摘要：由于水泥浆在水化过程中水泥石体积会产生微收缩，对于气层较活跃的地层，水泥石和地层之间由于水泥石微收缩产生的间隙可能导致地层中气体窜到水泥石中甚至窜至地面，进而影响水泥石的后续强度及油井的寿命。尤其对于低密度水泥浆来说，水泥浆中的减轻材料在井底高温高压条件下会发生部分破裂导致体积收缩，加上水泥石本身体积的收缩，整个低密度水泥石的体积收缩的更加严重。针对水泥石硬化后体积收缩的实际情况,通过文献调研、室内试验、现场应用等成功研发出一种新型的抗高温油井水泥膨胀剂，该膨胀剂对水泥石有轻微的膨胀作用，抗温能力可达到150℃，通过2口井的试验发现膨胀剂的加入对固井质量有一定的提高作用。
关键词：微收缩 水泥石 膨胀剂 固井质量 油井寿命
一、前言
水泥环与套管、地层不能很好地胶结而产生的微间隙是引发环空窜流的根本原因。环空窜流一直是影响油气井产量、注水泥效果的主要问题，如果层间封隔不良，高压层流体必将窜入低压层，造成油气资源的污染和流失［1］。Drecq等［2］研究表明，水泥环界面存在0．01mm微间隙就可发生气窜，微间隙为0.05—0.07 mm时，则会导致固井质量不合格，而水泥浆体的收缩是造成地层窜流的重要原因。水泥浆体的收缩分为塑性收缩和硬化体收缩［3］，养护120h后水泥浆体收缩一般超过5%。Bonnet等［4］认为解决地层流体窜流的关键是解决水泥浆体的收缩问题。使用油井水泥膨胀剂是解决水泥浆体收缩的有效方法之一，目前使用的膨胀剂大多是用于低温环境下的，适用于高温环境的膨胀剂很少。因此开发高效的油井水泥膨胀剂，特别是开发适合高温环境的油井水泥膨胀剂，研究不同类型膨胀剂的膨胀机理对提高固井质量有重要的意义。［5］
二、常用油井水泥膨胀剂的分类
国内外使用的不同膨胀剂品牌有数十种，根据膨胀源和作用机理可以分为两大类：晶体膨胀材料和发气材料。晶体类膨胀剂主要的膨胀源是晶体材料重结晶或晶型转变时产生的结晶膨胀压；发气材料主要依靠碱活性金属粉末与水泥浆中的碱溶液反应产生的气体作为膨胀源。随着研究的深入，人们发现水泥浆体收缩主要发生在水泥浆终凝以后即主要是硬化体收缩，因此单纯以钙矾石为膨胀源的膨胀剂已渐渐无法满足固井的需要。碱土金属氧化物类膨胀材料在国内主要有天津中油渤星公司的BCP系列，江苏海特曼公司的F17系列膨胀剂等，国外的有BJ公司的EC-1、EC-2，哈里伯顿的Microbond系列等。
而发气类膨胀材料是利用金属粉产生气体膨胀，膨胀源主要有氢气和氮气。主要适用于低压浅井，国内主要的产品有DG-29、ZG系列、KQ系列等，国外主要有哈里伯顿GAS-CHEK、Super-CBL，BJ公司的BA-29、BA-61等。
三、新型抗温油井水泥膨胀剂的研究
1面临的问题
目前，大多数的膨胀剂主要适用于低温，如上面提到的钙矾石类膨胀剂在70-80℃左右会分解，CaO类膨胀剂使用的最佳温度为50℃，氮气类膨胀剂在75℃以下膨胀效果较为明显。目前市场上适用于高温条件下的膨胀剂并不多，因此开发一种适用于高温条件下的油井水泥膨胀剂势在必行。
2抗温油井水泥膨胀剂的研发与评价
1）油井水泥膨胀剂的研发
通过文献调研、机理分析等优选出几种性能良好、成本适中的膨胀剂的原材料。根据膨胀率、失水量、静胶凝强度分析、稠化、水泥石强度等大量正交试验，进而通过精密的科学计算在多种材料中成功复配出了性价比最高的一种复合膨胀剂GWP-100S。同时参考ISO-10426-5国际标准进行膨胀率试模的合作开发。通过大量的评价试验发现，该膨胀的膨胀性能适中，加量敏感性和温度敏感性非常小，膨胀剂稳定性良好，对水泥浆和水泥石的性能无任何不良影响。
2)油井水泥膨胀剂的性能评价
①膨胀性能评价
在不同温度下对膨胀剂GWP-100S的膨胀性能进行评价如表1
论文作者:路进平,高旭
论文发表刊物:《基层建设》2017年第29期
论文发表时间:2018/1/7
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