罗石琼

【摘 要】为提高临盘油田固井质量，减少水泥环在外力作用下的损害，开展了弹性水泥浆的研究，采用水泥与多组分活性矿物掺料（弹性材料、石英砂、硅粉）配级得到了弹性水泥浆体系。通过室内实验可知，弹性水泥浆具有较低的弹性模量，弹性形变好，失水较低，24h强度大于20MPa，稠化时间可以调节。在P17-X15井油层套管固井现场试用表明，该井固井一界面和二界面胶结质量均好，固井质量优，得到甲方好评。弹性水泥浆体系在P17-X15井的成功应用表明，该水泥浆体系可以进一步推广应用到临盘油田其它井的固井中。

【关键词】固井;弹性水泥浆;弹性模量;固井质量

中图分类号： TE358 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）14-0155-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.14.075

Research and Application of Elastic Cement Slurry System in Linpan Oilfield

LUO Shi-qiong

（Linpan Drilling Company，Sinopec Xinan Oilfield Service Corporation，Linyi Shangdong 251500，China）

【Abstract】In order to improve cementing quality of Linpan oilfield and reduce the damage of cement ring under external force，the elastic cement slurry system was studied.The elastic cement slurry system was obtained by grading cement with multi-component active mineral admixtures（elastic material，quartz sand and silica powder）.The laboratory experiment showed that the elastic cement slurry has low elastic modulus，good elastic deformation，low water loss，24h strength greater than 20MPa，and the thickening time can be adjusted. The elastic cement slurry was used for casing cementing in P17-X15 well，the field application showed that the cementing quality of the first and second interfaces of the well is good，and the cementing quality was excellent，received favorable comments from owner.The successful application of elastic cement slurry in P17-X15 well showed the cement slurry system could be further applied to the cementing of other wells in the Linpan oilfield.

【Key words】Cementing;Elastic cement slurry;Modulus of elasticity;Cementing quality

固井施工完后，由于后期射孔、开采过程中压力、温度变化对水泥环产生变形影响，使水泥石受到应力作用，导致水泥环完整性遭到破坏，产生微裂缝，引起油水窜槽，导致采收率降低，更为严重的是影响油井的使用寿命，增加单井维护费用。为了保证临盘油田良好的封固质量，改善水泥环与地层的二界面胶结状况，提高固井质量，保证目的层的长期注采要求，开展了弹性水泥浆的研究。在P17-X15井目的层段采用具有预防微裂缝产生的弹性水泥浆体系固井，取得了良好的现场应用效果。

1 室内研究

1.1 干混材料的紧密堆积

优化干混材料的颗粒级配，使水泥中大小颗粒相互填充，在保证水泥浆流变性的情况下，提高单位体积水泥浆中的堆积体积分数PVF，就是干混合物中所有颗粒的绝对体积之和除以干混成分的散装体积的值，PVF值越大，水泥石孔隙度和渗透率越小，性能越好[1]。弹性水泥浆体系是采用多组分活性矿物掺料（弹性材料、石英砂、硅灰），形成二级、三级、四级紧密充填，使胶凝材料的密实性进一步提高，通过调节混合物固相的不同颗粒尺寸分布，使混合物的堆积体积分数>0.8，从而得到紧密堆积，优化水泥浆。较细颗粒硅灰的数量应足够充填于紧密排列颗粒构成的空隙中[2]，这样能提高水泥的水化度，且与氢氧化钙产生二次反应，使水泥石结构和界面结构更为致密，将可能形成的渗透通道阻断，增强水泥石强度和抗介质腐蚀能力[3]，使水泥石的致密性、抗腐蚀性、抗渗性和抗冲击性得到提高。表1是弹性水泥浆通过紧密堆积得到的水泥浆样品配方数据。

1.2 水泥石抗压强度试验

将制好的4个水泥浆样品装入50.8mm×50.8mm×50.8mm立方试模，置于75℃的水浴养护箱中养护24h，脱模，在NYL-30微机全自动水泥压折试验机测定抗压强度，实验结果（见表2）表明弹性材料的加量直接影响油井水泥石的抗折性能和抗壓强度，有个最佳加量。这是由于弹性材料在油井水泥石中的作用有两方面[4]：一方面由于水泥石中存在大量不同种类、不同孔径的孔隙，弹性粒子的加入在一定程度上填充了这些孔隙，导致其密实度升高;另一方面，弹性材料在油井水泥浆中是一种有机杂质，增加加量相当于增加了水泥石结构中的不利因素，降低了水泥石的抗压强度和抗折性能。当弹性粒子加量小于最佳加量时，未填满水泥石的孔隙，弹性粒子的有害作用表现为强势，引起水泥石的抗压、抗折强度降低;而当弹性粒子加量为最佳加量时，水泥石中的孔隙基本被填充，密实度升高，水泥石的抗压、抗折强度提高;当超过最佳加量时，弹性粒子的有害作用又处于强势，导致水泥石抗压强度和抗折强度降低。

1.3 水泥浆弹性模量测定

用NYK-1型数显液压加力弹性模量测定仪分析得到四个样品的应力-应变曲线图（如图1所示），1#-4#样品的弹性模量（50℃，20MPa围压条件下）测定结果分别为4482.6MPa、3903.4MPa、3605.3MPa和3080.9MPa。弹性模量是应力与应变之比，材料在受到拉伸或压缩的应力一定时，材料的形变越大说明弹性模量越小，材料的弹性形变越好。弹性模量小，水泥浆受应力时更容易发生弹性变形，证明弹性形变好[5]。由图1可以看出，1#样品所能承受的压力很小，极易破碎，且应变性能最差;4#样品弹性模量值小于2#和3#，说明4#的弹性变形较2#和3#好，弹性材料的加入可以降低水泥石的弹性模量，水泥石受应力时更容易发生弹性形变，这对于改善水泥环与地层二界面胶结质量是有利的。这是由于弹性材料填充于水泥晶体颗粒之间，当水泥石受到冲击作用时，晶体颗粒作为水泥石骨架结构，是冲击力的传递介质，缓冲了冲击力，从而发生弹性形变，减少水泥石所受应力的损害。

1.4 水泥浆稠化实验

将4个样品用CTE高温高压稠化仪进行水泥浆稠化实验，设置实验温度75℃，压力30MPa。由表3实验结果可知，随着弹性材料的加入，可降低水泥浆的密度、失水，增加流动度，稠化时间略微升高，稠化时间可以根据固井施工条件调节，完全满足现场固井要求。

2 现场固井应用

2.1 应用井地质工程情况

在P17-X15井油层套管固井现场应用了弹性水泥浆体系。该井构造位置为临盘油田P53-X1块西部沙三下构造高部位，钻探目的为完善P53-X1块沙三下注采井网。目的层为沙三下，该块沙三下孔隙度19%～32.6%，平均孔隙度27.2%，渗透率42～97610-3m2，平均38910-3m2。该块沙三下为受构造控制的中孔中高渗常温常压断块层状常规稠油油藏。该井完钻井深2208m，垂深2010.59m，造斜点井深1398.36m，最大井斜50.63°，水平位移491.11m，钻井周期11天18小时，建井周期19天20小时。

2.2 应用井固井设计与施工

该井重点封固段为1440m～2134m，水泥返高800m。固井水泥浆设计：领浆+中间浆+尾浆，在重点封固段的尾浆应用了弹性水泥浆体系，具体配方：弹性水泥10%（弹性材料1.3%+石英砂0.91%+LS-3 1.6%+硅粉0.86%）+G级水泥+增韧剂1%+膨胀剂1%+G301 8%+水，测试性能为：密度1.94g/cm3，失水48mL，强度30MPa，流动度25cm，稠化时间78min，满足现场固井施工要求。

该井下入外径139.7mm，钢级N80、壁厚9.17、7.72mm油层套管，下深2201.11m，阻流环位置：2194.72m。固井施工前，循环带砂干净、调整好钻井液性能，用泥浆泵注入轻浆17.0m3，用固井车泵入冲洗液10.0m3和隔离液6.0m3，而后注G级水泥77.0t（井段800.00～1000.00m为领浆：水泥浆平均密度1.67g/cm3，井段1000.00～1400m为中间浆：水泥浆平均密度1.83g/cm3，井段1400.00～2201m为弹性水泥尾浆：水泥浆平均密度1.98g/cm3），顶胶塞4.0m3，替浆21.0m3替压14.0MPa，清水2.5m3，碰压至20.0MPa，泄压至0MPa候凝24h后测声幅，固井质量检测为优质井（该井固井一界面和二界面胶结质量均好，尤其是二界面质量有较大提高），得到甲方好评，甲方后期施工评价长期效果好，要求多应用几口井。

3 结论与建议

（1）弹性水泥浆失水低，24h抗压强度大于20MPa，稠化时间可以根据固井施工条件调节，完全满足现场固井要求。

（2）弹性水泥浆弹性模量低，具有很好弹性形变，能抵抗外力作用下水泥环所受的破坏，保证水泥环的完整性，改善二界面胶结情况，提高固井质量，长期效果好，可在临盘油田现场固井进一步推广应用。

（3）弹性水泥浆体系作为一种新型的水泥浆体系，建立与之特性相适用的评价实验新方法，如杨氏模量实验等非常重要。

【参考文献】

[1]李坤，徐孝思，黄柏宗.紧密堆积优化水泥浆体系的优势与应用[J].钻井液与完井液，2002，19（1）：1-9.

[2]刘崇建，黄柏宗，徐同台，等.油氣井注水泥理论与应用[M].北京：石油工业出版社，2001：182-184.

[3]黄柏宗.紧密堆积理论的微观机理及模型设计[J].石油钻探技术，2007，35（1）：5-12.

[4]陶谦，丁士东，刘伟，等.页岩气固井水泥浆体系研究[J]. 石油机械，2011，39（Z）：17-19.

[5]齐静，王云，马疆，等.弹性膨胀水泥浆在储气库固井中的应用[J].钻井液与完井液，2013，30（4）：52-55.