李锋 毕庆丰 李德伟(川庆钻探工程有限公司 陕西 西安 710006)

一、前言

油气井水泥的使用环境(高温、高压)和施工工艺(高水灰比)决定了其致命的缺陷：高体积收缩和高滤失。F17A型晶体水泥膨胀剂主要依靠高性能晶体材料的水化产物产生晶体膨胀，补偿水泥浆(石)的体积收缩并产生体积膨胀，压缩水泥石孔隙并改善孔分布，达到提高强度降低渗透率的目的，在受限状态下产生预应力，提高水泥换环的抗压强度，防止环空微间隙的产生，从而达到防窜。

二、油气井发生窜流的原因和危害

1.油气井发生窜流的危害

(1)由于地下流体取代了水泥浆体应占有的体积，形成内槽水、气环，破坏了水泥石的整体性，增加了地层内腐蚀性流体侵蚀套管的机会，使油气井寿命缩短。

(2)窜槽在水泥环内造成了流体通道，如果通至井口，则形成可见的井口冒气、冒油、冒水，造成井场的环境污染和资源浪费；如果通道与地下水窜通，就会污染地下水源。

(3)窜槽使挤水泥、打水泥塞和注水泥作业部分或全部失败，使油气井无法投产。

2.油气井发生窜流的原因

一般认为有两种原因：一种是微隙——微裂缝理论，即水泥水化过程中在水泥浆内部及水泥石与地层间界面胶结不良或强度太低形成缝隙而发生窜流。水泥浆传递压力的能力取决于水泥水化期间所产生的浆体结构和水泥体积的变化，一般情况下，水泥浆失水量越大，失重越快；温度越高，无论失水量大小，失重都增加，也就是说，失水量越大，桥堵造成的失重越明显。

三、膨胀剂F17A的作用机理

水泥浆在凝结过程中，不发生窜流的基本条件是：

式中 Po——上部液柱压力(即水泥浆柱以上钻井液+前置掖等)

Pc——水泥浆柱有效压力；

Pr——气侵阻力

Pp——地层流体压力

既上部液柱压力Po、水泥浆柱有效压力Pc、及气侵阻力Pr之和大于地层流体压力Pp时，地层流体就不会侵入环空发生窜流。采用两凝或三凝水泥固然可以改善有效液柱压力，但当其中的一凝或两凝水泥凝固或胶结失重后，仍然具有发生窜侵的可能，这时就要依靠增大气侵阻力Pr来实现防窜，加入膨胀剂F17A的膨胀水泥，其水泥浆体积的膨胀起因于膨胀剂中的高性能晶体材料硫铝酸盐，方镁石和方钙石水化产物的生成和生长，这些晶体在局部内的生成和生长促使水泥浆体产生膨胀，在浆体处于受限状态时，膨胀将会使水泥石结构致密化、并产生预应力(膨胀应力)，增加了水泥石气侵阻力Pr，同时膨胀也消除了水泥浆凝固过程中的轻度收缩，有利于提高水泥环的两个界面的胶结强度，防止了窜流通道的产生。其膨胀过程遵循无机盐的结晶规律：溶解—析晶—再结晶。反应式如下

四、膨胀剂F17A水泥浆体系

F17A油井水泥膨胀剂属双晶体膨胀材料，通过晶体膨胀源重结晶或晶型转变产生体积增长，主要在水泥浆塑性状态后期和硬化状态前期发生，补充这个阶段水泥浆的体积收缩，防止了窜流通道的产生。

1.膨胀剂F17A膨胀水泥浆的膨胀性试验

纯水泥和纯水泥中加入F17A膨胀率对比

配方1：纯水泥 水灰比：0.44

配方2：纯水泥＋3%F17A膨胀剂 水灰比0.44

纯水泥和纯水泥中加入F17A后膨胀率对比表

72 h 0.32 0.042 0.044项目 性能纯水泥硬化体膨胀率%(75℃)24h 72 h加入F17A后硬化体膨胀率%(75℃)24h 0.029

从上表可以看出，不加膨胀剂F17A的水泥硬化体膨胀率24小时和72小时比较，基本无变化；而加入膨胀剂F17A的水泥硬化体膨胀率24小时和72小时比较，膨胀率明显增大。膨胀效果明显。

2.膨胀剂F17A水泥浆体系配方：

根据低渗透气藏长裸眼天然气井的地层特点和固井要求，在以往固井的经验基础上，设计用于封固苏里格气探井气层的固井水泥浆体系配方：

配方：G级水泥+F17A膨胀剂+G307降失水剂+G64缓凝剂

该水泥浆体系具有稠化时间可调性、过渡时间短、低失水、双膨胀等特性，具有防窜功能。实际应用时，根据具体施工要求可适当改变G64缓凝剂的掺量来调整稠化时间。

五、现场应用及效果

膨胀剂F17A水泥目前现场应用10口井，这10口井基本上处于苏里格探区边缘，气层比较活跃，应用膨胀剂F17A水泥以后，气层段固井质量优质率92.28%，基本上解决了该区块固井质量差的问题。

六、几点认识

1.水泥浆的体积收缩是造成水泥环二界面胶结质量差和地下流体窜流的核心因素，选择具有双膨胀特性的晶体膨胀材料F17A，既能解决因塑性体积收缩造成的地层水侵、气侵，又能防止硬化体收缩产生的环空微间隙。从而提高固井质量。

2.膨胀剂F17A水泥浆体系在井眼环空中通过体积膨胀来增加水泥的孔隙压力，弥补了水泥浆失重造成的液柱压力降低，同时由于膨胀作用的存在，减轻了水泥硬化产生的收缩现象，从这两个方面起到了防窜的功效。

3.膨胀剂F17A水泥是由加入水泥中的固体粉沐通过吸水膨胀和晶格膨胀来实现膨胀的，不需要另外的设备。现场使用简便。

[1]姚晓，油井水泥膨胀剂研究(I)，钻井液与完井液，2004(4)：52-55.

[2]姚晓，油井水泥膨胀剂研究(II)，钻井液与完井液，2004(5)：43-47.

[3]林发枝，超细微膨胀固井水泥研究与应用，石油钻采工艺。2006(6)40-42.

[4]张德润、张旭，固井液设计及应用，石油工业出版社2000.10.