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新型固井用防水窜材料的研究与性能评价

文档作者：卢海川1 赵岳1 宋伟宾1 高继超1 胡中华2 霍明江1 文档来源： 1. 中国石油集团海洋工程有限公司渤星公司 2. 西部钻探青海钻井公司		点击数：	更新时间： 2024年02月26日
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第34 卷 第4 期
2017 年7 月
Vol. 34 No. 4
July 2017
钻 井 液 与 完 井 液
DRILLING FLUID &amp;amp; COMPLETION FLUID
doi: 10.3969/j.issn.1001-5620.2017.04.0014
新型固井用防水窜材料的研究与性能评价
卢海川1， 赵岳1， 宋伟宾1， 高继超1， 胡中华2， 霍明江1
（1. 中国石油集团海洋工程有限公司渤星公司，天津 300451 ；2. 西部钻探青海钻井公司，青海海西 816400）
卢海川，赵岳，宋伟宾，等.新型固井用防水窜材料的研究与性能评价[J]. 钻井液与完井液，2017，34（4）：75-79，
84.
LU Haichuan，ZHAO Yue，SONG Weibin，et al.Study and evaluation of a new anti-water channeling material for well
cementing[J].Drilling Fluid &amp;amp; Completion Fluid，2017，34（4）：75-79，84.
摘要 固井水窜问题是各油田普遍存在的技术难题，目前缺乏有效的解决办法。针对以上问题，从水泥浆体系出发，
首先进行了防水窜材料的结构设计，然后根据结构设计，筛选出相应的防水窜原材料，并通过对其合理的复配研究，制备
出了一种新型固井用防水窜材料。实验根据固井不同阶段的水窜机理，采用相应的方式对该材料的防水窜效果进行了评价，
结果显示开发的防水窜材料可增加水泥浆内部结构，缩短静胶凝过渡时间，避免水泥石收缩，从而避免水泥浆在不同阶段
发生水窜。另外，综合评价结果表明，新型固井防水窜材料可缩短稠化时间、增加水泥石强度，改善水泥浆稳定性，且对
水泥浆稠化、流变、失水等性能无不良影响，综合性能良好。
关键词 固井；水窜；水泥浆；防水窜材料；防水窜评价；综合性能
中图分类号：TE256.6 文献标识码：A 文章编号：1001-5620（2017）04-0075-05
Study and Evaluation of a New Anti-Water Channeling Material for Well Cementing
LU Haichuan1, ZHAO Yue1, SONG Weibin1, GAO Jichao1, HU Zhonghua2, HUO Mingjiang1
(1. Boxing Division of CNPC Offshore Engineering Company Limited, Tianjin 300451;
2. Qinghai Drilling Division of CNPC Xibu Drilling Engineering Company Limited, Haixi, Qinghai 816400)
Abstract Water channeling in well cementing has been a difficult technical problem remained unsolved in petroleum industry till now.
In a study on anti-water channeling cement slurry, structural design of anti-water channeling additives were done, and based on the
design, several anti-water channeling raw materials were selected and mixed in a certain ratio to form a new compounded anti-water
channeling additive. According to the water-channeling mechanisms in different stages of well cementing, the effect of the anti-water
channeling additive was evaluated with different evaluation methods. The evaluation results showed that the anti-water channeling
additive developed is able to strengthen the interior structure of cement slurry, shorten the transit time of static gel, avoid contracting
of set cement, thereby avoiding water-channeling of cement slurry at different cementing stages. The evaluation also demonstrated
that the new anti-water channeling additive is able to shorten thickening time of cement slurry, increase compressive strength of set
cement, and improve the stability of cement slurry; it has no bad effect on the thickening time, rheology and filter loss of cement slurry,
exhibiting good overall properties.
Key words Well cementing; Water channeling; Cement slurry; Anti-water channeling material; Evaluation of anti-water channeling
performance; Overall properties
中国大部分陆上油田均已进入高含水开发后
期，即使新开发的油藏大多也采用早期注水开发方
式保持地层产能，这就使固井作业面临水窜的问题。
目前油气井尤其是调整井固井的水窜问题是各油田
尚未很好解决的技术难题，严重地制约了油田开发
战略的实施和油气采收率的提高[1-2]。固井防窜材
料的研究多集中在防气窜材料的研究[3-4]，缺乏专
门的防水窜材料，而水窜与气窜是不同的，水窜入
第一作者简介：卢海川，毕业于天津大学材料学专业获硕士学位，主要从事固井材料和水泥浆体系的研究。电话（ 022）
66310332 ；E-mail ：luhc@cnpc.com.cn。
万方数据
76 钻 井 液 与 完 井 液 2017 年 7 月
水泥浆后，会直接影响水泥浆的凝固过程，而气窜
则不会，因此采用防气窜的一些材料来防止水窜应
用效果往往不够理想[1-5]。中国虽有一些防水窜体
系[6-10]，但多采用速凝早强、膨胀、低失水、抗渗
等常规外加剂简单复配的方式，这就常会导致浆体
的基本性能难以调节、防窜性能不够全面等问题，
且研究多集中在如何使水泥浆快速凝固，而对于水
泥浆没有开始凝固前的阶段研究很少，这就可能会
增加水侵的可能性，从而不能起到很好的防水窜效
果。针对以上问题，从水窜机理出发，开发出了一
种综合性能良好的新型固井用防水窜材料[11-14]。
1 新型防水窜材料的开发
1.1 新型防水窜材料的要求
固井水窜可能发生在水泥浆凝固的不同阶段，
根据对水窜机理的分析，分别从水泥浆凝固前、凝
固中以及凝固后3 个不同阶段提出了防水窜材料应
具备的性能。①避免水泥浆凝固前的水窜，选用可
在水泥浆内部形成立体空间网络结构，且可改善水
泥浆表面张力的物质，增加水泥浆内聚力，增强水
侵阻力，减少水对水泥浆的影响。②避免凝固过程
中的水窜，选用可明显缩短水泥浆静胶凝过渡时间
的物质，从而避免因失重造成的水窜。③避免由于
收缩而导致的水窜，选用可同时产生塑性膨胀和硬
化体膨胀的材料。④避免由于水泥石渗透率过大导
致的水窜，所选材料可在一定程度上改善渗透率。
⑤避免防水窜材料影响其他性能，所选材料应对水
泥浆其他性能无不良影响或具有改善作用。
1.2 新型防水窜材料的复配研究
通过大量合成、筛选，最后得到3 种性能优良
的原材料X、Y、Z。其中，X 为具有微膨胀作用
的超细粉体材料，Y 为可改善表面性质的合成乙烯
类共聚物，其具有两亲性，Z 为具有一定促凝作用
的无机材料。以上述3 种材料为原材料，结合各自
性能，分别从静切力、静胶凝过渡时间、膨胀率3
个方面出发进行了复配研究，考察了不同配比下水
泥浆的性能，结果见表1。由表1 可知，随着材料
X 所占比例的降低与材料Y 所占比例的升高，水
泥浆的静切力先增加后逐渐降低，静胶凝过渡时间
先变短后变长但整体变化不大，24 h 水泥石膨胀率
逐渐降低；随着材料Z 的增加，水泥浆静胶凝过
渡时间呈现较明显的缩短，当增加到一定程度后基
本保持不变。以上数据表明，材料X 与Y 之间存
在协同作用，可形成一定的内部空间结构，提高水
泥浆静切力，从而增加水泥浆内部结构强度。水泥
石膨胀率则主要受材料X 影响，材料Z 与X、Y
协同作用共同影响静胶凝过渡时间。综合以上因素，
结合成本问题，选择mx∶my∶mz 之间的最佳比例
为7∶2∶1，并将其代号定为W-1 ；以W-1 为主剂
形成的水泥浆具有较强的内部结构，较短的胶凝过
渡时间以及较高的膨胀率，有利于避免不同阶段水
窜的发生。水泥浆基本配方如下。
胜潍G 级油井水泥+3.0%BXF-200L（AF）+
4.0% 防水窜材料+43% 水
表1 防水窜材料不同配比下水泥浆的性能
mx∶my∶mz
G10 min（70℃）/
Pa
静胶凝过渡时
间（30 ℃）/min
24 h 膨胀率
（70 ℃）/%
8∶1∶1 43.0 34 0.030
7∶2∶1 50.3 26 0.027
6∶3∶1 60.1 28 0.023
5∶4∶1 50.1 28 0.017
4∶5∶1 38.6 30 0.015
3∶6∶1 20.6 34 0.010
7∶2.5∶0.5 56.3 37 0.026
7∶1.5∶1.5 46.1 26 0.027
7∶1.8∶1.2 47.3 25 0.026
不加复合材料3.1 43 -0.003
2 新型防水窜材料性能评价
为了较好地防止固井水窜，水泥浆凝固前应具
有较强的内部结构，可避免水对其的侵蚀与“溶解
迁移”。按照GB/T 19139—2012 规定的胶凝强度测
试方法，对加入W-1 的水泥浆凝固前形成内部结
构的强弱进行评价，并采用室内简易的模拟装置，
考察了水对水泥浆的“溶解迁移”情况。不同温度
下水泥浆的胶凝强度见表2。
2.1 防水窜性能
2.1.1 凝固前的防水窜性能
实验用水泥浆配方如下。
胜潍G 级油井水泥+4.0%BXF-200L（AF）+
W-1+43% 水
万方数据
卢海川第 34 卷 第 4 期 等：新型固井用防水窜材料的研究与性能评价 77
模拟装置主要由U 型管和橡皮管组成，实验
时在橡皮管中注入水泥浆，模拟套管与地层注入的
水泥浆，为了模拟水泥浆与地层水的接触，在内部
橡皮管壁上开一些小孔；U 型管与橡皮管环空模拟
含水地层，且可使水循环实现水的流动，从而模拟
水对水泥浆的“溶解迁移”等过程。实验时，开启
循环水，观察不同时间水对水泥浆的“溶解迁移”
情况，结果见图1。
表2 不同温度下水泥浆的胶凝强度
W-1/
%
30 ℃胶凝强度/Pa50 ℃胶凝强度/Pa90 ℃胶凝强度/Pa
10 s 10 min 10 s 10 min 10 s 10 min
0 1.5 8.3 1.3 6.5 0.9 3.0
2.5 4.0 35.3 4.3 34.6 3.5 31.3
3.5 6.5 50.1 6.8 47.3 5.6 43.1
不加W-1 水刚开始循环 3.5%W-1 水刚开始循环
不加W-1 水循环30 min 3.5%W-1 水循环30 min
图1　不同含量W-1 在不同循环时间下的状态
由表2 可知，加入防水窜材料W-1 后，水泥
浆的胶凝强度明显变大，随着加量增加，水泥浆在
不同温度下的胶凝强度也明显提高，且在一定范围
内温度对水泥浆的胶凝强度影响不大。这说明防水
窜材料可提高不同温度下水泥浆的内部结构。由图
1 可知，不加防水窜材料的水泥浆在刚开始就被水
大量带走，30 min 后，小孔周围水泥浆几乎被全
部带走，而加入防水窜材料的水泥浆几乎不受循环
水的影响，在水流冲刷30 min 后软管中水泥浆几
乎还保持原来状态，进一步证明水泥浆具有较强的
内聚力和抗水侵的能力，避免了水对水泥浆的影响。
2.1.2 凝固中的防水窜性能
采用美国千德乐静胶凝强度测试仪和水泥气液
窜模拟分析仪，对水泥浆凝固过程中的防水窜性能
进行了评价，考察了水泥浆在40 ℃和70 ℃下的静
胶凝过渡时间和70 ℃下防水窜模拟情况，结果见
表3、图2、图3 和图4。
表3 不同温度下水泥浆静胶凝过渡时间对比
W-1/
%
静胶凝过渡时间/min W-1/
%
静胶凝过渡时间/min
40 ℃ 70 ℃ 40 ℃ 70 ℃
0.0 21 18 3.5 13 10
a）不加W-1
b）加入3.5%W-1
注：1 lb/100 ft2=0.48 Pa。
图2　40 ℃下水泥浆静胶凝强度发展曲线
注：1 lb/100 ft2=0.48 Pa。
图3　40 ℃下加入3.5%W-1 水泥浆静胶凝强度的发展曲线
万方数据
78 钻 井 液 与 完 井 液 2017 年 7 月
由此可知，加入防水窜材料W-1 后，水泥浆
静胶凝过渡时间明显缩短，这就可减少水泥浆凝固
过程中因失重发生水窜的几率。另外，防水窜模拟
实验也进一步证明了，加有防水窜材料W-1 的水
泥浆体系可避免水泥浆凝固过程中水窜的发生。
注：1 in=2.54 cm。
图4　70 ℃下加入3.0%W-1 水泥浆的防水窜模拟曲线
2.1.3 凝固后的防水窜性能
按照JC/T 313—2009 对W-1 不同加量下的水
泥石膨胀率进行了测试，采用低渗/ 特低渗储层伤
害模拟评价系统，对水泥石的渗透率进行了测试，
养护条件为70 ℃、48 h，测试流体为自来水，结
果见表4 和表5。由此可知，加有W-1 的水泥石养
护不同时间后都表现出一定的膨胀，避免了水泥浆
凝固后造成的收缩，且随着防水窜材料的增加，水
泥石的渗透率逐渐变小，这就为水泥石凝固后防止
水窜的发生提供了保障。
表4 不同养护龄期水泥石膨胀率测试（70 ℃）
W-1/
%
不同养护龄期水泥石的膨胀率/%
1 d 2 d 10 d 30 d
3.0 0.020 0.026 0.035 0.040
4.0 0.027 0.034 0.046 0.050
表5 水泥石渗透率测试结果（70 ℃、48 h）
W-1/% 0 3.0 4.0
液测渗透率/mD 3.1×10-4 2.7×10-4 2.5×10-4
2.2 稠化性能
考察了W-1 对水泥浆稠化性能的影响，结果
见表6。由表6 可知，随着防水窜材料加量的增加，
水泥浆稠化时间明显缩短，表现出较明显的促凝作
用。在保证施工安全的前提下，水泥浆的快速凝固
有利于避免水窜的发生；另外，根据现场需求，稠
化时间的长短也可以通过加入缓凝剂进行调节。以
防水窜材料W-1 为主剂形成的水泥浆体系稠化时
间可调，过渡时间短，稠化线形良好。
表6 W-1 不同加量下水泥浆稠化性能对比
W-1/
%
BXR-200L/
%
初始稠度/
Bc
稠化
线形
过渡时间/
min
t 稠化/
min
0.0 0.0 17 正常5 140
3.0 0.0 20 正常3 93
3.5 0.0 21 正常4 86
4.0 0.0 23 正常3 68
3.0 0.15 20 正常3 150
注：实验条件为70 ℃、35 min、35 MPa。
2.3 流变性能
采用OFITE900 型黏度仪对不同W-1 加量下水
泥浆的流变性能进行了测试，结果见表7。由表7
可知，加入防水窜材料后水泥浆稠度系数变大，但
仍具有良好的流动性能，有利于提高顶替效率，避
免水侵发生的同时可保证施工的安全性。
2.4 稳定性
对加入W-1 常规密度水泥浆和不同水灰比的
水泥浆的稳定性进行了考察。水泥浆经70 ℃养护
20 min 后，倒入量筒中放于70 ℃水浴静置2 h，测
上下密度差，结果见表8。
表7 W-1 不同加量下水泥浆流变性与胶凝强度对比
W-1/
%
T/
℃
φ3 φ6 φ30 φ60 φ100 φ200 φ300 n
K/
Pafsn
0.0
20
2.6 3.9 20 31 46 86 123
0.88 0.27
2.3 3.2 19 30 48 85 123
70
2.0 3.4 17 27 41 76 112
0.93 0.18
1.7 3.1 16 26 40 76 112
2.5
20
12.5 21.6 44 59 79 127 168
0.74 0.85
5.1 7.3 28 47 70 121 168
70
18.3 24.4 54 76 100 151 188
0.65 1.66
7.6 12.1 35 58 84 139 188
3.5
20
17.1 23.8 47 66 91 151 200
0.75 0.91
5.3 7.8 31 55 83 145 200
70
24.4 30.6 64 91 120 185 233
0.68 1.68
9.1 13 42 70 101 170 233
万方数据
卢海川第 34 卷 第 4 期 等：新型固井用防水窜材料的研究与性能评价 79
表8 不同W-1 加量下水泥浆稳定性对比
W-1/% 水灰比ρ/（g/cm3） 游离液/% Δρ/（g/cm3）
0.0 0.43 1.89 0.1 0.05
3.0 0.43 1.89 0.0 0.0
0.0 0.46 1.85 0.6 0.1
3.0 0.46 1.86 0.0 0.0
3.0 0.50 1.82 0.0 0.0
由表8 可知，没有加W-1 的水泥浆随着水的
增加，稳定性会明显变差；而加有W-1 的水泥浆
可保持极好的稳定性，即使在水灰比迅速增加的情
况下，水泥浆具有很好的稳定性。
2.5 失水量、抗压强度性能
通过改变W-1 的加量，考察了W-1 对水泥浆
失水量、水泥石抗压强度的影响，结果见表9。采
用静胶凝强度测试仪对加有3.0%W-1 的水泥浆强
度发展情况进行了测试，结果见图5。由此可知，
防水窜材料对水泥浆失水、强度无不良影响；随着
防水窜材料的增加，水泥石抗压强度有所增加，表
现出一定的增强作用；且由强度发展曲线可以看到，
加有防水窜材料的水泥石强度发展较快，151 min
开始起强度，不加防水窜材料的水泥石强度发展慢，
195 min 开始起强度，且水泥石强度低。
表9 W-1 对失水量和抗压强度的影响
W-1/
%
FL70 ℃ /
mL
p24 h/
MPa
W-1/
%
FL70 ℃ /
mL
p24 h/
MPa
0.0 46 27.0 3.0 46 32.6
2.0 42 30.3
图5　加有3.0%W-1 水泥浆的强度发展曲线
综上所述，W-1 在增加水侵阻力的同时，可
明显缩短胶凝过渡时间，避免水泥石收缩，改善水
泥石渗透率，从而可防止水窜的发生。另外，防水
窜材料W-1 可缩短稠化时间、增加水泥石抗压强度，
且对水泥浆稠化时间、失水量、稳定性和流变性能
等无不良影响。
3 结论
1. 根据微观结构设计，通过无机材料与聚合物
材料的合理复配研究，开发出了一种新型的固井用
防水窜材料W-1，其可明显地增加水泥浆的胶凝强
度，缩短静胶凝过渡时间，避免水泥石的收缩。
2. 根据固井不同阶段水窜机理，分别采用相应
测试方法，对加入W-1 的水泥浆在凝固前、凝固
过程中及凝固后的防水窜性能进行了测试，测试结
果显示W-1 在不同阶段都具有良好的防水窜性能。
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（下转第84页）
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（收稿日期2017-5-5；HGF=1704N11；编辑 王超）
（上接第79页）

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