渗透率是水泥石工程性能的另一个重要指标，直接关系到水泥环的封固质量和测井结果。油气井井下环境中，水泥环被腐蚀的程度及抗腐蚀能力与水泥石的渗透率密切相关。表7所示为DNF掺杂前后水泥浆硬化体的气体渗透率，工作气体为氮气(N2)。
表6 气体渗透率结果
水泥浆体系 养护温度
℃ 龄期
d 环压
MPa 工作压力
MPa Ko
×10-3μm2
大连G级原浆 45 2 2 0.42 0.2270
大连G+10% DNF 45 2 2 0.42 0.0839
从上表可知，掺入10 wt%的DNF后，水泥石的渗透率从0.2270毫达西下降到0.0839毫达西，下降了63 %。水泥浆抵抗地层气体的侵入运移能力大幅增强，降低了发生气窜的危险性；同时，致密性的提高可以降低地下流体“淋滤作用”对水泥石的破坏程度，强化高含水层水泥石抵御腐蚀的能力。
3.2.5声阻抗
目前，大庆油田评价固井质量的测井方法为声幅测井与声波变密度测井，根据声波测井原理，入射波的能量一部分被界面反射，另一部分透过界面在第二介质中传播。反射波的幅度取决于两种介质的声阻抗。因此，声波测井结果与水泥石的声阻抗变化存在直接的关系。
通过测试发现：G级原浆硬化体的声阻抗为5.758 Mayl；掺入10 wt%的多功能纳米添加剂DNF后，该数值达到6.771 Mayl，上升幅度达到了17.6 %。说明掺入DNF后，水泥浆硬化体的微观结构和形貌发生了显著变化，声波测井结果存在变好的趋势。
3.2.6 化学组成及微观结构
X射线衍射的位置及强度决定于晶胞内原子的种类、数目及排列方式,同种物相的含量与其衍射峰强度成正比[5]。因此，可通过水化物衍射峰强度的变化对水泥水化生成物的含量和水泥水化程度进行分析。
Ca(OH)2 C-S-H AFt SiO2
图3-5水泥浆硬化体的不同水化龄期XRD谱图
水泥水化产物主要有Ca(OH)2、C-S-H凝胶和钙矾石(AFt)。由图3-5可知，与G级原浆相比，掺杂DNF后水泥浆硬化体中出现了明显的SiO2特征峰；随着养护时间的延长，SiO2的特征峰逐渐变弱，C-S-H凝胶和AFt在29.1800、31.8500和32.0800、42.2300处的特征峰增大；同时18.1000、34.2200、47.0500处Ca(OH)2的XRD衍射峰显著降低，说明Ca(OH)2相含量减少。
X-射线荧光光谱(XRF)具有快速、准确的特点,可对水泥基材料中的钙、硅、铝、铁等元素含量进行测定。本文通过XRF对不同养护龄期下，水泥浆硬化体界面处Ca元素及Si/Ca的变化趋势进行了研究，如下图所示。
图3-6水泥石表面Si/Ca 图3-7水泥石表面Ca含量
由图3-6、3-7可知，随着养护时间的延长，G级水泥浆硬化体界面处的Si/Ca呈现先快后慢的下降趋势，水泥干粉的Si/Ca为0.34、Ca含量为62.49%，在自来水中养护15d后分别下降至0.28和59.5%；添加DNF后在自来水中养护15d，Si/Ca提高到0.43、Ca含量降至55.57%。
上述结论说明DNF能够调节水泥浆硬化体界面处的Si/Ca，降低水泥石中Ca含量；同时，DNF的诱导水化作用能够促进水泥水化，使得C-S-H凝胶和AFt的含量增加。
材料的微观结构决定材料的宏观性能，本文有利用SEM对水泥石的微观结构进行了分析：
界面 本体
图3-8 G级水泥原浆硬化体的SEM分析
界面 本体
图3-9 DNF加量10 wt%时水泥石的SEM分析
由图3-8、3-9可知：G级原浆硬化后凝聚成400 nm左右的球形颗粒，堆积不够紧密，颗粒间存在着微米级的孔隙和裂缝，这些缺陷极易在外力作用下进一步扩大，形成宏观破损。添加纳米多功能添加剂DNF后，出现了尺寸小于50 nm细小颗粒，堆积紧密、缺陷较少，大孔(>100 nm)及超大孔(>1000 nm)含量降低。
4 现场试验
4.1 基本数据
大量的室内研究证明多功能无机纳米添加剂——DNF具有较强的填充、调节级配作用及化学活性，在满足固井施工对水泥浆体系的流动性能、强度及失水控制要求的同时，还能显著提高水泥浆硬化体的Si/Ca、界面强度和防腐抗渗性能。
在大量充分而又细致的室内研究基础上，应用DNF水泥浆体系在喇区进行了七口调整井的现场试验，固井施工数据见表9。
表9 固井施工基本情况
类别 喇3-斜PS2635 喇3-PS
2711 喇4-PS
2636 喇3-斜PS2632 喇5-PS
2703 喇4-PS
2711 喇4-斜PS2635
井深（m） 1259 1216 1155 1263 1132 1150 1171
封固段长度(m) 402 314 395 382 323 328 322
平均井径(mm) 219 221 221 223 231 226 220
洗井液密度／粘度(g/cm3)/(s) 1.40/47 1.45/50 1.43/50 1.40/47 1.48/50 1.45/50 1.43/50
洗井排量(m3/min) 1.8 1.8 1.8 1.8 1.8 1.8 1.9
洗井泵压(MPa)
(开／循) 3/2 4/3 4/3.5 3/2 5/4.5 5/3 5/4
水泥浆注入量(m3) 10.3 8.4 10.8 9.4 9.7 9.8 8.9
水泥浆密度(g/cm3) 1.93 1.91 1.92 1.85* 1.94 1.91 1.90
注灰时间(min) 13 7 13 12 9 9 9
注压(MPa) 4～3 3～2 3～2 4～3 3～2 3～2 3～2
替泥浆量(m3) 14.4 14.1 13.3 14.1 13.3 14 --
替浆时间(min) 7 8 7 8 6 7 --
替浆排量(m3/min) 1.90 1.90 1.85 1.93 2.1 1.94 2.0
替压(MPa) 5～13 4～11 4～11 5～11 4～11 4～9 4～11
*固井泵车故障，备用车取样困难，密度有偏差
4.2 声幅测井结果
图4-2喇5-PS2703的测井曲线
图4-3喇3-斜PS2635的测井曲线
到截稿时为止，全部7口实验井中，已获得3口井的15 d延时声变测井结果；其中喇5-PS2703井为合格井，喇3-斜PS2635井和喇3-斜PS2632井为优质井。
由图4-2可知，喇5-PS2703井胶结质量不佳的区域在套管接箍附近。分析原因可能是钻井液密度及粘度较大、固含量高，在高渗层内的接箍处形成了较厚的虚泥饼，顶替过程中也未能将其冲洗干净，从而造成该处水泥浆与套管胶结质量不佳、固井质量不够理想的结果。
喇3-斜PS2635井是采用纳米水泥浆体系的第一口井，全井段评价高度283m，高渗层井段150m，全井段15天固井质量优质率、高渗层优质段比例均为100%，如图4-3所示。这一结果说明添加多功能无机纳米材料——DNF后，纳米水泥浆体系具有的防腐抗渗、低失水、微膨胀的特性，提高了油井水泥对套管的保护；同时，DNF较高的化学活性提高Si/Ca、降低界面处易溶的Ca(OH)2含量、调节水化产物的类型和三维结构，有利于阻止地层流体对水泥环的侵蚀、提高水泥环密封作用，改善喇嘛甸油田高渗低压层固井质量。
5 结论
通过对无机纳米材料——DNF的大量室内研究和现场试验，得出以下重要结论：
在保持纳米尺度的同时，DNF克服了纳米材料易于团聚、难以分散的困难，既实现了与油井水泥的正常干混，又满足了调整井固井施工对纳米水泥浆体系流动度等各项性能的基本要求；
DNF加量10 wt%时，水泥浆体系稳定、流变性能好，水泥石具有微膨胀性，15 d抗压强度及界面强度分别提高了90.1 %和49.3 %，渗透率降低了63 %，声阻抗数值提高了17.6 %；
通过XRD、XRF和SEM分析发现，水泥石的化学组成和微观结构发生了明显变化，Ca(OH)2含量减小、Si/Ca升高，缺陷减少、水化产物堆积紧密，实现了对胶结“弱界面”的改善、为宏观性能的提高提供了依据；
喇区7口试验井现场施工顺利，其中3口井的15 d延时声变测井结果表明，全井段优质率显著提高、高渗层优质段比例得到改善。
参考文献
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