15、防漏水泥浆的开发及性能评价(中国石油集团工程技术研究院-邹建龙).doc

1、防漏水泥浆的开发及性能评价邹建龙 屈建省 吕光明 朱海金（中国石油集团工程技术研究院）摘要 为解决固井施工中水泥浆漏失低返难题，开发了防漏外加剂（包括防漏剂和助防漏剂） ，制备了防漏水泥浆。以水泥浆高温高压失水仪为基础建立了水泥浆堵漏试验装置，并制定了测试方法。试验结果表明，开发的防漏水泥浆具有较好的堵漏性能和施工性能。水泥浆漏失低返是国内外油田普遍存在且尚未完全解决的技术难题之一，在多压力层系、长封固段和低压易漏性地层的固井施工中尤为突出。固井施工之前，应采取各种堵漏措施解决或减轻井漏问题，但固井前即使已经堵住了漏失，固井时仍然可能因为环空发生憋堵、原有堵漏不彻底、水泥浆附加量过多等原因而再

2、次发生漏失。为防止固井时发生漏失，从固井工艺方面来看，可采用分级固井、正注反挤、使用套管外封隔器等措施，但这些措施的实施需要对漏层的准确定位，而且存在施工风险。从水泥浆方面来看，可采用低密度水泥浆、触变水泥浆等方法。低密度水泥浆可以防止漏失，但不具备堵漏功能，不能提高地层承压能力，不适用于多压力层系地层。触变水泥浆具有堵漏作用，但施工风险大，如触变性弱，则堵漏效果不佳，如触变性强，则施工中容易憋泵。在水泥浆中加入适当的堵漏材料（如特种纤维材料）可以使水泥浆具有堵漏功能，可以提高薄弱地层的承压能力，是提高水泥浆防漏堵漏性能的有效方法，是解决水泥浆漏失低返问题的有效途径，近年来在国内外有少量报道

3、1,2。防漏水泥浆的组成防漏水泥浆主要由水泥、外掺料、水、及外加剂组成，其中外加剂主要包括：（1）防漏剂 BCE-200SBCE-200S 由纤维及适量助剂组成。纤维具有适宜的尺寸，表面经过亲水处理，在水泥浆中良好分散，形成网络结构，具有较好的防漏堵漏性能。助剂的加入保证了纤维与水泥干混时均匀分散，并可适当提高纤维与水泥的胶结。（2）助防漏剂 BCE-210SBCE-210S 由多种外加剂组成，调节水泥浆性能，与防漏剂协同作用，可有效提高水泥浆的防漏堵漏能力。（3）其它外加剂其它外加剂包括分散剂 CF40S、缓凝剂 BXR-200L、促凝剂 T90 等。水泥浆堵漏性能评价方法1水泥浆堵漏试验装

4、置API 钻井用桥接堵漏材料试验装置（见图 1）是于 1962 年经工业鉴定后开始纳入 API标准的。自那以后，其硬件一直未作过较大改进。它主要由试验容器、填充床套筒、顶盖、球阀和可模拟漏层裂缝的不锈钢裂缝板等构件组成。该装置已为广大石油工作者所接受，应用得较为广泛，但是用该装置进行水泥浆堵漏性能测试时，存在较大的缺陷，主要表现在：（1）试验用浆量大。需 4000mL 浆；而按 API 规范，实验室常用的水泥混合装置一次只能制备约 600mL 水泥浆。（2）由于试验用浆量大，所以难以预处理。水泥浆在测试其堵漏性能之前，应该在常压稠化仪中测试温度下搅拌 20min，以模拟注水泥实际过程。在温度升

5、高的情况下，水泥浆性能（特别是流变性能）将发生较大的变化，会影响其堵漏性能，只参考室温下没有经过预搅拌而得到的测试结果存在较大的风险。（3）无加热装置，无法保温。装置太大，无加热装置，即使浆体经过预处理后也无法保证其在试验过程中温度不下降。为解决这个问题，在水泥浆高温高压失水仪基础上加工改造了一套试验装置，来测试水泥浆的堵漏性能。该装置具有用浆量少、操作方便、可以加热等特点，适合测试水泥浆堵漏性能，有利于油田推广应用。图 1 API 堵漏材料试验装置 图 2 水泥浆堵漏试验装置示意图1-O 型密封环 2-填充床 3-带孔的支撑板 4-球阀 1-进气口 2-阀门 3-顶盖 4-活塞 5-工作筒5

6、-裂缝板 6-安装裂缝板用的联管节 7-接压源的管嘴 6-模块 7-支撑环 8-底盖 9-排液口 10-加热套在该水泥浆堵漏试验装置中，加工了不同孔隙（1mm-4mm ） 、不同缝隙（0.5mm-4mm）的模块用于模拟漏失地层（见表 1 和表 2） 。模块具有不同的孔隙率和缝隙率。表 1 孔隙模块参数孔 径 1mm 2mm 2mm 4mm孔 数 90 22 90 22孔隙率 3% 12%表 2 缝隙模块参数缝 长 46mm缝 宽 0.5mm 1mm 2mm 4mm缝隙率 1% 2% 4% 8%注：模块直径均为 53.5mm，模块厚度均为 6.4mm。2水泥浆堵漏试验装置测试方法水泥浆堵漏试验装

7、置测试方法的制定参考了石油天然气行业标准 3，并结合了 API 水泥浆性能测试方法。该评价方法分为动态法和静态法。1）动态法（1）在失水筒底盖上放入垫圈，然后在垫圈上放置选定的孔隙板或缝隙板，将失水筒放入加热装置中预热；（2）制备水泥浆并放入常压稠化仪中在预定温度下搅拌 20min；（3）取出预热失水筒，倒入搅拌好的水泥浆约 380mL，然后在水泥浆上部放入活塞，失水筒装好后放入加热装置中；（4）将失水筒顶盖上的进气针阀关闭；（5）将气源压力调至 0.7MPa，启动计时器，打开进气针阀，如果封堵成功，记录10min 流出的浆体体积；（6）启动计时器，以 2MPa/min 的升压速率升压至 3.

8、5MPa（0.1MPa/3s，共 84s） ，或者至封堵失败且筒内浆体流完为止，记录得到的最大压力；如果承压成功，记录 20min 流出的浆体体积。2）静态法（1） （2） （3）同动态法；（4）将失水筒顶盖上的进气针阀打开；（5）启动计时器，以 1MPa/min 的升压速率升压至 0.7MPa（0.1MPa/6s，共 42s） ，如果封堵成功，记录 10min 流出的浆体体积；（6）同动态法。防漏水泥浆性能评价1不同组成水泥浆堵漏性能对不同组成水泥浆堵漏性能进行了考察，包括水泥净浆、净浆加助防漏剂、净浆加防漏剂、净浆及低密度水泥浆加防漏剂和助防漏剂。从表 3、表 4 堵漏试验结果可以看出：水

9、泥净浆堵不住 1mm 孔或 0.5mm 缝，全部漏光；净浆中加入助防漏剂也堵不住 1mm 孔或 0.5mm 缝，全部漏光；净浆中加入防漏剂后可以阻止水泥浆中固相颗粒漏失，但无法控制水泥浆中液相漏失；净浆及低密度水泥浆中加入防漏剂和助防漏剂后具有较全面的堵漏效果，可以堵住 1mm 孔或 0.5mm 缝。表 3 水泥浆配方配方 水泥浆配方 密度g/cm3 BCE-200S 含量Kg/m3 浆1 水泥+44% 水 1.9 02 水泥+44% 水+1.5%BCE-210S+0.3%CF40S 1.9 03 水泥+44% 水+2.1%BCE-200S 1.9 274 水泥+44% 水+2.1%BCE-2

10、00S +1.5%BCE-210S+0.3%CF40S 1.9 275 水泥+80% 粉煤灰+30% 漂珠+100% 水+6.0% BCE-200S+2.4%BCE-210S+6.8%T90 1.5 276 水泥+43% 漂珠+86%水+5.1%BCE-200S+1.4%BCE-210S+5.7%T90 1.3 27表 4 水泥浆堵漏试验结果（50）1mm 孔动态 0.5mm 缝动态配方 FL0.7MPamLFL3.5MPamLFL0.7MPamLFL3.5MPamL1 380(全漏) 380(全漏) 2 380(全漏) 380(全漏) 3 130(液相漏光) 115(液相漏光) 4 20 1

11、 4 15 10 33 1 0.56 7 8 1 0.5图 3 是 1mm 孔堵漏效果，图中孔眼旁边的滤饼已清除掉，可以看出纤维和水泥对孔眼形成良好堵塞。图 3 1mm 孔堵漏效果图2防漏剂不同掺量对堵漏性能的影响从表 57 堵漏试验结果可以看出：增大防漏剂的掺量，可以堵住 1mm 的孔隙和 1mm的缝隙，漏失量也随之降低，对 2mm 的孔隙也具有一定的堵漏效果。表 5 水泥浆配方（水泥+44%水+BCE-200S +1.5%BCE-210S+0.3%CF40S）配方 BCE-200S 掺量% BCE-200S 含量Kg/m3 浆7 0.7 98 1.4 189 2.1 2710 2.8 36

12、表 6 水泥浆堵漏试验结果（孔隙模块，50）1mm 孔动态 2mm 孔动态3%孔隙率配方 FL0.7MPamLFL3.5MPamLFL0.7MPamLFL3.5MPamL7 380 380 8 31 0.5 380 9 20 1 380 10 18 0.5 11 369（升压至 3.5MPa 时漏光）表 7 水泥浆堵漏试验结果（缝隙模块，50）1mm 缝动态 2mm 缝动态配方 FL0.7MPamLFL3.5MPamLFL0.7MPamLFL3.5MPamL7 380 380 8 380 380 9 13 0.5 380 10 11 0.5 380 图 4 是配方 810 堵 1mm 孔试验时

13、封堵阶段漏失量随时间的变化关系，从图 4 可以看出：防漏水泥浆封堵迅速，漏失量在 1min 后增加很小，基本保持恒定。02468102120340 18Kg/m37 6/FL.7MPa(m) t (min)图 4 漏失量随时间变化关系3温度对水泥浆堵漏性能的影响从表 8 堵漏试验结果可以看出：所开发的防漏外加剂体系在 3090温度范围内具有较好的堵漏性能，但随着温度升高，漏失量有所增大。表 8 不同温度下水泥浆堵漏试验结果（配方 4）1mm 孔动态温度 FL0.7MPa, mL FL3.5MPa, mL30 18 150 20 170 24 790 30 304防漏剂对水泥浆综合性能的影响从表

14、 9 可以看出：适量防漏剂的加入，对水泥浆的综合性能影响较小，不会影响现场施工。表 9 水泥浆综合性能比较（50）配方 流动度 cm 初始稠度 Bc 稠化时间 min API 失水mL 24h 抗压强度 MPa2 25 14 145 20 20.34 24 18 120 20 23.2防漏水泥浆防漏机理（1）防漏剂起到架桥的作用，形成基本骨架，水泥浆中粗固相颗粒在骨架上进行充填，形成堵塞隔墙，从而阻止水泥浆中细固相颗粒的漏失（见图 5）。图 5 堵漏示意图（2）助防漏剂可与水泥浆中固相颗粒、纤维材料在压差下相互作用形成致密结构，从而完全堵住细小的漏失通道，防止了水泥浆中细微颗粒及液相的漏失。（

15、3）防漏剂和助防漏剂的加入可以在漏失通道口迅速形成致密而结实的堵塞，从而提高易漏失地层的承压能力。防漏剂和助防漏剂协同作用，可起到广谱堵漏的效果，满足不同尺寸漏失通道的防漏堵漏要求。结 论（1）以水泥浆高温高压失水仪为基础建立了水泥浆堵漏试验装置，结合钻井用桥接堵漏材料室内试验方法和 API 水泥浆性能测试方法，制定了水泥浆堵漏性能评价方法。（2）开发了以防漏剂和助防漏剂为主的防漏外加剂，制备了具有一定防漏堵漏能力的常规密度和低密度水泥浆，防漏外加剂的加入可以封堵住 1mm 的孔隙及缝隙，具有良好承压能力，而且对水泥浆施工性能影响较小。（3）探讨了防漏外加剂作用机理，认为防漏剂和助防漏剂二者协

16、同作用，具有封堵迅速、广谱防漏堵漏的特点。参 考 文 献1 Effendhy, Hendri Junaidi, Raafat Abbas, Badar Zia MalikFibers in cement form network to cure lost circulationWorld Oil2003，224(6)：48502 姚晓，吴叶成，樊松林等F27A 油井水泥防漏增韧剂的研究及应用天然气工业， 2004，24(6) ：66693 中华人民共和国石油天然气行业标准 SY/T 5840-93钻井用桥接堵漏材料室内试验方法基金项目：中国石油天然气集团公司应用基础研究项目（编号：04A20202） “防漏水泥浆体系的研究”部分研究成果。第一作者简介：邹建龙，高级工程师，1974 年生， 1999 年毕业于天津大学材料学专业，获硕士学位，现在中国石油集团工程技术研究院从事固井技术研究工作。