国内外固井技术难点及新型水泥外加剂特性评析
姚晓1吴叶成2黎学年2刘金余2胡中磊2徐德安2
（1南京工业大学材料科学与工程学院，2江苏石油勘探局钻井处）
摘要：从材料学角度出发，结合现场实际问题，通过对油井水泥固有缺陷和常用油井水泥外加剂特性的分析，阐述了影响井下水泥环长期封隔质量的3个主要因素，即水泥浆的漏失低返、水泥石的体积收缩和高脆性。在讨论新材料作用机理的基础上，提出了初步的解决方案，并介绍了新材料的现场应用情况。文中还就国内油田未来对固井新材料的技术需求进行了预测，并就今后的研究方向提出了建议。
主题词：油井水泥水泥浆固井质量新材料性质
井下水泥环的主要功能是支撑和保护套管，满足油气井开采阶段长期层间封隔的技术要求。油井水泥作为主要的密封材料一直用于固井施工中。各种化学外加剂和外掺料作为辅助材料，用于调整和改善特殊地层条件下水泥浆体的性能。因地层条件千变万化，所用水泥浆体系和外加剂各不相同，由此引发的固井技术难题也层出不穷。Smith认为“固井作业是一口井整个施工中最重要的组成部分，没有任何因素比固井质量对油层产能的影响更大”。因此，固井新材料的持续研发和应用必将为长期稳定地开发油气田提供基本的技术保障。
1油井水泥浆体固有的缺陷
油井水泥属水硬性胶凝材料，其固有的水化特性、使用环境（高温、高压）和施工工艺（高水灰比、高流动性能）决定了其致命的“四高”缺陷（见图1）：高体积收缩、高滤失量、高密度和高脆性。水泥浆体的体积收缩使水泥环的胶结质量不能保证，还可能形成微间隙，引发地层流体（油、水、气）窜流。高脆性的水泥石在强冲击载荷作用下，水泥环会破裂而形成宏观裂纹和界面破坏，造成层间窜流并腐蚀套管。高滤失使得在施工过程中水泥浆发生脱水桥堵和失水收缩，水泥浆滤液进入油气层孔隙后，因其与地层内流体不配伍而造成油气层污染。常规的水泥浆密度通常远大于钻井液密度，对于漏失性地层（低压或裂缝性地层）而言，容易引起诱导性漏失而造成水泥浆低返。
基金项目：国家高新技术计划863项目——油田固井用水泥基多功能复合材料研究（2003AA327120）
图1油井水泥的固有缺陷及引发的固井技术问题
1.1水泥浆体的体积收缩
Sabins[1]将水泥浆体的体积收缩(HVR)分为两部分：塑性体收缩和硬化体收缩。在养护120h后HVR超过5%，其中发生在初凝前的最大塑性收缩量小于0.15%，而硬化体收缩则占HVR的99.85%。HVR的90%以上是在水泥浆的强度达到ASTM终凝值（0.14MPa）之后。水泥浆体体积的减少主要发生在过渡时间结束以后[2]，即水泥浆体的收缩主要发生在终凝以后[3]。水泥浆体的收缩伴随着水泥石孔隙率的增大，对于水泥石的渗透率（抗腐蚀能力）和抗压强度（胶结性能）均有不良的影响。模拟研究表明[4]，水泥环界面存在0.01mm的微间隙就可发生气窜；当微间隙为0.02mm时，在CBL测井中可能出现较大的振幅；微间隙为0.05~0.07mm时，则导致固井质量不合格。上述结果证实了Drecq的观点[5]：“水泥浆体的收缩是造成地层流体窜流的核心，如不设法解决浆体的收缩问题，采取再多的工艺措施也是徒劳的”。
1.2水泥石的脆性
水泥石属于有先天微观缺陷的脆性材料，并存在固有的缺陷：①抗拉强度低，在0.69~1.38MPa之间（为抗压强度的1/7~1/12）；②抗破裂性能差，极限延伸率为0.02%~0.06%；③抗冲击强度低，其断裂功为20~80J/m2（结构钢为5×105J/m2
）；④弹性模量高（2.5~6.6GPa），泊松比小（0.15~0.36）。在射孔作业时，瞬间产生的高温高压聚能射流作用到套管/泥环/岩体/复合体上，可产生高达4×103~2×104MPa的冲击压力，造成冲击开裂，发生“二次窜流”，影响后续采油作业。国内外已有部分实践证实[6~7]：射孔前CBL/VDL/SBT测井固井质量为优质，而射孔后CBL/VDL/SBT测井质量不合格
。吉林油田三井次的CBL/VDL测井结果也证明了射孔对隔层封固质量的破坏。大庆油田统计了722口套损井的990个套损点，其中在射孔井段附近的套损点占56.0%[8]，中原油田的764口套损井，有258口井在射孔段，占61.4%[9]。
1.3水泥浆的滤失量
控制水泥浆滤失量的主要目的是维护水泥浆浆体性能的稳定，以确保固井施工安全，其滤失量控制在250mL左右即可。从保护油气层和防窜角度考虑，滤失量控制在150mL（或100mL）以内即可[10]。固井过程中使用降滤失剂是必需的，但过度夸大失水量对产能的影响是不科学的，且失水量控制过低（≤50mL）既增加固井材料成本又会对水泥浆产生一定的副作用（如缓凝、抗压强度降低等）。因此，科学合理地控制水泥浆的滤失量，将有助于节约固井成本和提高固井质量。
2固井技术难点分析
水泥基材料固有的缺陷和地层条件的多变性，构成了长期影响固井质量的主要技术难点：①二界面问题；②水泥环的脆裂问题；③易漏地层的水泥浆低返问题。
2.1二界面质量
地层/滤饼/水泥环三种不同组成的材料构成了二界面封固系统。系统涉及地层特性（隔层、渗透层、硬地层、软地层、裂缝性地层等）、井下压力系统（高压层、欠压层）、滤饼特性（虚泥饼、实泥饼或无泥饼）和水泥浆/石特性（密度、滤失量、体积收缩、渗透率等）等，其中滤饼的性质和水泥浆体的胀缩特性是需要首先解决的关键问题。
调整完井液的性能，减少井壁泥饼是保证固井质量的基本条件。由于泥饼与水泥浆之间根本不胶结，使用低劣钻井液想取得良好固井质量的机会几乎为零。已有研究表明[11]：在井壁存在2mm厚的滤饼，当其收缩率为5%时就会产生0.1mm的微间隙，其渗透率可高达0.1~1.4μm2，足以引发环空窜流。壁面剪应力（WSS）固井技术的核心就是清除井壁虚泥饼，当水泥浆的WSS达到15Pa时，CBL/VDL/SBT胶结测井质量合格；当WSS达到30Pa时，可以保证CBL/VDL/SBT三项胶结测井质量优质[12]。
使用晶体膨胀材料（最好是双膨胀，即同时具有塑性体膨胀和硬化体膨胀）是提高二界面胶结质量的前提条件。在井下环空内，晶体膨胀材料产生的膨胀压（膨胀方向）主要作用于滤饼/地层系统，而不是套管/水泥环系统[13]，故在硬地层（非渗透）和薄滤饼（或无滤饼）的环境中，只要水泥浆体不发生体积收缩即可胶结良好；但在软地层（渗透性地层）和存在厚滤饼的条件下，水泥浆体必须具有足够的膨胀量（增大膨胀剂掺量）方可获得优质的胶结性能。因此，水泥浆硬化后能否产生有效的体积膨胀（特别是在高压条件下）是选择优质水泥膨胀剂的主要性能指标。在中低温（30~90℃）条件下，受水化反应速度的限制，晶体类膨胀材料的最大膨胀量出现在固井后的3~21d，在现行的固井质量测井时间内（1~3d）无法体现其最佳性能；在高温条件（>90℃）下晶体反应速度加快，膨胀效果明显。可见，膨胀材料对水泥环界面的长期密封效果是毋庸质疑的，最终受益者将是甲方（油公司）。
2.2水泥环的韧性
水泥石的韧性和弹性有所不同：水泥石的弹性是指在应力作用下的变形能力，一般以弹性模量的变化作为其考核指标；而韧性则反映水泥石抵抗在某一方向上产生裂纹和阻止裂纹扩张的能力，通常以水泥石的抗冲击性能作为考核指标。水泥石的弹性好并非一定韧性就好，但若其韧性好，弹性也不会差。
水泥石的韧性是保证井下水泥环长期封隔效果的主要性能参数，在短期固井质量（24~72h胶结测井）评价中难以体现其特性。受行业管理体制、固井材料定额和CBL/VDL测井方法的限制，这一重要性能指标常被忽视，而过分强调水泥石的抗压强度指标。水泥石的抗压强度高，其脆性增大，水泥环缺乏足够的弹性，在井下高压应力反复作用下易脆裂。这一问题在定向井和水平井的弯曲部分井段更为突出；在小间隙、薄隔层和软地层固井中，水泥环也易受外力（射孔或后续增产措施）破裂而窜槽。
实际上，胶结质量不受抗压强度的影响，中等抗压强度（13.7~20.6MPa）的水泥石就能提供足够的环空密封[14]，体积收缩小、韧性好的水泥石有助于更好的界面胶结[11]。对此甲方（油公司）应给予足够的重视和提出明确的技术要求，并增加相应的投入。
2.3漏失井水泥浆低返
水泥浆漏失低返是国内外油田普遍存在且尚未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。由于在漏失性地层固井时既要求防止水泥浆低返，同时全井封固质量也必须得到保证，因而使得固井难度增大，固井合格率不高而优质率则更低。
地层特性（裂缝发育、承压能力低、压力窗口小）和简化钻井设计（井身结构简单、裸眼井段长）是造成固井低返的主要原因。常规密度水泥浆产生的高压差、不恰当的顶替排量和水泥浆防漏材料的缺乏，使得漏失低返问题更为严峻。低密度水泥浆只能有限程度地降低水泥浆的液柱压力和顶替压力，但其自身不具备堵漏性能。此外，低密度水泥浆的高体积收缩（-6%~-14%）、高脆性和低抗压强度是限制其广泛应用的主要障碍。
影响易漏地层固井质量的因素非常复杂，包括漏层特性（裂缝尺度、漏层位置和数量）、钻井液和完井液的性能、施工工艺和水泥浆体系的性能等，其中水泥浆防漏材料的选择和施工工艺是技术关键，必须加以重视并进行深入的研究。
3固井新材料及应用
国内外固井新材料的研究和应用一直围绕着三个方面展开工作：①改善或克服油井水泥固有缺陷的新材料，如多膨胀源晶体膨胀材料和各种增韧材料；②针对现场实际问题的特种材料，如防漏材料和抗高温水硬性胶凝材料；③环境友好型固井材料，如工业废料的综合利用和环境可降解的化学外加剂等。
3.1膨胀材料
依据膨胀源和作用机理的不同，常用的油井水泥膨胀材料可分为两大类：①晶体膨胀材料，主要依靠膨胀源晶体材料重结晶或晶形时转变产生的结晶膨胀压，将化学能转变为机械力对外做功，其膨胀特性不受压力和温度（但钙矾石类膨胀源受温度制约）的影响。②发气材料，依靠碱活性金属粉末与水泥浆体中碱溶液反应产生气体，其膨胀源为可压缩气体，靠物理作用产生膨胀，在高压条件下不膨胀，且硬化后水泥石仍然收缩[15]。理想的膨胀材料应该具备的性质是：膨胀源晶体的反应速度和水泥浆体结构的形成速度同步，在塑性状态后期和硬化状态初期膨胀，只有这样才既能产生足够的塑性体膨胀又有一定的硬化体膨胀。两类膨胀材料的特性见表1。
表1膨胀材料特点及使用条件
类型 膨胀源 特点 使用条件 晶体 钙矾石 掺量大（5%~10%）；不受压力影响；单一膨胀（塑性体或硬化体）；膨胀量小且不稳定 适用于高C3A含量的水泥（如A级）；最佳使用温度50℃左右；高湿度环境 不同反应活性晶体 掺量小（3%~5%）；不受压力影响；双膨胀（塑性体+硬化体）；膨胀量大 无任何限制条件 发气 氢气 增加孔隙压力；仅塑性体膨胀 低压、浅井；发气时间受温度控制；掺量少混拌要求高
江苏海特曼新材料有限公司生产的F17A油井水泥膨胀剂（为晶体材料）具备双膨胀性能，已经在大庆、江苏、二连、吉林、大港、青海、新疆和玉门等油田的调整井、水平井和高压气井等200多口复杂井固井中应用，防窜效果良好，固井质量明显提高。
3.2增韧材料
改善水泥石的韧性是近两年来国内外固井材料领域研究的热点。使用纤维材料是提高水泥石韧性的有效途径。纤维增韧的作用机理在于：（1）纤维具有较高的抗拉强度；（2）纤维/水泥石体系具有较好的配伍性和较高的粘附性，能够形成高强度的水泥石；（3）纤维对水泥石结构缺陷中的裂纹尖端应力场形成屏蔽，从而提高水泥石的断裂韧性和抗冲击性能。
纤维材料可同时提高水泥石的韧性和弹性。在产生破裂前，常规水泥环只能承受2~10个应力循环周期，而纤维水泥体系可承受几万个应力循环周期。纤维增韧水泥抑制裂缝发生的能力比常规水泥增加90%~100%，水泥石的渗透性降低33%~44%，变形能力增加10%，且抗冲击功也显著提高。其他材料（如胶乳、橡胶粉等）虽能降低水泥石的弹性模量（伴随抗压强度的大幅度降低），但只能改善水泥石的弹性而不能提高其韧性[7]，相关材料的性能比较见表2。
表2增韧材料特点及存在问题
材料类型 作用特点 存在问题 纤维 掺量小（0.5%~2%）；增加韧性、提高弹性和抗压强度；改善水泥环与地层的胶结；兼有防漏功能 混拌要求高（需吹混4~6次）；施工设备要求高（需要气垫式灰罐车） 胶乳 降低弹性模量、提高弹性；兼有降滤失作用；有利于水泥环胶结 掺量大（8%~15%）；价格昂贵；抗压强度损失大；不能改善抗冲击性能 橡胶粉 降低弹性模量、改善弹性；价格低廉 掺量大（10%~20%）；胶结性能差；不易混拌均匀（和水泥密度差过大） 南京工业大学新开发的F27A油井水泥防漏增韧剂由不同尺度的混杂纤维组成，在其推荐掺量（2.0%）下，具有增韧、增强、提高弹性和防漏等多种功能，可使水泥石的抗折强度比净浆水泥石提高25%左右，抗冲击功提高45%，静态弹性模量降低50%，达到了一剂多效的目的。该产品已经在大庆、江苏、吉林、大港、青海和中原等油田的100多口调整井、小间隙井和天然气井（如吉林油田的坨深6井、青海油田的涩北气田）中成功应用，固井质量明显提高，目前正进行长期固井质量的跟踪考核。
3.3防漏材料
国内外用于漏失性地层固井的防漏水泥浆体系主要有三类：①低密度体系（使用硅藻土、膨润土、泡沫及粉煤灰等材料）；②触变水泥体系（交联聚合物材料）；③专用防漏水泥浆体系（由不同尺度、不同弹性模量的纤维群构成）。不同材料构成的防漏水泥浆体系的特性见表3。纤维防漏材料作用在于：①在水泥浆泵送过程中有利于清洁井眼和提高环空流动壁面剪应力
；②在水泥浆被顶替过程中，不同尺度的纤维材料能够进入漏失性地层不同尺寸的裂缝并搭桥成网，达到堵漏的目的；③随水泥浆体进入地层深部和浆体稠度的增加，提高漏失性地层的承压能力。
表3防漏材料特点及存在问题
材料类型 作用及特点 存在问题 触变材料 自身具有堵漏作用、堵漏效果好，兼有防窜作用 水泥浆本身具有堵漏作用，施工风险大，对作业设备要求高，费用昂贵 低密度材料 掺量大（5~35%），可有效降低水泥浆液柱压力和顶替压力，施工风险小 不具备堵漏作用，难干混均匀，水泥浆体积收缩大，抗压强度低，脆性大且渗透率高 纤维材料 具有堵漏功能、清洁井眼和提高环空壁面剪切力；兼有增韧和增强作用 混拌和施工设备要求高
国外使用单一种类的纤维材料，并采用“后批混”混合工艺[16]，即先配好水泥浆，然后将纤维材料加入到水泥浆中混合搅拌，再泵入井内。中东的Radhuma油田系裂缝性灰岩地层，采用乳化或泡沫钻井液钻井。固井低返严重，曾先后采用多级注水泥工艺、常规低密度水泥浆（1.28g/cm3）、高性能低密度水泥浆体系（密度1.14g/cm3）及100%水泥附加量固井，并使用水玻璃前置液，但水泥浆仍不能达到设计返高。在SY-36井（钻井液漏速15~24m3/h）的固井施工中，以1.28g/cm3的高性能低密度水泥浆为基浆，以“后批混”工艺加入长度为12mm的特种纤维材料，固井施工圆满成功。该体系在中东和美国的5口漏失井和易漏煤层气井中应用，水泥返高和固井质量均满足施工设计要求。
国内新开发的F27A防漏增韧剂系不同尺度的混杂纤维材料，采用干混方式混灰，简化了固井施工工艺。该产品已在国内严重漏失性地层（吉林油田的海坨子和大情字区块、青海气田的涩北区块、江苏油田的沙7区块）固井作业和延长油矿及长庆油田的严重漏失井打水泥塞施工中应用100多口井，防漏和堵漏效果优异，基本解决了易漏或严重漏失性地层的固井技术难题。
例如，海坨子易漏区块的海32井使用低密度水泥浆（1.50g/cm3）体系技套固井（封固段长510m），实测水泥浆低返434m且声幅值偏高（50~60%），固井质量不合格。海32井油套固井时，改用较高密度的F27A防漏水泥浆体系（1.60g/cm3），在顶替过程中发生两次明显的漏失，但均在1min后自行恢复正常，72h声变测井质量为优质。
4固井质量目标控制
固井质量的评价结果与诸多因素相关，包括地层特性、钻井液性能、井眼条件、水泥浆体系、固井工艺措施、施工设备状况、测井方法（CBL、VDL、SBT或其它方法）、测井时间（候凝时间、延时测井）和层间封隔标准等，主要取决于开发方案对油气井生产寿命的设计要求和固井费用的定额。因此，不同油田的固井质量在很大程度上不具备可比性。
4.1质量目标
根据开发方案的设计要求、资金的投入程度和所选用的固井材料，固井质量目标可分为短期目标（基本要求）和长期目标（高层次要求），固井质量的考核标准也相应的不同。
固井质量的短期目标强调施工作业的安全性和满足短期（24~72h）测井质量的考核要求，国内油田对短期质量目标的控制和考核严格且规范，而对井下水泥环的长期层间封隔效果重视不够。固井作业围绕“压稳、居中、替净、密封”的原则，在优化水泥浆体系主要性能（抗压强度、滤失量、稠化时间、自由水、流变性和体积胀缩变化等）的基础上组织施工和考核。
固井质量的长期目标则强调在油气井的整个开发过程中，井下水泥环具备长期（10~20年）有效的层间封隔能力。性能要求涉及水泥石的化学稳定性（如抗地层腐蚀性介质的侵蚀）、热稳定性（如地层温度的变化、热采等）、力学稳定性（如抗射孔破碎、增产措施的压力变化等）和耐久性（经受如注水开发、EOR措施、修井作业等），是甲方（油公司）对固井质量提出的更高层次的要求，看重投资的整体回报和长期经济效益的提高。
4.2质量考核
国内油田对固井质量的考核主要以短期质量目标为主，对长期质量目标重视程度和投入不够。监督和考核方式存在重结果（对短期目标有利）控制轻过程（对长期目标有利）控制的弊端，造成的后果是显而易见的：短期固井质量过关，但投产后固井质量很快恶化；虽然油气井的固井成本降低，但长期维护费用显著增加。国外油田对固井质量的管理考核方式值得借鉴：以严格过程控制和监督（水泥及外加剂质量、水泥浆体系设计、工艺措施、施工环节、作业设备、操作规范）为主，短期结果考核为辅（在同一区块相水泥浆体系的前几口井进行严格的质量评价，然后抽查固井质量，而不是每口井都测井），固井设计和资金投入更注重固井质量的长期目标考核。
固井作业是一项多因素相互干扰的系统工程，其质量评价受诸多条件的影响。对固井新材料或特种水泥浆体系的考核应注重其特定功能的检验（如防漏材料的堵漏性能，降滤失剂的控制失水能力），考察其解决相关技术问题的能力，而不应简单地与测井结果挂钩。
5未来固井材料的技术需求及研究目标
国内裂缝性储层的油气储量约占总储量的50%[18]，易漏地层的钻井和固井数量还会增加，对固井防漏堵漏材料的需求将会增加；小井眼、侧钻井、分支井和多底井钻井数量逐年增多，对水泥增韧材料的需求将会增大；高压气井、深井和调整井数量持续增加，对油井水泥晶体类膨胀材料的需求旺盛；国内未动用石油储量35亿吨，其中70%为低压低渗油气藏，开发过程将对高性能低密度固井材料有较大需求；随着含腐蚀性介质(如CO2)和稠油油藏开发力度的加大，对抗温耐腐蚀固井材料的需求增加。因此，固井材料的研发重点应紧密围绕国内油气田开发和海外固井市场的需要以及固井质量的长期控制目标开展工作，相应的经费投入也应向上述几个研究方向倾斜。
固井施工是一项复杂的系统工程，其中固井材料（水泥外加剂和外掺料）起着至关重要的作用，必须给予足够的重视和投入。固井新材料的研发既需要大量而扎实的室内研究，也不能缺少严格的施工监督和详细的质量跟踪。笔者建议应设立固井材料技术研究中心，联合固井工程界和材料化学界的研究人员，承担固井新材料的重大研究项目、制定相关的技术标准、进行固井材料的质量仲裁和新材料应用效果的跟踪，以满足国内三大国有石油集团公司（中石油、中石化和中海油）在油气田长期开发过程中对固井新技术和新材料的迫切需求。
参考文献:
1Sabins,F.L.,&Sutton,D.L.Interrelationshipbetweencriticalcementpropertiesandvolumechangesduringcementsetting.SPEDrillingEngineering,June1991
2Sykes,R.L.andLogan,J.L.,Newtechniqueforcontrolgasmigration.SPE16653,1988
3Setter,N.&Roy,D.M.Mechanicalfeaturesofchemicalshrinkageofcementpaste.CCR.1978;8(4)
4Drecq,P.&Parcevaux,P.A.,Asingletechniquesolvesgasmigrationproblemsacrossawiderangecondition.SPE17629,1988
5Bonnet,A.&Patifis,D.Gettingtotherootofgasmigration.OilfieldReview,1996
6王祥林,黄义春等.固井工程中的抗窜研究.石油学报.1999;20（4）
7Morris,W.,Criado,A.etal.Designofhightoughnesscementforeffectivelonglastingwellisolations.SPE81001,2003
8姚洪田,王伟等.套管损坏原因与修井效果.大庆石油地质开发.2001;20（1）
9刘谦谓,刘长松等.中原油田油水井套管损坏机理分析及防治技术.断块油气藏.1998;5（5）
10刘崇建,谢应权等.水泥浆凝结过程中的气窜问题.西南石油学院学报.1998;20(4)
11焦勇.水泥气侵的根源及现行解决方法的评析.钻采工艺.2000;23（3）
12郑毅,刘爱平.环空流动壁面剪应力对固井质量的影响.探矿工程.2003;（3）
13Roy-Delage,S.,Thiercelin,M.etal.Newcementsystemsfordurablezonalisolation.IADC/SPE59132,2000
14黄柏宗,吕光明.单井固井科技发展应建立的十个新观念.钻井液与完井液.1998;15(3)
15肖瑞华.油井水泥及外加剂质量检测.石油工业出版社.北京.1997
16LowN&DacoordGetal.Designingfiberedcementslurriesforlostcirculationapplications:casehistories.SPE84617,2003
17姚晓,吴叶成等.F27A油井水泥防漏增韧剂的应用.210009)江苏省南京市新模范马路5号南京工业大学材料科学与工程学院。电话：(025)83364556。E-mail:htm@njut.edu.cn
1
桥堵、污染油气层
抗冲击性能差
水泥浆漏失、低返
界面胶结质量差
维护费用增大
油气资源散失
>120万t/年
高密度
水泥基材料固有特性
高滤失
高收缩
高脆性
油气井寿命缩短
固井质量差
油气水窜流
|
|
