张伟
中石化江汉石油工程有限公司钻井一公司 433121
摘要：油气开发施工工艺复杂，作业过程容易造成环空带压隐患，通过分析油气井环空带压防治难点，探索解决复杂工况下的密封性问题防治对策，针对水泥浆防窜设计，引入纳米增强剂和纳米泡沫技术来预防气井的环空带压问题。通过优选胶乳材料、NAC-S纳米防窜剂、纳米泡沫材料成功构建了一套纳米增强防窜水泥浆体系；该防窜水泥浆具有更低的渗透率，更高的强度和更加优异的防窜性能，该技术在海油某平台得到成功应用，解决水泥浆失重体积收缩以及抗污染抗温度、压力变化引起力学性能失效问题，能够对环空带压进行有效防治，确保油气井安全、高效开发。
关键词：环空带压；控制；固井；NAC-S纳米增强防窜剂；纳米泡沫
了解决复杂工况下的密封性问题，需要研发一种浆体稳定，抗温，抗污染防窜韧性水泥浆体系。室内引入纳米泡沫，在水泥石内部封闭一定压力气体，增加气体窜入阻力，开展了纳米增强防窜韧性水泥浆体系的研究与评价工作。
1 实验部分
1.1实验材料：
GRL胶乳，NAC-S纳米防窜剂，NA-F纳米泡沫，淡水。
1.2实验仪器
实验仪器及主要作用如下：
（1）六速旋转粘度计：测定纳米增强防窜韧性水泥浆体系的流变性能；
（2）增压稠化仪：测定纳米增强防窜韧性水泥浆体系体系的稠化时间；
（3）高温高压失水仪：测量纳米增强防窜韧性水泥浆体系的失水量；
（4）匀加荷压力试验机：纳米增强防窜韧性水泥石强度测试；
（5）使用 HY-20080微机控制电子万能材料试验仪测试纳米增强防窜韧性体系弹性；
（6）使用TL-003固井壁面封隔验窜仪测纳米增强防窜韧性水泥石的抗窜能力。
2 纳米增强防窜韧性水泥浆体系的构建
2.1胶乳加量的优选
GR胶乳作用机理是通过水份挥发后聚合物粒子相互靠近、粘结成整体而完成的。最初，聚合物乳液粒子分散在水中，水份蒸发时，粒子渐渐靠近，如果聚合物的玻璃化温度低于室温(或者说使用时的温度高于乳液的最低成膜温度)，那么粒子在相互靠近的时候可以变形，以填充粒子之间的空隙，最后形成透明且没有孔隙的膜。如果粒子相互靠近时以面心立方体的形式排列，则初生的膜可以看成是由完美的菱形十二面体的晶格所组成。经过相当长时间或通过热处理，等聚合物相互扩散穿过粒子与粒子之间的界面后，膜就会有一定的强度。GR胶乳聚合物颗粒在水泥浆与骨料间形成具有较高粘结力的膜，部分具有可反应基团的聚合物可与硅酸盐发生化学反应，最后形成互穿网络结构，改进颗粒间的粘结，从而改善水泥石的力学性能。
GR胶乳是一种稳定乳液，相对于普通胶乳其对配浆水质的要求更低，抗温性以及稳定性更优异。从实验结果看：GRL胶乳的加量通常在10%以上，抗压强度显著提高，分别提高了50.3%和31.3%，弹性模量降低了27.5%和34.1%，GR胶乳的加入改变水泥石结构形态，改善水泥石力学性能，因此体系构建推荐15~20%胶乳加量配成胶乳水泥浆，使得力学性能效果最佳。
2.2 NAC-S纳米增强防窜剂的优选
2.2.1 NAC-S增强防窜剂材料的研制
NAC-S是由片状结构物质 A 及高分子聚合物B 和胶液防窜材料C 组成。物质 A含有具有胺基的强吸附和插层抑制作用，有效吸附在水泥浆颗粒表面；高分子聚合物B具有通过适度交联、吸附和缠绕作用，使水泥浆形成网状结构有效降低水泥石的渗透率。
胶液防窜材料C纳米金属氧化物经过特殊工艺处理与水混合而成的胶液，金属氧化物的直径小于5纳米，比表面积大，表面活性高，能够极大程度上束缚水泥浆固体颗粒间隙间的自由水，微小的晶体颗粒能够有效地充填到水泥颗粒间，降低水泥石的渗透率，提高水泥石强度；具有明显的火山灰效应与氢氧化钙发生二次水化，加快水泥浆中C-S-H凝胶的形成，提高水泥浆的稳定性。该胶液防窜材料C具有适当比例的强水化基团和疏水性基团，还与材料 A、B 之间存在良好的协同作用，具有较好的抗温抗盐能力。
2.2.2 NAC-S增强防窜剂性能评价
由于现用的胶乳聚合物体系的防气窜能力需要进一步提高，水泥石快速形成强度，能够有效降低流体窜的风险。针对现场的水泥浆配方采取引入NAC-S增强增强剂后，配方为：基浆+ GRL胶乳36g+ NAC-S纳米增强防窜剂。
从上表是可知：NAC-S技术对稠化时间影响较小，能与胶乳水泥浆协同作用强；随着NAC-S的加入，水泥石24h强度总体上是增大的，当NAC-S增强防窜剂加量为1%时，抗压强度提高了45.3%，渗透率降低了53.3%，说明NAC-S有效的提高了水泥浆的早期强度发展，明显增加水泥石的致密性，并且具有加量小，效果显著的优势，推荐加量：1%。
3 纳米增强防窜韧性水泥浆体系性能评价
3.1纳米增强防窜韧性水泥浆沉降稳定性能评价
针对2.2g/cm3和2.4g/cm3密度的水泥浆的高温稳定性开展了稠化停-开机试验：水泥浆进行稠化实验待温度升高到目标温度稳定30分钟后将稠化仪的传动电机关闭，停止搅拌30分钟后再打开电机，水泥浆稠度没有出现过大变化，实验结果显示，水泥浆热稳定性良好。对沉降稳定性测试中：将水泥浆倒入0.7米高管子中震荡充分，待水泥凝固后排水法测试不同部位的水泥石密度，测试结果显示两种密度水泥浆均具有较高的稳定性，上下水泥浆的密度差值能够控制在0.02 g/cm3以内，水泥浆上部无自由水出现。
3.2水泥石韧性评价
通常来说，油井水泥石是脆性材料。当韧性较低的水泥浆体系注入井内环空中凝固后，由于其抵抗外力冲击能力较差，后续施工的各种外力作用都可能使水泥环破碎，导致固井封隔质量下降。抗冲击强度是检验水泥石韧性的一个重要指标，用以表示水泥环承受冲击的能力，它是水泥试件受冲击断裂后所消耗的能量，其大小能直接反映出水泥石的韧性[9]。从表5测试结果可以看出，掺入胶乳、NAC-S纳米防窜剂与纳米泡沫。水泥石抗冲击强度增大，有利于水泥石长期抗冲击强度的发展。与胶乳水泥石试样相比，两种密度的纳米增强防窜韧性水泥石抗冲击能力分别提高了32%、27%。实验结果表明了掺有胶乳、NAC-S纳米防窜剂与纳米泡沫的防窜韧性水泥浆有利于改善水泥石韧性。
4.现场试验
随着深水油气田的开发由勘探转向开发，南海深水勘探有了进入实质性的进展，且深水的开发也迫在眉睫，但都面临着环空带压和井口气窜的挑战。为改善水泥浆体系防窜性能，针对现场水泥浆体系进行改良，加入1%NAC-S增强防窜剂及NA-F纳米材料，应用新型防窜韧性水泥体系，使得水泥石强度发展更快更早，明显达到了侯凝期间水泥浆防窜效果，固井质量测SBT优秀：平均衰减率>10。
5 结论
（1）通过对GR胶乳加量的优选，胶乳具有良好的成膜性可以改善水泥石微观结构，降低水泥石渗透率，选择15~20%胶乳加量配成胶乳水泥浆，水泥石力学性能效果好。
（2）NAC-S增强防窜剂与胶乳水泥浆协同作用强，推荐加量：1%，当NAC-S增强防窜剂加量为1%时，抗压强度提高了45.3%，渗透率降低了53.3%，说明NAC-S有效的提高了水泥浆的早期强度发展，明显增加水泥石的致密性，并且具有加量小，效果显著的优势。
（3））水泥浆中引入纳米泡沫，在水泥石内部封闭一定压力气体，增加气体窜入阻力，纳米增强防窜韧性水泥浆SPN值为1.10，提高了水泥浆的防窜性能。
（4）在南海深水区块现场试验中，在体系配方中加入1%NAC-S增强防窜剂及NA-F纳米材料构建的纳米增强防窜韧性水泥浆体系，使得水泥石强度发展更快更早，明显达到了侯凝期间水泥浆防窜效果，固井质量获得有明显改善，此项研究成为提升南海深水区块固井质量的提供了技术支持。
作者：张伟（1975-），男，助理工程师，现从事固井技术管理相关工作