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新型固井用防水竄材料的研究與性能評價

文檔作者：盧海川1 趙岳1 宋偉賓1 高繼超1 胡中華2 霍明江1 文檔來源： 1. 中國石油集團(tuán)海洋工程有限公司渤星公司 2. 西部鉆探青海鉆井公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2024年02月26日
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第34 卷 第4 期
2017 年7 月
Vol. 34 No. 4
July 2017
鉆 井 液 與 完 井 液
DRILLING FLUID &amp;amp; COMPLETION FLUID
doi: 10.3969/j.issn.1001-5620.2017.04.0014
新型固井用防水竄材料的研究與性能評價
盧海川1， 趙岳1， 宋偉賓1， 高繼超1， 胡中華2， 霍明江1
（1. 中國石油集團(tuán)海洋工程有限公司渤星公司，天津 300451 ；2. 西部鉆探青海鉆井公司，青海海西 816400）
盧海川，趙岳，宋偉賓，等.新型固井用防水竄材料的研究與性能評價[J]. 鉆井液與完井液，2017，34（4）：75-79，
84.
LU Haichuan，ZHAO Yue，SONG Weibin，et al.Study and evaluation of a new anti-water channeling material for well
cementing[J].Drilling Fluid &amp;amp; Completion Fluid，2017，34（4）：75-79，84.
摘要 固井水竄問題是各油田普遍存在的技術(shù)難題，目前缺乏有效的解決辦法。針對以上問題，從水泥漿體系出發(fā)，
首先進(jìn)行了防水竄材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計，然后根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計，篩選出相應(yīng)的防水竄原材料，并通過對其合理的復(fù)配研究，制備
出了一種新型固井用防水竄材料。實驗根據(jù)固井不同階段的水竄機理，采用相應(yīng)的方式對該材料的防水竄效果進(jìn)行了評價，
結(jié)果顯示開發(fā)的防水竄材料可增加水泥漿內(nèi)部結(jié)構(gòu)，縮短靜膠凝過渡時間，避免水泥石收縮，從而避免水泥漿在不同階段
發(fā)生水竄。另外，綜合評價結(jié)果表明，新型固井防水竄材料可縮短稠化時間、增加水泥石強度，改善水泥漿穩(wěn)定性，且對
水泥漿稠化、流變、失水等性能無不良影響，綜合性能良好。
關(guān)鍵詞 固井；水竄；水泥漿；防水竄材料；防水竄評價；綜合性能
中圖分類號：TE256.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-5620（2017）04-0075-05
Study and Evaluation of a New Anti-Water Channeling Material for Well Cementing
LU Haichuan1, ZHAO Yue1, SONG Weibin1, GAO Jichao1, HU Zhonghua2, HUO Mingjiang1
(1. Boxing Division of CNPC Offshore Engineering Company Limited, Tianjin 300451;
2. Qinghai Drilling Division of CNPC Xibu Drilling Engineering Company Limited, Haixi, Qinghai 816400)
Abstract Water channeling in well cementing has been a difficult technical problem remained unsolved in petroleum industry till now.
In a study on anti-water channeling cement slurry, structural design of anti-water channeling additives were done, and based on the
design, several anti-water channeling raw materials were selected and mixed in a certain ratio to form a new compounded anti-water
channeling additive. According to the water-channeling mechanisms in different stages of well cementing, the effect of the anti-water
channeling additive was evaluated with different evaluation methods. The evaluation results showed that the anti-water channeling
additive developed is able to strengthen the interior structure of cement slurry, shorten the transit time of static gel, avoid contracting
of set cement, thereby avoiding water-channeling of cement slurry at different cementing stages. The evaluation also demonstrated
that the new anti-water channeling additive is able to shorten thickening time of cement slurry, increase compressive strength of set
cement, and improve the stability of cement slurry; it has no bad effect on the thickening time, rheology and filter loss of cement slurry,
exhibiting good overall properties.
Key words Well cementing; Water channeling; Cement slurry; Anti-water channeling material; Evaluation of anti-water channeling
performance; Overall properties
中國大部分陸上油田均已進(jìn)入高含水開發(fā)后
期，即使新開發(fā)的油藏大多也采用早期注水開發(fā)方
式保持地層產(chǎn)能，這就使固井作業(yè)面臨水竄的問題。
目前油氣井尤其是調(diào)整井固井的水竄問題是各油田
尚未很好解決的技術(shù)難題，嚴(yán)重地制約了油田開發(fā)
戰(zhàn)略的實施和油氣采收率的提高[1-2]。固井防竄材
料的研究多集中在防氣竄材料的研究[3-4]，缺乏專
門的防水竄材料，而水竄與氣竄是不同的，水竄入
第一作者簡介：盧海川，畢業(yè)于天津大學(xué)材料學(xué)專業(yè)獲碩士學(xué)位，主要從事固井材料和水泥漿體系的研究。電話（ 022）
66310332 ；E-mail ：luhc@cnpc.com.cn。
萬方數(shù)據(jù)
76 鉆 井 液 與 完 井 液 2017 年 7 月
水泥漿后，會直接影響水泥漿的凝固過程，而氣竄
則不會，因此采用防氣竄的一些材料來防止水竄應(yīng)
用效果往往不夠理想[1-5]。中國雖有一些防水竄體
系[6-10]，但多采用速凝早強、膨脹、低失水、抗?jié)B
等常規(guī)外加劑簡單復(fù)配的方式，這就常會導(dǎo)致漿體
的基本性能難以調(diào)節(jié)、防竄性能不夠全面等問題，
且研究多集中在如何使水泥漿快速凝固，而對于水
泥漿沒有開始凝固前的階段研究很少，這就可能會
增加水侵的可能性，從而不能起到很好的防水竄效
果。針對以上問題，從水竄機理出發(fā)，開發(fā)出了一
種綜合性能良好的新型固井用防水竄材料[11-14]。
1 新型防水竄材料的開發(fā)
1.1 新型防水竄材料的要求
固井水竄可能發(fā)生在水泥漿凝固的不同階段，
根據(jù)對水竄機理的分析，分別從水泥漿凝固前、凝
固中以及凝固后3 個不同階段提出了防水竄材料應(yīng)
具備的性能。①避免水泥漿凝固前的水竄，選用可
在水泥漿內(nèi)部形成立體空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，且可改善水
泥漿表面張力的物質(zhì)，增加水泥漿內(nèi)聚力，增強水
侵阻力，減少水對水泥漿的影響。②避免凝固過程
中的水竄，選用可明顯縮短水泥漿靜膠凝過渡時間
的物質(zhì)，從而避免因失重造成的水竄。③避免由于
收縮而導(dǎo)致的水竄，選用可同時產(chǎn)生塑性膨脹和硬
化體膨脹的材料。④避免由于水泥石滲透率過大導(dǎo)
致的水竄，所選材料可在一定程度上改善滲透率。
⑤避免防水竄材料影響其他性能，所選材料應(yīng)對水
泥漿其他性能無不良影響或具有改善作用。
1.2 新型防水竄材料的復(fù)配研究
通過大量合成、篩選，最后得到3 種性能優(yōu)良
的原材料X、Y、Z。其中，X 為具有微膨脹作用
的超細(xì)粉體材料，Y 為可改善表面性質(zhì)的合成乙烯
類共聚物，其具有兩親性，Z 為具有一定促凝作用
的無機材料。以上述3 種材料為原材料，結(jié)合各自
性能，分別從靜切力、靜膠凝過渡時間、膨脹率3
個方面出發(fā)進(jìn)行了復(fù)配研究，考察了不同配比下水
泥漿的性能，結(jié)果見表1。由表1 可知，隨著材料
X 所占比例的降低與材料Y 所占比例的升高，水
泥漿的靜切力先增加后逐漸降低，靜膠凝過渡時間
先變短后變長但整體變化不大，24 h 水泥石膨脹率
逐漸降低；隨著材料Z 的增加，水泥漿靜膠凝過
渡時間呈現(xiàn)較明顯的縮短，當(dāng)增加到一定程度后基
本保持不變。以上數(shù)據(jù)表明，材料X 與Y 之間存
在協(xié)同作用，可形成一定的內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)，提高水
泥漿靜切力，從而增加水泥漿內(nèi)部結(jié)構(gòu)強度。水泥
石膨脹率則主要受材料X 影響，材料Z 與X、Y
協(xié)同作用共同影響靜膠凝過渡時間。綜合以上因素，
結(jié)合成本問題，選擇mx∶my∶mz 之間的最佳比例
為7∶2∶1，并將其代號定為W-1 ；以W-1 為主劑
形成的水泥漿具有較強的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，較短的膠凝過
渡時間以及較高的膨脹率，有利于避免不同階段水
竄的發(fā)生。水泥漿基本配方如下。
勝濰G 級油井水泥+3.0%BXF-200L（AF）+
4.0% 防水竄材料+43% 水
表1 防水竄材料不同配比下水泥漿的性能
mx∶my∶mz
G10 min（70℃）/
Pa
靜膠凝過渡時
間（30 ℃）/min
24 h 膨脹率
（70 ℃）/%
8∶1∶1 43.0 34 0.030
7∶2∶1 50.3 26 0.027
6∶3∶1 60.1 28 0.023
5∶4∶1 50.1 28 0.017
4∶5∶1 38.6 30 0.015
3∶6∶1 20.6 34 0.010
7∶2.5∶0.5 56.3 37 0.026
7∶1.5∶1.5 46.1 26 0.027
7∶1.8∶1.2 47.3 25 0.026
不加復(fù)合材料3.1 43 -0.003
2 新型防水竄材料性能評價
為了較好地防止固井水竄，水泥漿凝固前應(yīng)具
有較強的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可避免水對其的侵蝕與“溶解
遷移”。按照GB/T 19139—2012 規(guī)定的膠凝強度測
試方法，對加入W-1 的水泥漿凝固前形成內(nèi)部結(jié)
構(gòu)的強弱進(jìn)行評價，并采用室內(nèi)簡易的模擬裝置，
考察了水對水泥漿的“溶解遷移”情況。不同溫度
下水泥漿的膠凝強度見表2。
2.1 防水竄性能
2.1.1 凝固前的防水竄性能
實驗用水泥漿配方如下。
勝濰G 級油井水泥+4.0%BXF-200L（AF）+
W-1+43% 水
萬方數(shù)據(jù)
盧海川第 34 卷 第 4 期 等：新型固井用防水竄材料的研究與性能評價 77
模擬裝置主要由U 型管和橡皮管組成，實驗
時在橡皮管中注入水泥漿，模擬套管與地層注入的
水泥漿，為了模擬水泥漿與地層水的接觸，在內(nèi)部
橡皮管壁上開一些小孔；U 型管與橡皮管環(huán)空模擬
含水地層，且可使水循環(huán)實現(xiàn)水的流動，從而模擬
水對水泥漿的“溶解遷移”等過程。實驗時，開啟
循環(huán)水，觀察不同時間水對水泥漿的“溶解遷移”
情況，結(jié)果見圖1。
表2 不同溫度下水泥漿的膠凝強度
W-1/
%
30 ℃膠凝強度/Pa50 ℃膠凝強度/Pa90 ℃膠凝強度/Pa
10 s 10 min 10 s 10 min 10 s 10 min
0 1.5 8.3 1.3 6.5 0.9 3.0
2.5 4.0 35.3 4.3 34.6 3.5 31.3
3.5 6.5 50.1 6.8 47.3 5.6 43.1
不加W-1 水剛開始循環(huán) 3.5%W-1 水剛開始循環(huán)
不加W-1 水循環(huán)30 min 3.5%W-1 水循環(huán)30 min
圖1　不同含量W-1 在不同循環(huán)時間下的狀態(tài)
由表2 可知，加入防水竄材料W-1 后，水泥
漿的膠凝強度明顯變大，隨著加量增加，水泥漿在
不同溫度下的膠凝強度也明顯提高，且在一定范圍
內(nèi)溫度對水泥漿的膠凝強度影響不大。這說明防水
竄材料可提高不同溫度下水泥漿的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。由圖
1 可知，不加防水竄材料的水泥漿在剛開始就被水
大量帶走，30 min 后，小孔周圍水泥漿幾乎被全
部帶走，而加入防水竄材料的水泥漿幾乎不受循環(huán)
水的影響，在水流沖刷30 min 后軟管中水泥漿幾
乎還保持原來狀態(tài)，進(jìn)一步證明水泥漿具有較強的
內(nèi)聚力和抗水侵的能力，避免了水對水泥漿的影響。
2.1.2 凝固中的防水竄性能
采用美國千德樂靜膠凝強度測試儀和水泥氣液
竄模擬分析儀，對水泥漿凝固過程中的防水竄性能
進(jìn)行了評價，考察了水泥漿在40 ℃和70 ℃下的靜
膠凝過渡時間和70 ℃下防水竄模擬情況，結(jié)果見
表3、圖2、圖3 和圖4。
表3 不同溫度下水泥漿靜膠凝過渡時間對比
W-1/
%
靜膠凝過渡時間/min W-1/
%
靜膠凝過渡時間/min
40 ℃ 70 ℃ 40 ℃ 70 ℃
0.0 21 18 3.5 13 10
a）不加W-1
b）加入3.5%W-1
注：1 lb/100 ft2=0.48 Pa。
圖2　40 ℃下水泥漿靜膠凝強度發(fā)展曲線
注：1 lb/100 ft2=0.48 Pa。
圖3　40 ℃下加入3.5%W-1 水泥漿靜膠凝強度的發(fā)展曲線
萬方數(shù)據(jù)
78 鉆 井 液 與 完 井 液 2017 年 7 月
由此可知，加入防水竄材料W-1 后，水泥漿
靜膠凝過渡時間明顯縮短，這就可減少水泥漿凝固
過程中因失重發(fā)生水竄的幾率。另外，防水竄模擬
實驗也進(jìn)一步證明了，加有防水竄材料W-1 的水
泥漿體系可避免水泥漿凝固過程中水竄的發(fā)生。
注：1 in=2.54 cm。
圖4　70 ℃下加入3.0%W-1 水泥漿的防水竄模擬曲線
2.1.3 凝固后的防水竄性能
按照J(rèn)C/T 313—2009 對W-1 不同加量下的水
泥石膨脹率進(jìn)行了測試，采用低滲/ 特低滲儲層傷
害模擬評價系統(tǒng)，對水泥石的滲透率進(jìn)行了測試，
養(yǎng)護(hù)條件為70 ℃、48 h，測試流體為自來水，結(jié)
果見表4 和表5。由此可知，加有W-1 的水泥石養(yǎng)
護(hù)不同時間后都表現(xiàn)出一定的膨脹，避免了水泥漿
凝固后造成的收縮，且隨著防水竄材料的增加，水
泥石的滲透率逐漸變小，這就為水泥石凝固后防止
水竄的發(fā)生提供了保障。
表4 不同養(yǎng)護(hù)齡期水泥石膨脹率測試（70 ℃）
W-1/
%
不同養(yǎng)護(hù)齡期水泥石的膨脹率/%
1 d 2 d 10 d 30 d
3.0 0.020 0.026 0.035 0.040
4.0 0.027 0.034 0.046 0.050
表5 水泥石滲透率測試結(jié)果（70 ℃、48 h）
W-1/% 0 3.0 4.0
液測滲透率/mD 3.1×10-4 2.7×10-4 2.5×10-4
2.2 稠化性能
考察了W-1 對水泥漿稠化性能的影響，結(jié)果
見表6。由表6 可知，隨著防水竄材料加量的增加，
水泥漿稠化時間明顯縮短，表現(xiàn)出較明顯的促凝作
用。在保證施工安全的前提下，水泥漿的快速凝固
有利于避免水竄的發(fā)生；另外，根據(jù)現(xiàn)場需求，稠
化時間的長短也可以通過加入緩凝劑進(jìn)行調(diào)節(jié)。以
防水竄材料W-1 為主劑形成的水泥漿體系稠化時
間可調(diào)，過渡時間短，稠化線形良好。
表6 W-1 不同加量下水泥漿稠化性能對比
W-1/
%
BXR-200L/
%
初始稠度/
Bc
稠化
線形
過渡時間/
min
t 稠化/
min
0.0 0.0 17 正常5 140
3.0 0.0 20 正常3 93
3.5 0.0 21 正常4 86
4.0 0.0 23 正常3 68
3.0 0.15 20 正常3 150
注：實驗條件為70 ℃、35 min、35 MPa。
2.3 流變性能
采用OFITE900 型黏度儀對不同W-1 加量下水
泥漿的流變性能進(jìn)行了測試，結(jié)果見表7。由表7
可知，加入防水竄材料后水泥漿稠度系數(shù)變大，但
仍具有良好的流動性能，有利于提高頂替效率，避
免水侵發(fā)生的同時可保證施工的安全性。
2.4 穩(wěn)定性
對加入W-1 常規(guī)密度水泥漿和不同水灰比的
水泥漿的穩(wěn)定性進(jìn)行了考察。水泥漿經(jīng)70 ℃養(yǎng)護(hù)
20 min 后，倒入量筒中放于70 ℃水浴靜置2 h，測
上下密度差，結(jié)果見表8。
表7 W-1 不同加量下水泥漿流變性與膠凝強度對比
W-1/
%
T/
℃
φ3 φ6 φ30 φ60 φ100 φ200 φ300 n
K/
Pafsn
0.0
20
2.6 3.9 20 31 46 86 123
0.88 0.27
2.3 3.2 19 30 48 85 123
70
2.0 3.4 17 27 41 76 112
0.93 0.18
1.7 3.1 16 26 40 76 112
2.5
20
12.5 21.6 44 59 79 127 168
0.74 0.85
5.1 7.3 28 47 70 121 168
70
18.3 24.4 54 76 100 151 188
0.65 1.66
7.6 12.1 35 58 84 139 188
3.5
20
17.1 23.8 47 66 91 151 200
0.75 0.91
5.3 7.8 31 55 83 145 200
70
24.4 30.6 64 91 120 185 233
0.68 1.68
9.1 13 42 70 101 170 233
萬方數(shù)據(jù)
盧海川第 34 卷 第 4 期 等：新型固井用防水竄材料的研究與性能評價 79
表8 不同W-1 加量下水泥漿穩(wěn)定性對比
W-1/% 水灰比ρ/（g/cm3） 游離液/% Δρ/（g/cm3）
0.0 0.43 1.89 0.1 0.05
3.0 0.43 1.89 0.0 0.0
0.0 0.46 1.85 0.6 0.1
3.0 0.46 1.86 0.0 0.0
3.0 0.50 1.82 0.0 0.0
由表8 可知，沒有加W-1 的水泥漿隨著水的
增加，穩(wěn)定性會明顯變差；而加有W-1 的水泥漿
可保持極好的穩(wěn)定性，即使在水灰比迅速增加的情
況下，水泥漿具有很好的穩(wěn)定性。
2.5 失水量、抗壓強度性能
通過改變W-1 的加量，考察了W-1 對水泥漿
失水量、水泥石抗壓強度的影響，結(jié)果見表9。采
用靜膠凝強度測試儀對加有3.0%W-1 的水泥漿強
度發(fā)展情況進(jìn)行了測試，結(jié)果見圖5。由此可知，
防水竄材料對水泥漿失水、強度無不良影響；隨著
防水竄材料的增加，水泥石抗壓強度有所增加，表
現(xiàn)出一定的增強作用；且由強度發(fā)展曲線可以看到，
加有防水竄材料的水泥石強度發(fā)展較快，151 min
開始起強度，不加防水竄材料的水泥石強度發(fā)展慢，
195 min 開始起強度，且水泥石強度低。
表9 W-1 對失水量和抗壓強度的影響
W-1/
%
FL70 ℃ /
mL
p24 h/
MPa
W-1/
%
FL70 ℃ /
mL
p24 h/
MPa
0.0 46 27.0 3.0 46 32.6
2.0 42 30.3
圖5　加有3.0%W-1 水泥漿的強度發(fā)展曲線
綜上所述，W-1 在增加水侵阻力的同時，可
明顯縮短膠凝過渡時間，避免水泥石收縮，改善水
泥石滲透率，從而可防止水竄的發(fā)生。另外，防水
竄材料W-1 可縮短稠化時間、增加水泥石抗壓強度，
且對水泥漿稠化時間、失水量、穩(wěn)定性和流變性能
等無不良影響。
3 結(jié)論
1. 根據(jù)微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過無機材料與聚合物
材料的合理復(fù)配研究，開發(fā)出了一種新型的固井用
防水竄材料W-1，其可明顯地增加水泥漿的膠凝強
度，縮短靜膠凝過渡時間，避免水泥石的收縮。
2. 根據(jù)固井不同階段水竄機理，分別采用相應(yīng)
測試方法，對加入W-1 的水泥漿在凝固前、凝固
過程中及凝固后的防水竄性能進(jìn)行了測試，測試結(jié)
果顯示W(wǎng)-1 在不同階段都具有良好的防水竄性能。
參 考 文 獻(xiàn)
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（下轉(zhuǎn)第84頁）
萬方數(shù)據(jù)
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（收稿日期2017-02-11；HGF=1702N1；編輯 王小娜）
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（收稿日期2017-5-5；HGF=1704N11；編輯 王超）
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