G502膨胀剂在完井固井水泥浆中的应用

【摘 要】 G502膨胀剂是一种含金属铝的膨胀材料，通过加入到完井固井水泥浆中，在井下温度压力条件下，发生化学反应，形成附加压力，弥补水泥浆因自身特性影响和高温高密度环境因素发生发生失重现象失重造成的压力降低，通过中原文88高压区块多口井现场应用，取得良好效果，控制油气水窜流，保证固井质量。

【关键词】 水泥浆失重 G502膨胀剂 完井固井作业 文88高压 固井质量

中原文88区块是东濮凹陷中央隆起带文留构造南部区块，属于高压油气区，完钻密度1.80-1.83g/cm3范围内，钻井过程中同一裸眼存在“高-低-高”、“低-高-低”多套多级别压力系统并存的复杂压力系统，喷、漏等复杂情况突出，完井固井作业过程中，水泥浆受自身特性影响和高温高密度环境因素影响，在作业全过程中会发生失重现象，高压地层失重现象尤为突出，导致液柱压力下降，引起产层的油气水窜流，直接影响固井质量。

G502膨胀剂是一种含金属铝的膨胀材料，在完井固井作业中，通过加入到水泥浆中，在井下温度压力条件下，发生化学反应，形成附加压力，弥补水泥浆失重造成的压力降低，控制油气水窜流，保证固井质量。通过中原文88高压区块多口井现场应用，取得良好效果，固井质量优质率达83%，固井质量合格率达100%。

1 油气水窜流分析

水泥浆在凝结过程中，内部结构力不断增强，与井壁和套管的胶凝强度不断增加，水泥环重量逐步悬挂在套管和井壁上，导致对地层的压力降低；由于水化作用，水泥浆在凝结过程中，水泥石基体内部收缩形成微间隙，外观体积也产生一定的收缩，降低了对孔隙压力的控制作用，一般水泥初凝时的收缩率为0.1%-0.5%，终凝时却大于2%；水泥浆内自由水的分离，降低了对地层的压力，在斜井中尤为明显；水泥浆失水量一般较大，水泥浆自由水向地层渗滤，在环空中产生桥堵，妨碍了浆柱对桥堵以下井段的压力传递，使桥堵以下浆柱压力降低。上述这些因素，导致水泥浆固井时易发生油气水窜流，影响最终固井质量。

2 G502膨胀剂

在水泥浆中加入膨胀剂使水泥浆在凝固过程中发生膨胀，从而提高水泥浆柱对气层的压力，这是解决油气水窜流问题的有效方法之一。

2.1 膨胀剂控制油气水窜流的机理

膨胀剂中的铝粉在缓蚀剂、掩蔽剂作用下使铝粉表面形成了一层致密的保护膜。通过保护膜在水泥浆碱性介质中的溶解速度来控制初始发气时间和持续发气时间。金属铝的化学性质很活泼，与酸、碱作用产生氢气。水泥浆pH值一般在l2左右，属强碱性，在井下高温和高压条件下，发生的化学反应加速，产生的氢气将均匀地分布在水泥浆中，并借助浆柱的部分重量、孔隙压力或桥塞对地层产生附加压力，弥补水泥浆失重造成的压力降低，达到控制地下流体窜流的目的。

铝粉在水泥浆中的化学反应式：

2AL+Ca（OH）2+2H2OCa（ALO2）2+3H2

膨胀材料的膨胀驱动力来源于反应体系自由能的降低，是膨胀材料水化产物的肿胀力和结晶压力的综合作用，即将化学能转变为机械能。水泥浆体的膨胀起因于膨胀剂水化产物晶体在局部区域内的生成和生长。水泥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）。

2.2 含膨胀剂的水泥浆性能指标

（1）水泥浆制备：膨胀剂试样按要求的加量，可先加到蒸馏水中，均匀后与水泥混合制备，也可与水泥干混均匀后，与蒸馏水混合。

（2）初始稠化：Be≤30。

（3）稠化时间：大于原浆。

（4）水泥浆硬化体膨胀率变化量≥0.02%。

（5）水泥石抗压强度（77°20.7MPa，24h）≥14MPa。

3 现场应用案例

文88-58井是部署在东濮凹陷中央隆起带文留构造南部开发文88块沙三中油藏的一口开发井，完钻井深3840m。井身结构如下，φ339.7mm表层×352.17m+φ244.5mm技套×2939.9m+ φ215.9mm×3840m。主要油气层段2969-3791m，完钻密度为 1.88g/cm3。油气上窜速度47.7m/h。固井主要目的层段（2800-3840m）采用高气阻微膨胀短过渡短稠化水泥浆，密度1.99g/cm3，稠化时间80min。该体系保持了非渗透体系的高气阻（18—22KPa）的基本特性，又增加了微膨胀功能，显著增加了抗压强度，具有防止地层流体从固井水泥浆基体和微环空间隙窜流的双作用防窜功能。其水泥浆配方：嘉华d级水泥+膨胀剂G502×0.3%+分散剂USZ×0.4%+非渗透添加剂M89L×5.0%+M53S×1.0%+稳定剂×1.0%+促凝剂CaCl2×1.5%。压稳措施上辅以环空加回压10.0MPa。封固质量优质。

4 几点认识

（1）G502膨胀剂基本性能是控制膨胀水泥浆的关键，也是提高水泥浆液柱压力的根本所在。

（2）G502膨胀剂须和其他外加剂配伍性能良好，才能优化水泥浆配方，提高固井质量。

（3）中原文88高压油气区块井采用的高气阻微膨胀水泥浆体系对于井深4000米左右、井温100℃左右的中深井型较适用，应用油气井水泥膨胀剂能很好地控制油气层窜流，可以明显地提高高压油气层的固井质量。