交联聚乙烯醇的防窜机理及应用

行水泥石的抗腐蚀性试验，结果如下：油井水泥石在
蒸馏水中浸泡３６０ ｄ后的抗压强度为２９．９３ ＭＰａ，
在５％硫酸钠水溶液中为２７．８１ ＭＰａ，强度衰退了
７．１％；矿渣水泥石在蒸馏水中浸泡３６０ ｄ后的抗压
强度为３７．０２ ＭＰａ，在５％硫酸钠水溶液中为４１．８０
ＭＰａ，强度增强了１２．９％。同样在蒸馏水中浸泡
８５℃，井底压力为４０ ＭＰａ。
万方数据
４ 结论
聚乙烯醇经适当交联后，通过压差的作用，水
泥浆失水形成具有网状结构的滤饼膜，能很有效地
降低失水量。固体交联聚乙烯醇易于储存和运输，
但只能与水泥干混使用。它可以在基地与水泥按比
例混好后送到井场直接配浆固井，掺量少，浪费少，
不象液体聚乙烯醇那样必须配水混合后才能使用。
表３单级双封现场固井水泥浆性能
领浆配方如下： ＪＨＧ＋１１．１１％漂珠＋１．４４％交联固体聚乙烯 醇降失水剂Ｇ６９＋０．０９％固体缓凝剂Ｇ６４＋０．１％ 消泡剂Ｇ６０３＋淡水 其密度为１．６２ ｇ／ｃｍ３，稠化时间为２３０ ｒａｉｎ，２４ ｈ后 抗压强度为９．２ ＭＰａ，失水量为５２ ｍｉ。，游离液为 ０．１ ｍＩ。。Ｐ６００、妒。ｏｏ、仇ｏｏ、妒·ｏｏ、９０和弘的读数分别为 １１６、６７、４９、３２、９和８。 尾浆配方如下： ＪＨＧ＋１．６０％Ｇ６９＋０．１％Ｇ６４＋０．１％Ｇ６０３＋ 淡水 其密度为１－８２ ｇ／ｃｍ３，稠化时间为１５６ ｍｉｎ，２４ ｈ后 抗压强度为１９．５ ＭＰａ，失水量为４６ ｍＩ。，游离液为 ０．４ ｍＬ。伽ｏｏ、伽ｏｏ、驴ｚｏｏ、垆－ｏｏ、伽和弘的读数分别为 １０１、６９、５５、４２、２２和１３。 ３．２．３ 固井结果 陕１１０井固井声幅质量统计见表６。测井段全 长为１５００ ｒｎ，优质段为１３８６．５ ｍ，合格段为７６．５ ｍ，不合格段为３７．５ ｍ，总优质率为９２．４％。
使这些裂缝进一步扩大、延伸，甚至使水泥环在某一 段的封隔作用彻底失败，所以，水泥石具有一定的抗 冲击韧性对提高封固质量是十分重要的。
用单位体积试样在最大载荷前吸收的功来评价 其抗冲击韧性。吸收的功越大，材料抗冲击韧性越 好。分别以０．４４的水固比配制油井水泥浆和矿渣 水泥浆，在８２。Ｃ下养护２２ ｄ后，分别取６块试样进 行抗冲击强度测定，结果如下：油井水泥石的抗冲击 功分别为２２、２２、２３、２２、２４、２５ Ｊ，平均值为２３ Ｊ；矿 渣水泥石为２９、２６、２７、２７、２９、２９ Ｊ，平均值为２８ Ｊ； 提高率为２１．７％。由此看出，矿渣油井水泥石的抗 冲击韧性比油井水泥石有所提高。
８ ８ 基浆＋０．１３％ＣＨ２０８Ｌ
从表１可以看出，在循环温度为２０～８０℃时，
交联聚乙烯醇防气窜水泥浆的失水量可以控制在
６０ ｍＬ以下，稠化时问容易调节，游离液较小，水泥
浆总体性能良好，２４ ｈ水泥石抗压强度较高，能够
满足一般油气井固井的要求。
’。一—— 表１ 交联聚乙烯醇降失水剂水泥浆综合性能
…
泥石抗压强度较高，能够满足一般油气井固井的要求。列举了其水泥浆的综合性能以及在陆地油田和渤海油田应
用的实例。
关键词 交联聚乙烯醇 防窜机理 降失水剂 不渗透滤饼 固井水泥浆
中图分类号：ＴＥ２５６．６
文献标识码：Ａ
注水泥后的环空窜流问题一直是困扰石油工程 人员的一个难题。人们经过长期的实践和实验研 究，从不同的角度出发提出了各种解决方法口］：在施 工工艺上尽可能替净水泥，施加环空压力，缩短水泥 浆柱的高度（分级注水泥），上下移动和旋转套管，增 加钻井液和水泥浆密度以及采用套管外封隔器等措 施；在水泥及外加剂上，研制出了ＧＡＳＢＬＯＣＫ、 ＧＡＳ－ＣＨＥＫ等水泥外加剂［２。３３以及不渗透胶乳水 泥、膨胀水泥、延迟胶凝强度水泥和触变水泥［４巧］、微 硅水泥［６１等，而且都取得了一定程度的成功。本文 介绍了一种以交联聚乙烯醇为基础的防窜油井水泥 降失水剂，通过在水泥和地层界面间形成一层具有 一定韧性的聚合物薄膜滤饼，产生对流体侵入的附 加阻力户附，使得ｐ地＜户静＋Ｐ阻＋ｐ附，以达到防止地 层流体侵入的目的，并列举了水泥浆的综合性能以 及在陆地油田和渤海油田的应用情况。
表２ ＢＺ—Ａ井身结构
３．１．２现场水泥浆配方及性能 ＢＺ－Ａ井咖２４４．５ ｍｍ套管井段井下静止温度
为８０℃，循环温度为６３℃，井底压力为３５ ＭＰａ。 咖该井段固井水泥浆的前置浆、后置浆的领浆
和尾浆配方如下，性能见表３。 １０８ ＪＨＧ＋１１．２％ＣＧ７１２Ｉ。＋２．９１％ｃｊｌ２９Ｌ
＋１．１２ＶｏＣＦ４０４Ｉ。＋０．１８％ＣＨ２０８Ｌ＋０．４２％消泡 剂＋淡水
（下转第４４页）
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钻 井液 与 完 井 液
２００７年５月
相体积增大到２．２２倍，所以要求石膏应在水化、硬
化之前消耗完。若有剩余石膏则继续生成钙矾石，
总固相体积就会膨胀，破坏已经硬化的水泥石结构，
造成强度下降，甚至开裂和崩溃。也就是说，水泥自
身就存在着由于ＳＯ。造成体积不安定的因素。
矿渣水泥中由于矿渣部分替代了油井水泥熟
料，事实上也就相应降低了游离的Ｃａ（ＯＨ）。和
Ｃ。Ａ的含量，使得生成硫铝酸钙（钙矾石）的机会和
数量变少。这就是矿渣油井水泥耐硫酸盐腐蚀化学
稳定性提高的主要原因。同时，矿渣油井水泥中的
水化硅酸钙胶凝结构较为致密，对阻止侵蚀介质也
有一定的帮助。
在硫酸盐腐蚀水泥的过程中，由于钠离子比镁
离子的破坏作用要大，所以试验材料采用硫酸钠进
图３交联聚乙烯醇形成的不渗透滤饼膜
２ 水泥浆综合性能
在聚乙烯醇分子间和分子内的羟基之间存在着 很强的氢键，显著阻碍聚乙烯醇对水的溶解。另一 方面，部分醇解聚乙烯醇的残留醋酸根本来是疏水 性的，但它可以减弱邻近分子问和分子内的氢键，所 以适量残留醋酸根的存在可以改善聚乙烯醇的水溶 性。根据聚乙烯醇本身的这种特性，不同厂家在生 产固体降失水剂或是生产液体降失水剂时，可以考 虑选择不同醇解度的聚乙烯醇。一般情况下，生产 固体降失水剂选择较低醇解度的聚乙烯醇，生产液 体降失水剂可以通过加热方式加以溶解而选择高醇 解度或完全醇解的聚乙烯醇。固体外加剂主要是用 于干混，采用的是部分醇解聚乙烯醇，它可在冷水中 溶解。但是，由于其本身具有较低的表面张力，搅拌 溶解时会产生很多的泡沫，用混合水配制水泥浆时， 含气量太高，水泥浆密度无法控制在预期的范围内。
对于如何评价此类水泥浆是否具有防窜功能， 可以通过水泥浆能否有效形成不渗透滤饼薄膜加以 判断。从大量的试验结果观察：如果在３０ ｒａｉｎ内水 泥浆失水量很大或穿透，只能形成很厚的滤饼而不 会形成一层具有韧性的聚合物薄膜，这种水泥浆就 与常规水泥浆一样，不具备防窜功能；如果水泥浆失 水量小于５０ ｍＬ／３０ ｍｉｎ，就形成一层具有一定韧性 的聚合物薄膜。因此，对于此类水泥浆，其失水量可 以间接地反映出水泥浆的防窜能力。低失水量的水 泥浆对于防止窜流也是有辅助作用的［４ｊ。
个网状结构（见图２），这种网状结构能够使聚乙烯 醇水泥浆控制失水的能力得到大幅度的提高。
（１）
（２）
（３）
图１聚乙烯醇分子与水泥颗粒的吸附模型
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／多ｍ
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＼／
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靶博 型
图２ 聚乙烯醇分子与硼砂或硼酸交联的网状结构
在实际注水泥初期，由于水泥浆处于流动状态， 为了压稳地层，水泥浆柱的压力必须大于地层流体 的压力，这就为不渗透滤饼薄膜的形成提供了必要 的条件。含有这种交联聚乙烯醇降失水剂的水泥浆 体系首先失去与模拟地层邻接的混合水，使之形成 一层具有一定韧性的不渗透滤饼膜（见图３），这层 不渗透滤饼薄膜紧贴井壁，它不阻碍水泥浆上部静 液压力的正常传递，但是对要穿过它的流体产生一 种附加阻力Ｐ附。随着水泥颗粒的不断水化，水泥 浆将由液态向固态过渡，水泥浆的静胶凝强度不断 发展。当水泥浆由液态向固态过渡时，当出现Ｐ静＋ Ｐ阻＜户地的情况且水泥尚未形成足够的静胶凝强度
第２４卷第３期 ２００７年５月
钻 井 液与 完 井液 ＤＲＩＬＬＩＮＧ ＦＬＵＩＤ ８Ｌ ＣＯＭＰＬＥＴＩＯＮ ＦＬＵＩＤ
文章编号：１００１－５６２０（２００７）０３—００３９—０３
交联聚乙烯醇的防窜机理及应用
Ｖ０１．２４ ＮＯ．３ Ｍａｙ ２００７
彭雷１ 房恩楼１ 张敬涛１ 林恩平２
（１．中海油田服务股份有限公司固井塘沽基地，天津塘沽；２．天津和信化学科技有限公司，天津）
在深浅２套区域储盖组合：第一套是明化镇组下段 大套曲流河泥岩夹薄层砂岩以及明化镇组下段厚层 泥岩与馆陶组顶部厚层砂岩形成的储盖组合；第二 套为东营组二下段的厚层泥岩和砂层以及沙河街组
第２４卷第３期
彭雷等：交联聚乙烯醇的防窜机理及应用
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一段发育的砂体形成的储盖组合，为深浅复式油藏。 地层为常温微超压地层。井内为ＰＥＭ钻井液体 系，密度为１．２５ ｇ／ｃｍ３。该井井身结构见表２。
１ 防窜作用机理
聚乙烯醇分子是一种具有大量强亲水性羟基的 聚合物，它能与水泥颗粒表面形成很好的吸附作用， ３种不同的吸附模型见图ｌ。根据对３种不同的吸 附模型的分析，聚乙烯醇溶液对水泥浆具有一定的 降失水作用，特别是模型（３）数量多的时候。但作为 降失水剂，其控制降失水的能力远远没有达到要求。 因此将聚乙烯醇分子用硼砂或硼酸交联起来形成一
Ｔ
ＦＬ
ｔ 游离水ｐ／ＭＰａ
配方
℃
ｍＬ
ｍｉｎ
ｍＬ
８ ｈ １８ ｈ ２４ ｈ
４Ｏ
１４ ８
跗ｌ
∞
基１ 浆＃
２０
２２３
嵫２
螂
２＃
３Ｏ
２２Ｏ
磁２
蛐
６＃
５Ｏ
１４ ６
阻
加
７＃ ８＃
６Ｏ ７Ｏ
１Ｏ ６ １ ７２
ｌ！％
％
铭 记
９
２２
２
Ｏ
３２
３
３
３２
２
２
２４
２
９
２４
２
４
１８
１
３ 现场固井应用实例
３．１ ＢＺ－Ａ井
３．１．１ 井况 ＢＺ—Ａ井是位于渤海中部的一口探井。该井存
３６０ ｄ，矿渣水泥石比油井水泥石的抗压强度高２３．
７％；同样在硫酸钠水溶液中浸泡３６０ ｄ，矿渣水泥石
比油井水泥石的抗压强度高５０．３％。
、
２．４矿渣油井水泥石的抗冲击韧性试验
井下射孔爆炸时产生的冲击波不可避免地使射 孔段上、下一定范围内的水泥环产生破碎和震裂，有 时可能波及开采段的周围，若临近油、水层则会造成 互窜，达不到分层开采的目的；同时有些增产措施也
第一作者简介：彭雷，工程师，１９７５年生，１９９８年毕业于江汉石油学院石油工程专业，现任中海油田服务股份有限公司 固井塘沽基地经理，主要从事生产和技术管理。地址：天津市塘沽区５４８信箱石油北路；邮政编码３００４５２ｉ
万方数据
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钻 井 液 与 完 井液
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时，紧贴在井壁上的不渗透滤饼薄膜就会对地层流 体侵入井筒和水泥本体内产生一个附加阻力Ｐ附，使 得ｐ地＜ｐ静＋Ｐ阻＋Ｐｍ，并在客观上使这种状态保持 更长的时间，给水泥浆静胶凝强度发展提供关键的 时间，有利于防止窜流的发生，达到防窜的目的。
因此固井成本较低。目前国内陆上油田使用的大多
数降失水剂是以固体交联聚乙烯醇为主；而海上油
田由于受平台上客观条件的限制，一般采用液体类
水泥外加剂。
交联聚乙烯醇类降失水剂，在海上油田还是陆
上油田应用，都取得良好的固井结果，也是当前使用
的降失水剂中性价比较高的一种，能够满足大多数
中等温度油气井固井的需要。
表５陕１ １０井固井声幅质量统计
注：外加剂掺量为占水溶液质量的百分数（ＢＷＯＷ）。 ３．１．３ 固并结果
候凝２４ ｈ后ＳＢＴ测固井质量，最终评价固井 质量为优质。 ３．２陕１１０井 ３．２．１ 井况
陕１１０井是长庆气田南部区块ห้องสมุดไป่ตู้一口探井。其 井身结构见表４。
表４陕１１０井身结构
３．２．２现场水泥浆配方及性能 陕１１０井井下静止温度为１１０℃，循环温度为
温度为４５。Ｃ，外加剂掺量为占水溶液质量的百分数
（ＢＷＯＷ）。
１“ 基浆＋１．７％早强剂ＣＡ９０８Ｉ。 ２ ８ 基浆＋１．１４ＶｏｏＣＡ９０８Ｌ
３８ 基浆＋０．１６％缓凝剂ＣＨ２０８Ｉ。
４８ 基浆＋０．２３％ＣＨ２０８Ｌ
５ ８ 基浆＋０．２９％ＣＨ２０８Ｌ ６ ８ 基浆＋０．０７％ＣＨ２０８Ｌ ７ ８ 基浆＋０．１０％ＣＨ２０８Ｌ
用淡水配浆的交联聚乙烯醇降失水剂水泥浆的 室内综合性能见表１。表１中水泥浆配方如下：
基浆ＪＨＧ＋１１．４％ＣＧ７１２Ｌ＋２．７３％ＣＪｌ２９Ｌ ＋２．２７％ＣＦ４０４Ｌ 其中，ＪＨＧ为嘉华Ｇ级水泥，ＣＧ７１２Ｉ。为液体聚乙 烯醇降失水剂，ＣＪｌ２９Ｌ为交联剂，ＣＦ４０４Ｌ为减阻
万方数据
剂，水灰比为ｏ．４４，水泥浆密度为１．９０ ｇ／ｃｍ３，试验
摘要 介绍了一种以交联聚乙烯醇为基础的防窜油井水泥降失水剂，通过在水泥和地层界面间形成一层具有
一定韧性的聚合物薄膜滤饼，产生对流体侵入的附加阻力Ｐｍ，使得户地＜ｐ静＋Ｐｍ＋Ｐｍ，来达到防止地层流体侵入 的目的。水泥浆的失水量可以控制在６０ ｍＬ以下，稠化时间容易调节，游离液较小，水泥浆总体性能良好，２４ ｈ水