李鋒 畢慶豐 李德偉(川慶鉆探工程有限公司 陜西 西安 710006)

一、前言

油氣井水泥的使用環(huán)境(高溫、高壓)和施工工藝(高水灰比)決定了其致命的缺陷：高體積收縮和高濾失。F17A型晶體水泥膨脹劑主要依靠高性能晶體材料的水化產(chǎn)物產(chǎn)生晶體膨脹，補償水泥漿(石)的體積收縮并產(chǎn)生體積膨脹，壓縮水泥石孔隙并改善孔分布，達到提高強度降低滲透率的目的，在受限狀態(tài)下產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力，提高水泥換環(huán)的抗壓強度，防止環(huán)空微間隙的產(chǎn)生，從而達到防竄。

二、油氣井發(fā)生竄流的原因和危害

1.油氣井發(fā)生竄流的危害

(1)由于地下流體取代了水泥漿體應(yīng)占有的體積，形成內(nèi)槽水、氣環(huán)，破壞了水泥石的整體性，增加了地層內(nèi)腐蝕性流體侵蝕套管的機會，使油氣井壽命縮短。

(2)竄槽在水泥環(huán)內(nèi)造成了流體通道，如果通至井口，則形成可見的井口冒氣、冒油、冒水，造成井場的環(huán)境污染和資源浪費；如果通道與地下水竄通，就會污染地下水源。

(3)竄槽使擠水泥、打水泥塞和注水泥作業(yè)部分或全部失敗，使油氣井無法投產(chǎn)。

2.油氣井發(fā)生竄流的原因

一般認為有兩種原因：一種是微隙——微裂縫理論，即水泥水化過程中在水泥漿內(nèi)部及水泥石與地層間界面膠結(jié)不良或強度太低形成縫隙而發(fā)生竄流。水泥漿傳遞壓力的能力取決于水泥水化期間所產(chǎn)生的漿體結(jié)構(gòu)和水泥體積的變化，一般情況下，水泥漿失水量越大，失重越快；溫度越高，無論失水量大小，失重都增加，也就是說，失水量越大，橋堵造成的失重越明顯。

三、膨脹劑F17A的作用機理

水泥漿在凝結(jié)過程中，不發(fā)生竄流的基本條件是：

式中 Po——上部液柱壓力(即水泥漿柱以上鉆井液+前置掖等)

Pc——水泥漿柱有效壓力；

Pr——氣侵阻力

Pp——地層流體壓力

既上部液柱壓力Po、水泥漿柱有效壓力Pc、及氣侵阻力Pr之和大于地層流體壓力Pp時，地層流體就不會侵入環(huán)空發(fā)生竄流。采用兩凝或三凝水泥固然可以改善有效液柱壓力，但當(dāng)其中的一凝或兩凝水泥凝固或膠結(jié)失重后，仍然具有發(fā)生竄侵的可能，這時就要依靠增大氣侵阻力Pr來實現(xiàn)防竄，加入膨脹劑F17A的膨脹水泥，其水泥漿體積的膨脹起因于膨脹劑中的高性能晶體材料硫鋁酸鹽，方鎂石和方鈣石水化產(chǎn)物的生成和生長，這些晶體在局部內(nèi)的生成和生長促使水泥漿體產(chǎn)生膨脹，在漿體處于受限狀態(tài)時，膨脹將會使水泥石結(jié)構(gòu)致密化、并產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力(膨脹應(yīng)力)，增加了水泥石氣侵阻力Pr，同時膨脹也消除了水泥漿凝固過程中的輕度收縮，有利于提高水泥環(huán)的兩個界面的膠結(jié)強度，防止了竄流通道的產(chǎn)生。其膨脹過程遵循無機鹽的結(jié)晶規(guī)律：溶解—析晶—再結(jié)晶。反應(yīng)式如下

四、膨脹劑F17A水泥漿體系

F17A油井水泥膨脹劑屬雙晶體膨脹材料，通過晶體膨脹源重結(jié)晶或晶型轉(zhuǎn)變產(chǎn)生體積增長，主要在水泥漿塑性狀態(tài)后期和硬化狀態(tài)前期發(fā)生，補充這個階段水泥漿的體積收縮，防止了竄流通道的產(chǎn)生。

1.膨脹劑F17A膨脹水泥漿的膨脹性試驗

純水泥和純水泥中加入F17A膨脹率對比

配方1：純水泥 水灰比：0.44

配方2：純水泥＋3%F17A膨脹劑 水灰比0.44

純水泥和純水泥中加入F17A后膨脹率對比表

72 h 0.32 0.042 0.044項目 性能純水泥硬化體膨脹率%(75℃)24h 72 h加入F17A后硬化體膨脹率%(75℃)24h 0.029

從上表可以看出，不加膨脹劑F17A的水泥硬化體膨脹率24小時和72小時比較，基本無變化；而加入膨脹劑F17A的水泥硬化體膨脹率24小時和72小時比較，膨脹率明顯增大。膨脹效果明顯。

2.膨脹劑F17A水泥漿體系配方：

根據(jù)低滲透氣藏長裸眼天然氣井的地層特點和固井要求，在以往固井的經(jīng)驗基礎(chǔ)上，設(shè)計用于封固蘇里格氣探井氣層的固井水泥漿體系配方：

配方：G級水泥+F17A膨脹劑+G307降失水劑+G64緩凝劑

該水泥漿體系具有稠化時間可調(diào)性、過渡時間短、低失水、雙膨脹等特性，具有防竄功能。實際應(yīng)用時，根據(jù)具體施工要求可適當(dāng)改變G64緩凝劑的摻量來調(diào)整稠化時間。

五、現(xiàn)場應(yīng)用及效果

膨脹劑F17A水泥目前現(xiàn)場應(yīng)用10口井，這10口井基本上處于蘇里格探區(qū)邊緣，氣層比較活躍，應(yīng)用膨脹劑F17A水泥以后，氣層段固井質(zhì)量優(yōu)質(zhì)率92.28%，基本上解決了該區(qū)塊固井質(zhì)量差的問題。

六、幾點認識

1.水泥漿的體積收縮是造成水泥環(huán)二界面膠結(jié)質(zhì)量差和地下流體竄流的核心因素，選擇具有雙膨脹特性的晶體膨脹材料F17A，既能解決因塑性體積收縮造成的地層水侵、氣侵，又能防止硬化體收縮產(chǎn)生的環(huán)空微間隙。從而提高固井質(zhì)量。

2.膨脹劑F17A水泥漿體系在井眼環(huán)空中通過體積膨脹來增加水泥的孔隙壓力，彌補了水泥漿失重造成的液柱壓力降低，同時由于膨脹作用的存在，減輕了水泥硬化產(chǎn)生的收縮現(xiàn)象，從這兩個方面起到了防竄的功效。

3.膨脹劑F17A水泥是由加入水泥中的固體粉沐通過吸水膨脹和晶格膨脹來實現(xiàn)膨脹的，不需要另外的設(shè)備?，F(xiàn)場使用簡便。

[1]姚曉，油井水泥膨脹劑研究(I)，鉆井液與完井液，2004(4)：52-55.

[2]姚曉，油井水泥膨脹劑研究(II)，鉆井液與完井液，2004(5)：43-47.

[3]林發(fā)枝，超細微膨脹固井水泥研究與應(yīng)用，石油鉆采工藝。2006(6)40-42.

[4]張德潤、張旭，固井液設(shè)計及應(yīng)用，石油工業(yè)出版社2000.10.