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高性能水泥浆性能的影响因素研究

摘要：固井作业对于水泥浆性能具有较高要求，为解决固井水泥浆性能难题，保障固井质量，需明确影响水泥浆综合性能的因素。基于此，本文首先对水泥浆高性能进行判定，选取一套水泥浆体系进行试验，检验其是否符合高性能要求，并试验过程与结果明确高性能水泥浆的影响因素，提升水泥浆防气窜性能。
关键词：水泥浆性能；固井；防气窜

引言：随着石油产业的发展建设，水平井数量不断增加，而井眼轨迹特殊性提高了固井难度，对固井水泥浆提出了更高的性能要求，其中防气窜、阻裂性、延展性为固井水泥浆性关键性能，为提升固井效果，避免气窜现象，应进一步提升固井水泥浆综合性能。
一、水泥浆高性能判定
为更好地验证固井高性能水泥的影响因素，本次研究从韧性、防窜性能两个方面研发高性能水泥浆体系。确定高性能水泥浆组成前，需研制高性能增韧防窜剂，通过添加有机高分子材料提升防窜性能及延展性，但发现有机高分子材料的添加导致水泥石阻裂性降低，为弥补该现象而添加高弹模纤维与钢纤维，却导致水泥浆可泵性、流动性变差，为获得高性能增韧防窜剂，对纤维材料表面进行调节，确保其可在药剂中分散，以此确保水泥浆流动性与可泵性，混合应用改性纤维材料与有机高分子材料，可获得兼顾防窜性能与阻裂性、延展性的新型药剂。结合固井作业特征来看，固井水泥浆应具备低失水、零析水、沉降稳定、高强度、强弹韧性、微膨胀、防窜等高性能，经分析后，判定出一套固井水泥浆体系，为验证影响水泥浆性能的因素，以下将对该固井水泥浆体系进行性能试验。固井水泥浆体系配方如下：G级油井水泥、0.5%膨胀剂、1.5%降失水剂、2.0%复合型稳定剂、0.7%分散剂、0.2%缓凝剂、1.0%消泡剂、4.0%增韧防窜剂、44%水[1]。
二、高性能水泥浆性能评价试验
（一）防窜性能试验
水泥浆防窜性能主要凭借4.0%增韧防窜剂完成，借助增韧防窜剂生成聚合物薄膜，抑制渗透效果，避免气体进入水泥浆柱内，降低气窜问题发生率。（1）静胶凝强度。由图1可知，添加本次特制韧性防窜剂后，水泥浆的胶凝强度前期、中期、后期变化速度为缓慢、加快、快速，该变化情况可有效避免气窜问题。（2）渗透率。地层气体在水泥浆液固态过渡期间易渗入水泥中产生气窜，降低固井效果，此时可通过降低水泥浆渗透率，避免地层气体进入水泥中。本次试验运用水泥渗透率仪进行渗透率实验，运用黄铜模具制取水泥样品，将其装入岩心套筒后放入水泥渗透率仪，使气体穿过水泥样品，以此得出水泥气体渗透率，为防止误差，共检验四次渗透率（单位为10-3μm2），数值结果依次为0.03、0.02、0.02、0.03，远低于传统水泥浆渗透率（0.27~0.32），由此可见本次研制的韧性防窜剂可有效改善水泥浆防窜性能，此时可判定防窜性能为影响水泥浆应用效果的重要因素，而防窜剂效果为水泥浆防窜性能的影响因素，为保障固井效果，应注意提升水泥浆防窜剂效果。

图 1 静胶凝强度变化曲线
（二）力学性能试验
（1）采用三轴应力应变测试仪检测水泥浆应力应变情况，发现传统化常规水泥石达到1.6%应变量时断裂，差应力断裂时差应力为76MPa，而本次所配制的水泥浆体系，5.0%应变量时水泥石仍未断裂，差应力逐步趋于平稳，由此可见，延展性为决定水泥浆性能的关键性能，在配制水泥浆时，应注意提升水泥浆延展性[2]。（2）在1.85g/cm3密度条件情况下，从7d抗拉强度、7d泊松比、7d杨氏模量、48h抗压强度四个方面验证本次配制的水泥浆体系与常规水泥浆的力学性能，具体结果如表1所示，根据表1不难看出，不同配制条件下的48h抗压强度变化不大，影响水泥浆高性能的因素主要为7d抗拉强度、7d泊松比、7d杨氏模量，为提升水泥浆力学性质，可重点从7d抗拉强度、7d泊松比、7d杨氏模量三个方面进行优化。
表 1 1.85g/cm3密度条件情况下水泥浆力学性质对比
水泥浆体系
7d抗拉强度/MPa
7d泊松比
7d杨氏模量/GPa
48h抗压强度/MPa
常规水泥浆
1.8
0.13
6.4
23.5
韧性防窜水泥浆
2.4
0.22
5.1
23.3
（三）膨胀性能试验
水泥浆液固转换期间体积收缩，在应力作用下易产生裂缝问题，降低固井效果，为规避该类情况，通常采用膨胀剂补充体积收缩，避免裂缝问题，由此可见，膨胀性能为影响水泥浆应用质量的关键性因素。为了解该次研究所提出的韧性防窜水泥的膨胀性能，经观察对比后，发现韧性防窜水泥0.5%膨胀剂使水泥浆具备了微膨胀性能，随着时间的延长，水泥浆膨胀率不断提升，能够有效补偿水泥浆液固转化时的体积收缩情况，规避微裂缝、微环隙问题，实现层间封隔，保障固井质量。不同膨胀剂应用比例可产生不同膨胀程度，为确保体积收缩补偿结果，应合理控制膨胀剂应用比例。
（四）沉降稳定性试验
在斜井段、水平井段中，受到重力作用影响易出现严重的径向沉降问题，一旦发生径向沉降，将使水泥环密度及强度出现不均匀情况，继而降低固井效果，这就对水泥浆沉降稳定性提出了更高要求。将配置完成的水泥浆灌入沉降稳定管内，在90℃温度条件下，经24h养护后的脱模，将所获得的水泥石切割为的五部分，测定五个水泥试块相对密度，测定结果较为稳定，均处于1.892~1.898范围内，沉降稳定性较好。
经上述试验验证后，发现影响水泥浆高性能的主要因素为防窜性能、力学性质、膨胀性能、沉降稳定性。为满足固井要求，应尽可能提高水泥浆体系，采用高品质防窜剂提升水泥浆防窜性能，严格控制水泥浆滤失量、流动度、稠化时间，并从7d抗拉强度、7d泊松比、7d杨氏模量三个方面加强对水泥浆力学性质的调节，合理控制水泥浆膨胀剂，提升沉降稳定性，以此确保水泥浆性能可满足固井要求。
结束语：综上所述，水泥浆质量可直接影响固井作业开展效果，间接影响石油产业的发展，为规避气窜等固井问题，应注意提升水泥浆性能，结合本次研究试验来看，防窜剂效果为影响水泥浆防窜性能的主要因素，此外，力学性质、膨胀性、沉降稳定性均可影响水泥浆性能，在判定水泥浆体系时，应从上述指标入手。
参考文献：
[1]张启龙,韩耀图,张明等.水泥浆防窜性能综合评价方法研究与应用[J].石油机械,2021,49(08):16-22.
[2]马骏,彭松,钟新新等.韧性防气窜水泥浆体系在水平井中的研究与应用[J].石油化工应用,2021,40(07):63-68.

-全文完-