緩釋膨脹劑LQ－1的室內(nèi)研究與性能評(píng)價(jià)

雷鑫宇，李 芹，楊 武，杜紫誠(chéng)，張直建

(西南石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，成都 610500)

普通油井水泥在凝固后均產(chǎn)生一定的體積收縮，這對(duì)提高固井質(zhì)量非常不利。而膨脹水泥則是一種能在凝固時(shí)產(chǎn)生輕度體積膨脹的水泥漿體系，對(duì)體積收縮現(xiàn)象有很好的補(bǔ)償作用，同時(shí)對(duì)封閉環(huán)空微隙和改善水泥環(huán)的第一、二界面的膠結(jié)狀況也具有積極效果［1－2］。

該體系水泥中使用的核心添加劑即膨脹劑，主要由鎂、鋁的氧化物和石膏通過(guò)煅燒而成［3］，它在水泥水化反應(yīng)早期就強(qiáng)烈反應(yīng)，產(chǎn)生的巨大膨脹應(yīng)力對(duì)套管不利。此外，膨脹劑的過(guò)快反應(yīng)也不能使膨脹水泥長(zhǎng)期保持膨脹效果，不能達(dá)到長(zhǎng)效封固的目的。本研究通過(guò)選用合適的材料作為壁材將膨脹劑包裹成為微膠囊，以達(dá)到緩速釋放膨脹效果的目標(biāo)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料與儀器

輕燒鎂鹽膨脹劑M－1，南京科瑞瑪科技有限公司;鈦酸酯偶聯(lián)劑TA－9，天長(zhǎng)市天辰化工助劑油料廠;乙基纖維素(EC)、明膠、二氯甲烷、乳化劑OP－10，成都市科龍化工試劑廠;嘉華G級(jí)油井水泥，四川嘉華集團(tuán)股份有限公司;酮醛縮合分散劑SWJZ－1，山東沃爾德油田技術(shù)有限公司;改性纖維素降失水劑SZ1－2，西南石大金牛石油科技有限公司。

磁力攪拌器、電熱干燥箱，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司;恒溫水浴鍋，上海雙捷實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司;DFC－0710B增壓稠化儀，沈陽(yáng)金歐科石油儀器技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司;NYL－300壓力機(jī)，無(wú)錫市建筑材料儀器機(jī)械廠;XTA－7000巖心流動(dòng)裝置，江蘇海安石油科研儀器有限公司。

1.2 緩釋膨脹劑LQ－1的制備

將明膠、水、乳化劑OP－10攪拌均勻配制成保護(hù)液待用，將EC在適量二氯甲烷中溶解成為懸濁液，緩慢均勻加入膨脹劑M－1，同時(shí)滴加少量鈦酸酯偶聯(lián)劑TA－9，再將懸濁液勻速加入保護(hù)液中，經(jīng)攪拌蒸發(fā)有機(jī)溶劑，洗滌，干燥，粉碎，得到粉末狀的緩釋膨脹劑LQ－1。

1.3 緩釋膨脹劑LQ－1的性能評(píng)價(jià)方法

參照標(biāo)準(zhǔn)GB 23439—2009《混凝土膨脹劑》、SY/T 10022.1—2001《水泥漿設(shè)計(jì)和試驗(yàn)》及SY/T 6544—2003《油井水泥漿性能要求》，使用常用水泥漿配方對(duì)LQ－1的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，并與使用膨脹劑M－1的膨脹水泥漿體系比較。

水泥漿配方1#:嘉華G級(jí)油井水泥+5.0%微硅+1.5%分散劑SWJZ－1+1.5%降失水劑SZ1 －2+3.0%膨脹劑 M －1;水灰比:0.46∶1。

水泥漿配方2#:嘉華G級(jí)油井水泥+5.0%微硅+1.5%分散劑SWJZ－1+1.5%降失水劑SZ1 －2+3.0%LQ －1;水灰比:0.46∶1。

2 膨脹水泥漿性能評(píng)價(jià)

2.1 基本性能

為滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)施工的需要，水泥漿應(yīng)具有適當(dāng)?shù)牧鲃?dòng)度和失水量，同時(shí)漿體穩(wěn)定，無(wú)析水。因此，考察水泥漿配方1#，2#的基本性能，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 加入不同膨脹劑的水泥漿基本性能

從表1看出，加入緩釋膨脹劑LQ－1的配方2#的流動(dòng)度比加入膨脹劑M－1的配方1#稍小，為21 cm，失水量也小，為39 mL，1#和2#水泥漿析水量均為0。原因可能是壁材EC和明膠的存在，均對(duì)漿體有一定的增稠效應(yīng)，降低失水量。因此，水泥漿配方1#和2#的基本性能均滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)施工的要求。

2.2 緩釋性能

對(duì)緩釋膨脹劑LQ－1緩釋效果的評(píng)價(jià)主要從2方面進(jìn)行，一是對(duì)膨脹應(yīng)力的緩釋效果，二是膨脹性能的延續(xù)效果。

2.2.1 膨脹應(yīng)力的緩釋性

膨脹劑在參加水泥水化反應(yīng)后迅速響應(yīng)，釋放膨脹應(yīng)力導(dǎo)致水泥石體積膨脹。該膨脹應(yīng)力釋放過(guò)快、過(guò)大則有可能對(duì)套管產(chǎn)生過(guò)強(qiáng)的擠壓作用而破壞套管。膨脹應(yīng)力可用水泥石的膨脹率衡量。實(shí)驗(yàn)中膨脹率是通過(guò)測(cè)定92℃下養(yǎng)護(hù)一定齡期后的水泥石膨脹超出水泥模具的高度除以水泥模具的高度得到，加入不同膨脹劑的水泥石膨脹率見(jiàn)表2。

表2 加入不同膨脹劑的水泥石膨脹率

從表2看出，加入膨脹劑M－1的水泥石在養(yǎng)護(hù)1 d和3 d后的膨脹率高達(dá)2.5%和3.0%，而加入緩釋膨脹劑LQ－1的水泥石在養(yǎng)護(hù)1 d和3 d后的膨脹率僅為0.7%和0.9%。因此，緩釋膨脹劑LQ－1的膨脹作用比膨脹劑M－1已大大減弱，釋放的膨脹應(yīng)力對(duì)套管的擠壓作用也會(huì)大大減小，有利于套管的安全。

2.2.2 膨脹性能的延續(xù)性

多數(shù)膨脹劑如膨脹劑M－1在水泥水化反應(yīng)早期就快速反應(yīng)，能提高水泥石的早期強(qiáng)度，但長(zhǎng)期看延續(xù)性較差。而緩釋膨脹劑LQ－1由于其部分有效成分具有類(lèi)似微膠囊的結(jié)構(gòu)，在水化反應(yīng)早期可能不會(huì)參加反應(yīng)，但在后期施工由于射孔、壓裂或重復(fù)壓裂導(dǎo)致產(chǎn)生微裂縫，油水滲入其中將壁材溶解后，LQ－1可繼續(xù)反應(yīng)，釋放膨脹應(yīng)力對(duì)水泥環(huán)產(chǎn)生一定的擠壓效果而使微裂縫閉合。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)測(cè)定壓開(kāi)裂縫后重新放入水泥模具養(yǎng)護(hù)的水泥石的滲透率，考察膨脹性能的延續(xù)性，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 加入不同膨脹劑的水泥石滲透率

從表3可看出，加入膨脹劑M－1的水泥石在造縫后，繼續(xù)養(yǎng)護(hù)28 d，滲透率也僅降低9.2%;加入緩釋膨脹劑LQ－1的水泥石在造縫后，養(yǎng)護(hù)7 d，滲透率降低20.3%，養(yǎng)護(hù)28 d后，滲透率為69 ×10－3/μm2，滲透率降低達(dá) 50.0%。因此，膨脹劑M－1的膨脹性能基本沒(méi)有延續(xù)性，而緩釋膨脹劑LQ－1有較好的延續(xù)性，起到一定的長(zhǎng)效封固作用。

2.3 抗壓強(qiáng)度與膠結(jié)強(qiáng)度

膨脹劑在水泥水化反應(yīng)時(shí)，因膨脹是在有限空間內(nèi)進(jìn)行，所產(chǎn)生的化學(xué)預(yù)應(yīng)力可增強(qiáng)界面膠結(jié)強(qiáng)度并在一定程度上改善水泥石的結(jié)構(gòu)，提高固井質(zhì)量?？疾鞊饺肱蛎泟㎝－1和緩釋膨脹劑LQ－1的水泥石92℃養(yǎng)護(hù)不同齡期后的抗壓強(qiáng)度和膠結(jié)強(qiáng)度，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 加入不同膨脹劑的水泥石抗壓強(qiáng)度和膠結(jié)強(qiáng)度

由表4看出，加入膨脹劑的兩組水泥石的膠結(jié)強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度比空白均提高，加入膨脹劑M－1的水泥石由于膨脹率較大，其膠結(jié)強(qiáng)度較高，但膨脹應(yīng)力過(guò)大導(dǎo)致水泥石結(jié)構(gòu)較疏松，抗壓強(qiáng)度提高較少。加入緩釋膨脹劑LQ－1的水泥石雖然膨脹應(yīng)力的釋放比M－1的小，導(dǎo)致膠結(jié)強(qiáng)度比M－1的低，但水泥石結(jié)構(gòu)致密，抗壓強(qiáng)度高。

2.4 配伍性

隨著油氣開(kāi)采難度的加大，大批深井和超深井已成為增儲(chǔ)上產(chǎn)的主要來(lái)源。井深的加大導(dǎo)致封固段面臨的地層復(fù)雜性也加大，油井水泥體系也隨之復(fù)雜，對(duì)油井水泥添加劑間配伍性要求也越來(lái)越高。在90℃和45 MPa下，分別用2種勝利油田常用固井水泥配方加入緩釋膨脹劑LQ－1進(jìn)行稠化實(shí)驗(yàn)，其中，配方a為:嘉華G級(jí)油井水泥 +5.0%微硅 +1.5%分散劑 SWJZ －1+1.5%降失水劑SZ1－2+3.0%緩釋膨脹劑LQ－1+0.5%緩凝劑 BXR －200L，水灰比:0.46∶1;配方 b為:嘉華G級(jí)油井水泥+5.0%微硅+1.2%分散劑SXY+1.0%降失水劑SWJ－1+3.0%緩釋膨脹劑LQ－1+0.5%緩凝劑BXR－200L，水灰比:0.46∶1。結(jié)果見(jiàn)圖 1 和圖2。

圖1 配方a水泥漿的稠化曲線(xiàn)

從圖1和圖2看出，配方a和配方b的水泥漿在配制過(guò)程中均未發(fā)現(xiàn)明顯的絮狀團(tuán)塊物質(zhì)的存在，漿體流動(dòng)性能良好。在中溫高壓稠化過(guò)程中亦無(wú)絮凝、閃凝等現(xiàn)象發(fā)生，稠化曲線(xiàn)穩(wěn)定。因此，緩釋膨脹劑LQ－1和其他油井水泥添加劑配伍性良好。

圖2 配方b水泥漿的稠化曲線(xiàn)

3 結(jié)論

1)通過(guò)溶劑蒸發(fā)法制備了一種緩速釋放的油井水泥用膨脹劑LQ－1。

2)該緩釋膨脹劑LQ－1在有效減緩膨脹應(yīng)力釋放的同時(shí)，可提高水泥石第一界面膠結(jié)強(qiáng)度100%以上，提高水泥石抗壓強(qiáng)度20%左右，并具有一定的長(zhǎng)期釋放效果。緩釋膨脹劑LQ－1配伍性良好，對(duì)水泥漿稠化無(wú)不良影響。

［1］劉崇建，黃柏宗.油氣井注水泥理論與應(yīng)用［M］.北京:石油工業(yè)出版社，2001:526.

［2］陳大鈞，陳馥.油氣田應(yīng)用化學(xué)［M］.北京:石油工業(yè)出版社，2006:435.

［3］關(guān)輝，巴恒靜.氯鎂氧水泥基材料干燥收縮的研究［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，31(2):55 －57.