膠乳水泥在大位移井中的性能①

張直建 雷鑫宇,2 杜紫誠(chéng) 曹成章 李文濤 陳大鈞

(1.西南石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 2.中國(guó)科學(xué)院成都有機(jī)化學(xué)研究所)

(3.中國(guó)石化勝利油田鉆井工藝研究院 4.中國(guó)石油長(zhǎng)城鉆探鉆井液公司歡喜嶺項(xiàng)目部)

大位移井較大的井斜角對(duì)固井水泥漿設(shè)計(jì)帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)，具體表現(xiàn)在：水泥漿在大位移井中凝固時(shí)，易在環(huán)空上側(cè)形成游離液通道，同時(shí)由于重力作用，環(huán)空上下側(cè)容易形成密度差，使得環(huán)空上側(cè)形成的水泥石強(qiáng)度低、滲透率高，極易破碎而引發(fā)竄流，嚴(yán)重影響固井質(zhì)量以及后續(xù)增產(chǎn)作業(yè)[1-2]。目前，國(guó)內(nèi)外大位移井固井水泥漿體系研究方向主要集中在微膨水泥漿體系，其體積收縮量小，膠結(jié)強(qiáng)度高，但水泥環(huán)上下側(cè)質(zhì)量差異仍然明顯，韌性不足易受破壞[3-6]。

膠乳水泥穩(wěn)定性好，水泥石的抗拉強(qiáng)度和韌性高，失水量和滲透率低，彌補(bǔ)了微膨水泥的缺陷，具備解決大位移井固井技術(shù)難點(diǎn)的潛力。采用新型膠乳BCT-800L，設(shè)計(jì)了一種零析水、高強(qiáng)度以及防竄性能良好的大位移井膠乳水泥配方，利用三軸巖石力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)和環(huán)境掃描電子顯微鏡研究了膠乳水泥石(上、下側(cè))的力學(xué)形變行為以及微觀形貌[7-8]，并對(duì)膠乳改善大位移井水泥石性能的機(jī)理進(jìn)行了初步分析。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

Quanta450型環(huán)境掃描電子顯微鏡(美國(guó)FEI公司)；RTR-1000型三軸巖石力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)(美國(guó)GCTS公司)；立式巖石鉆樣機(jī)(姜堰市星光機(jī)電設(shè)備廠)；傾角可調(diào)式恒溫養(yǎng)護(hù)箱(實(shí)驗(yàn)室自制)。

嘉華G級(jí)高抗硫油井水泥；分散劑SWJZ-1，膨脹劑SWP-1；微硅；降失水劑SZ1-2；膠乳BCT-800L，消泡劑D50等。

1.2 實(shí)驗(yàn)配方

微膨水泥基礎(chǔ)配方：G級(jí)水泥+5%(w)微硅+0.8%(w)SWJZ-1+1.2%(w)SZ1-2+2%(w)SWP-1+0.1%D50；W/C=0.44

膠乳水泥基礎(chǔ)配方：G級(jí)水泥+5%(w)微硅+0.8%(w)SWJZ-1+1.2%(w)SZ1-2+7%(w)BCT-800L+0.1%(w)D50；W/C=0.44

1.2.1基礎(chǔ)配方基本性能

基礎(chǔ)配方基本性能見(jiàn)表1。

表1 基本性能測(cè)試結(jié)果

由表1可以看出，膠乳水泥各項(xiàng)性能明顯優(yōu)于微膨水泥，具有早期強(qiáng)度高、失水量和滲透率低等優(yōu)良特性。實(shí)驗(yàn)中將模擬大位移井特殊井況，進(jìn)一步對(duì)配方進(jìn)行研究與優(yōu)化。

1.2.2基礎(chǔ)配方析水與沉降穩(wěn)定性研究

析水與沉降穩(wěn)定性是衡量大位移井固井液質(zhì)量好壞的重要指標(biāo)，同時(shí)井傾角對(duì)析水與沉降穩(wěn)定性影響較大，因此選擇從0°～90°調(diào)整養(yǎng)護(hù)箱傾角，測(cè)試兩種水泥配方的析水與沉降穩(wěn)定性，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 析水與沉降穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表2可以看出：當(dāng)井斜角為45°時(shí)，微膨和膠乳兩種水泥體系的析水和水泥石上下側(cè)密度差值均達(dá)到最大，說(shuō)明漿體穩(wěn)定性最差。因此，為了更加真實(shí)地模擬大位移井實(shí)際情況及配方實(shí)用性，最終選擇45°井傾斜角進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)研究。

1.2.3優(yōu)化后水泥配方性能比較

調(diào)節(jié)養(yǎng)護(hù)箱的傾角為45°，于70 ℃常壓養(yǎng)護(hù)成模。用巖心取心機(jī)分別在水泥石試樣的上下側(cè)取心，測(cè)試其力學(xué)強(qiáng)度和滲透率，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 水泥石性能比較

由表3可以看出：優(yōu)化后，兩種水泥的性能都有了明顯的改善。在45°井傾斜角時(shí)，膠乳無(wú)論是上側(cè)還是下側(cè)水泥石比微膨上下側(cè)水泥石均具有更高的早期抗壓強(qiáng)度。同時(shí)，膠乳上下側(cè)水泥石的強(qiáng)度差異以及密度差也明顯小于微膨水泥石，而且在凝固后膠乳水泥石也沒(méi)有明顯的竄槽痕跡，優(yōu)于微膨水泥。

1.2.3微觀分析

(1) 三軸力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。斜井由于具有很長(zhǎng)的大位移穩(wěn)斜段，其受力情況較直井復(fù)雜很多，普通壓力機(jī)僅能從單軸條大位件下研究水泥石的力學(xué)性能，忽略了井下環(huán)境對(duì)水泥石力學(xué)性能的影響。三軸力學(xué)實(shí)驗(yàn)可從三維方向進(jìn)行壓力載荷，可全面評(píng)價(jià)水泥石的塑性、泊松比和彈性模量等性能，對(duì)預(yù)測(cè)大位移井水泥環(huán)在復(fù)雜的地層應(yīng)力變化和增產(chǎn)改造措施影響下的力學(xué)行為有較好的參考價(jià)值[7]。

在圍壓20 MPa，70 ℃，加載速度2 kN/min的條件下，測(cè)試上下側(cè)水泥石的三軸力學(xué)曲線，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖1。

由圖1可以看出，在加載初期，應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本上呈直線,但隨著應(yīng)力的增加水泥石應(yīng)變也在逐漸的增大，曲線曲率也隨之增大，偏離直線方向；在加壓后期，即在高壓下，膠乳水泥無(wú)論是上側(cè)還是下側(cè)水泥石均較微膨水泥表現(xiàn)出更好的塑性形變能力。例如：同樣在50 MPa應(yīng)力值下，膠乳上下側(cè)水泥石的應(yīng)變分別為5.85%和2.84%，而微膨上下側(cè)水泥石的應(yīng)變分別為1.06%和0.86%。這都說(shuō)明,膠乳水泥石比微膨水泥石具有更好的形變能力，有助于提高水泥環(huán)承受大位移井井下復(fù)雜應(yīng)力變化的能力。

(2) SEM實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。為了更加清楚、形象地了解水泥石內(nèi)部微觀形貌以及評(píng)價(jià)水泥石內(nèi)部的宏觀力學(xué)性能，對(duì)水泥石進(jìn)行了掃描電子顯微鏡實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖2和圖3。

由圖2和圖3可知，微膨水泥上下側(cè)水泥石差異顯著大于膠乳水泥。微膨水泥上側(cè)水泥石中有明顯的細(xì)微空洞，而下側(cè)水泥石則較為致密；膠乳水泥上下側(cè)水泥石微觀形貌并無(wú)明顯差異，均比較致密；膠乳微粒均勻分布于水泥石中，與水泥水化產(chǎn)物相互結(jié)合，形成連續(xù)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，相互交織在一起，對(duì)水泥的塑性起著積極的作用，有利于提高水泥石的抗拉強(qiáng)度，同時(shí)也降低了水泥石的滲透率，能有效地防止油氣、水竄的發(fā)生。

3 膠乳作用機(jī)理分析

(1) 膠乳高分子加入水泥中后，能滲入微觀缺陷處，轉(zhuǎn)變膠結(jié)方式為“基底膠結(jié)”，大大改善了水泥石的微觀結(jié)構(gòu)，使水泥石力學(xué)性能提高。

(2) 膠乳微粒能均勻地充填于水泥顆粒中間，增大顆粒運(yùn)移的阻力。同時(shí)，膠乳本身也是一種降失水劑，能有效降低水泥漿的失水量，提高其穩(wěn)定性，減小水泥石上下側(cè)的密度差，使大位移井環(huán)空上下側(cè)水泥石更加均勻致密。

(3) 隨著水泥水化的進(jìn)行，膠粒聚集在水化水泥顆粒表面并形成連續(xù)的膜將水泥水化產(chǎn)物連接在一起，并形成一種由聚合物和水化產(chǎn)物相互滲透、復(fù)合的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，大大減小了水泥石的體積收縮，提高水泥漿/石的穩(wěn)定性。

4 結(jié) 論

(1) 調(diào)整優(yōu)化后的膠乳水泥配方析水為0%，水泥石上下側(cè)密度差異僅0.015 g/cm3，24 h抗壓強(qiáng)度分別為21.7 MPa和22.5 MPa，強(qiáng)度相差僅0.8 MPa，凝固后無(wú)明顯的竄槽，性能優(yōu)良，能很好地滿足大位移井施工。

(2) 膠乳通過(guò)膠結(jié)方式轉(zhuǎn)變，運(yùn)移阻滯和高分子網(wǎng)架成膜等機(jī)理，有效提高大位移井固井液的穩(wěn)定性，減小水泥環(huán)上下側(cè)差異，降低水泥石滲透率，提高水泥石的韌性，有效防止油氣、水竄的發(fā)生。

參考文獻(xiàn)

[1] 邱燮和,田中雨.膠乳水泥漿在普光氣田的應(yīng)用[J].鉆井液與完井液,2011,28(1):84-86.

[2] 馬超,趙林,周大林,等.抗溫防竄膠乳水泥漿體系的研制[J].天然氣工業(yè),2008,28(12):57-59.

[3] 陳大鈞,張直建,雷鑫宇,等.自愈合水泥在淺海固井中的應(yīng)用研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2013,13(24):7148-7151.

[4] 雷鑫宇,陳大鈞,張直建,等. 纖維-自修復(fù)水泥改善固井質(zhì)量研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2013,13(19):5597-5599.

[5] 李廣喜.側(cè)鉆井易鉆塞、微膨性堵劑的研制及應(yīng)用[J].石油與天然氣化工,2011,40(2):182-185.

[6] 楊立華,李早元,王小勇,等.長(zhǎng)慶安塞油田出水套損井封堵微膨脹水泥體系研究[J].石油與天然氣化工,2012,41(3):314-316.

[7] 張穎,陳大鈞,李競(jìng),等.膠乳水泥的原子力顯微結(jié)構(gòu)研究[J].鉆井液與完井液,2011,28(1):47-48.

[8] 王毅,陳大鈞,余志勇,等.水平井水泥石力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)[J].天然氣工業(yè),2012,32(10):62-64.