材料一直用于固井施工中。各种化学外加剂和外掺料作为辅助材料，用于调整和改善特殊地层条件下水泥浆体的性能。因地层条件千变万化，所用水泥浆体系和外加剂各不相同，由此引发的固井技术难题也层出不穷。Smith认为“固井作业是一口井整个施工中最重要的组成部分，没有任何因素比固井质量对油层产能的影响更大”。因此，固井新材料的持续研发和应用必将为长期稳定地开发油气田提供基本的技术保障。1油井水泥浆体固有的

3、缺陷油井水泥属水硬性胶凝材料，其固有的水化特性、使用环境（高温、高压）和施工工艺（高水灰比、高流动性能）决定了其致命的“四高”缺陷（见图1）：高体积收缩、高滤失量、高密度和高脆性。水泥浆体的体积收缩使水泥环的胶结质量不能保证，还可能形成微间隙，引发地层流体（油、水、气）窜流。高脆性的水泥石在强冲击载荷作用下，水泥环会破裂而形成宏观裂纹和界面破坏，造成层间窜流并腐蚀套管。高滤失使得在施工过程中水泥浆发生脱水桥堵和失水收缩，水泥浆滤液进入油气层孔隙后，因其与地层内流体不配伍而造成油气层污染。常规的水泥浆密度通常远大于钻

4、井液密度，对于漏失性地层（低压或裂缝性地层）而言，容易引起诱导性漏失而造成水泥浆低返。基金项目：国家高新技术计划863项目——油田固井用水泥基多功能复合材料研究（2003AA327120）高收缩界面胶结质量差油气井寿命缩短水泥1基材高脆性抗冲击性能差固井质量差料油气水窜流固有特性图1油井水泥的固有缺陷及引发的固井技术问题1.1水泥浆体的体积收缩Sabins[1]将水泥浆体的体积收缩(HVR)分为两部分：塑性体收缩和硬化体收缩。在养护120h后HVR超过5%，其中发生在初凝前的最大塑性收缩量小于0.15%，而硬化体收

5、缩则占HVR的99.85%。HVR的90%以上是在水泥浆的强度达到ASTM终凝值（0.14MPa）之后。水泥浆体体积的减少主要发生在过渡时间结束以后[2]，即水泥浆体的收缩主要发生在终凝以后[3]。水泥浆体的收缩伴随着水泥石孔隙率的增大，对于水泥石的渗透率（抗腐蚀能力）和抗压强度（胶结性能）均有不良的影响。模拟研究表明[4]，水泥环界面存在0.01mm的微间隙就可发生气窜；当微间隙为0.02mm时，在CBL测井中可能出现较大的振幅；微间隙为0.05~0.07mm时，则导致固井质量不合格。上述结果证实了Drecq的观

6、点[5]：“水泥浆体的收缩是造成地层流体窜流的核心，如不设法解决浆体的收缩问题，采取再多的工艺措施也是徒劳的”。1.2水泥石的脆性水泥石属于有先天微观缺陷的脆性材料，并存在固有的缺陷：①抗拉强度低，在0.69~1.38MPa之间（为抗压强度的1/7~1/12）；②抗破裂性能差，极限延伸率为0.02%~0.06%；③抗冲击强度低，其断裂功为20~80J/m（2结构钢为5×105J/m2）；④弹性模量高（2.5~6.6GPa），泊松比小（0.15~0.36）。在射孔作业时，瞬间产生的高温高压聚能射流作用到套管/泥环/岩

7、体/复合体上，可产生高达4×103~2×104MPa的冲击压力，造成冲击开裂，发生“二次窜流”，影响后续采油作业。国内外已有部分实践证实[6~7]：射孔前CBL/VDL/SBT测井固井质量为优质，而射孔后CBL/VDL/SBT测井质量不合格。吉林油田三井次的CBL/VDL测井结果也证明了射孔对隔层封固质量的破坏。大庆油田统计了722口套损井的990个套损点，其中在射孔井段附近的套损点占56.0%[8]，中原油田的764口套损井，有258口井在射孔段，占61.4%[9]。21.3水泥浆的滤失量控制水泥浆滤失量的主要目

8、的是维护水泥浆浆体性能的稳定，以确保固井施工安全，其滤失量控制在250mL左右即可。从保护油气层和防窜角度考虑，滤失量控制在150mL（或100mL）以内即可[10]。固井过程中使用降滤失剂是必需的，但过度夸大失水量对产能的影响是不科学的，且失水量控制过低（≤50mL）既增加固井材料成本又会对水泥浆产生一定的副作用（如缓凝、抗压强度降低等）。因此，科学合理地