油井水泥自修復(fù)劑L－1的制備與評(píng)價(jià)

雷鑫宇，于小榮，鄭 勇，楊世杰，王 林，陳 爽

(1.中國(guó)科學(xué)院成都有機(jī)化學(xué)有限公司，成都 610041;2.西南石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，成都 610500;3.中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)事業(yè)部，天津 塘沽 300452;4.中國(guó)石油長(zhǎng)城鉆探鉆井液公司，遼寧 盤錦 124010)

長(zhǎng)期的油井建設(shè)與油氣開采經(jīng)驗(yàn)表明，固井水泥環(huán)在外力作用下受損是導(dǎo)致封隔質(zhì)量降低的主要原因。常規(guī)的解決方案有擠水泥，補(bǔ)注水泥或二次固井，但其成本極高，嚴(yán)重影響生產(chǎn)進(jìn)度，且成功率十分有限［1－2］。低風(fēng)險(xiǎn)，低成本，且無(wú)需關(guān)井停產(chǎn)的水泥環(huán)自修復(fù)技術(shù)研究，成為近年來(lái)固井行業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)［3－4］。

MgO是常用的微膨脹材料。其在水泥水化過(guò)程中與水反應(yīng)可轉(zhuǎn)變?yōu)轶w積更大的Mg(OH)2，抵消水泥環(huán)的體積收縮［5］。根據(jù)這一特點(diǎn)，可制備響應(yīng)膨脹型的自修復(fù)劑，利用微膨脹的晶格擴(kuò)張作用，修復(fù)水泥環(huán)損傷。然而，目前市售的單膨脹MgO響應(yīng)速度過(guò)快，僅能在水泥水化反應(yīng)早期反應(yīng)，不能在水泥環(huán)受損后也同樣發(fā)揮效果。因此，需對(duì)單膨脹MgO進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)，使其部分鈍化，避免在水泥水化早期全部反應(yīng)，達(dá)到水泥環(huán)受損后再響應(yīng)滲入水而釋放膨脹應(yīng)力的目的。

筆者曾用溶劑蒸發(fā)法制備了微膠囊型自修復(fù)劑和緩釋膨脹劑，效果較好［6－7］。為避免使用有機(jī)溶劑，降低成本，現(xiàn)改用物理的方法改性膨脹劑，即高溫煅燒鎂鹽，鈍化其活性，再經(jīng)復(fù)配得油井水泥自修復(fù)劑。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

菱鎂鹽M－1，南京科瑞瑪科技有限公司;嘉華G級(jí)油井水泥，四川嘉華集團(tuán)股份有限公司;微硅JM－1，成都嘉茂化工有限公司;酮醛縮合型分散劑SXY、改性纖維素型降失水劑SZ1－2，西南石大金牛石油科技有限公司;膨脹劑SWP－1，山東沃爾德油田技術(shù)有限公司。所用試劑均為工業(yè)品。

X’Pert MPD PRO型X－射線衍射儀，荷蘭PANalytical公司;NYL－300型壓力實(shí)驗(yàn)機(jī)，中國(guó)建材技術(shù)裝備總公司;XTA－7000型巖心流動(dòng)儀，江蘇海安石油科研儀器有限公司;LX－88型高速離心機(jī)，江蘇省金壇市醫(yī)療儀器廠;OWC－2250B型常壓稠化儀，沈陽(yáng)石油儀器研究所有限責(zé)任公司;馬弗爐等。

1.2 自修復(fù)劑L－1的制備

1.2.1 二次微膨材料YT的制備

在養(yǎng)護(hù)釜中于90℃、常壓下，用去離子水?dāng)嚢枵糁罅怄V鹽12 h，待蒸煮的懸濁液冷卻、離心和沉淀后，濾除上層液體，將剩余物用去離子水洗滌，于90℃烘干得到預(yù)處理微膨材料Y。取適量預(yù)處理微膨材料，分別于 750，800，850，900，950，1000℃煅燒，得到輕燒鎂鹽微膨材料YT(750～1000℃)，加入水泥漿，常壓下于90℃養(yǎng)護(hù)1～28 d，測(cè)試線性膨脹率［8］。

1.2.2 自修復(fù)劑Lx的復(fù)配

根據(jù)1.2.1中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，按質(zhì)量比為3∶7，5∶5和 7∶3復(fù)配微膨材料 Y800和 Y900，得自修復(fù)劑Lx，按照文獻(xiàn)［9］方法測(cè)試造縫后繼續(xù)養(yǎng)護(hù)相應(yīng)齡期的抗壓強(qiáng)度，得出最優(yōu)的自修復(fù)劑配方。

1.3 自修復(fù)性能評(píng)價(jià)

滲透率參照文獻(xiàn)［7］進(jìn)行。刮取造縫養(yǎng)護(hù)7 d后水泥石人造裂縫表面的水泥粉末，用X射線衍射(XRD)分析其組成。

2 結(jié)果與討論

2.1 自修復(fù)劑配方的優(yōu)化

2.1.1 二次微膨材料YT的優(yōu)選

按1.2.1 制得YT，加入水泥漿，其配方:嘉華G 級(jí)水泥 +5%WG+1.2%SXY+1.5%SZ1 －2+2%YT;水灰比:0.46，常壓下于90℃養(yǎng)護(hù)1～28 d，測(cè)試線性膨脹率見(jiàn)表1。

表1 YT的線性膨脹率

由表1可見(jiàn)，YT的線性膨脹率受溫度影響較大，隨著溫度逐漸升高，YT的活性逐漸鈍化，Y750和Y800的活性較高，宜作為快速微膨材料。其余幾種微膨材料膨脹率適中，且均是在3 d后解除鈍化效果，可作為二次微膨材料。其原因是:隨著溫度升高，鎂鹽熱分解形成的MgO立方晶格的晶格畸變變小，晶粒度變大，活性降低［10］。

自修復(fù)材料既需快速微膨提高早期強(qiáng)度，又需解除鈍化二次膨脹時(shí)活性不可太低，綜合考慮，復(fù)配選用Y800和Y900可得到比較理想的自修復(fù)劑。

2.1.2 自修復(fù)劑最優(yōu)配方

不同質(zhì)量比Y800和Y900復(fù)配，加入水泥漿，其配方為:嘉華G級(jí)水泥+5%WG+1.2%SXY+1.5%SZ1－2+2%(YT或 SWP－1);水灰比為0.46，常壓下于90℃養(yǎng)護(hù)1～28 d，測(cè)試造縫后繼續(xù)養(yǎng)護(hù)相應(yīng)齡期的抗壓強(qiáng)度，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 自修復(fù)劑對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

由表2可見(jiàn)，不加微膨材料的凈漿水泥石強(qiáng)度始終較低;加入膨脹劑SWP－1的水泥石在其早期膨脹作用下強(qiáng)度發(fā)育較快，但7 d后強(qiáng)度幾乎不再增加;復(fù)配的YT由于二次微膨材料的內(nèi)向作用，抗壓強(qiáng)度在造縫后繼續(xù)增加。調(diào)整YT的比例，可得到各種自修復(fù)劑。選用強(qiáng)度較高且強(qiáng)度發(fā)育均勻的Y2作自修復(fù)劑，代號(hào)L－1。

2.2 自修復(fù)性能評(píng)價(jià)

2.2.1 滲透率

由于L－1的二次微膨作用，造縫水泥石的裂縫出現(xiàn)受到擠壓而部分閉合，滲透率明顯降低。滲透率測(cè)試方法參照文獻(xiàn)［7］進(jìn)行，嘉華G級(jí)水 +5%WG+1.2%SXY+1.5%SZ1 － 2+2%(L－1或 SWP －1);水灰比為 0.46，常壓下于90℃養(yǎng)護(hù)1～28 d，自修復(fù)劑對(duì)人造裂縫后水泥石滲透率的影響見(jiàn)表3。

表3 自修復(fù)劑對(duì)人造裂縫后水泥石滲透率的影響

由表3可見(jiàn)，凈漿水泥石的滲透率始終＞100 mD，表明其裂縫無(wú)閉合現(xiàn)象;加入SWP－1的水泥石的裂縫僅僅在其早期膨脹性的作用下有輕微閉合;加入L－1的水泥石的滲透率在養(yǎng)護(hù)7 d后下降至67.94 mD，滲透率降低率超過(guò)30%，自修復(fù)效果較為顯著。

2.2.2 用XRD分析其膨脹機(jī)理

加入不同自修復(fù)劑的水泥石造縫后水化反應(yīng)產(chǎn)物的物相組成有一定差異。通過(guò)刮取造縫養(yǎng)護(hù)7 d后水泥石人造裂縫表面的水泥石粉末，用XRD分析其組成，可分析膨脹機(jī)制不同的原因。不同水泥石人造裂縫表面刮取的水泥粉末的XRD見(jiàn)圖1～圖2。

圖1 加入SWP－1的水泥石XRD光譜

圖2 加入自修復(fù)劑L－1的水泥石XRD光譜

由圖1可見(jiàn)，其中只有Mg(OH)2，已無(wú)可提供膨脹應(yīng)力的膨脹源;而圖2中還有未反應(yīng)的MgO存在，即為其產(chǎn)生自修復(fù)現(xiàn)象的原因。

3 結(jié)論

1)通過(guò)高溫煅燒和復(fù)配，制備了油井水泥自修復(fù)劑 L －1，m(Y800)∶m(Y900)為5∶5，其自修復(fù)性能最好。

2)L－1通過(guò)二次微膨的內(nèi)向作用，可擠壓閉合微裂縫，降低水泥石滲透率。

3)XRD分析表明，鈍化的MgO是產(chǎn)生自修復(fù)現(xiàn)象的原因。

［1］楊振杰，馬成云，朱海濤，等.自修復(fù)固井前置液實(shí)驗(yàn)研究［J］.鉆井液與完井液，2013，30(2):55 －58.

［2］陳大鈞，雷鑫宇，李芹，等.雙重強(qiáng)化界面膠結(jié)強(qiáng)度技術(shù)［J］.鉆井液與完井液，2014，31(1):57 －59.

［3］趙寶輝，鄒建龍，劉愛(ài)萍，等.水泥基材料微裂縫自修復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展［J］.鉆井液與完井液，2011，28(S):59 －62.

［4］唐欣，楊遠(yuǎn)光.自修復(fù)水泥:解決油氣井泄露的新技術(shù)［J］.國(guó)外油田工程，2008，24(1):43 －46.

［5］劉崇建，黃柏宗，徐同臺(tái)，等.油氣井注水泥理論與應(yīng)用［M］.北京:石油工業(yè)出版社，2001:189－192.

［6］雷鑫宇，陳大鈞，李小可，等.油井水泥緩釋自修復(fù)技術(shù)研究［J］.鉆井液與完井液，2013，30(5):60 －62.

［7］雷鑫宇，李芹，楊武，等.緩釋膨脹劑LQ－1的室內(nèi)研究與性能評(píng)價(jià)［J］.精細(xì)石油化工進(jìn)展，2013，14(6):32 －34.

［8］雷鑫宇，張直建，焦利賓，等.新型膠乳的合成及其在實(shí)心低密度水泥中的應(yīng)用研究［J］.精細(xì)石油化工進(jìn)展，2014，15(3):1－3.

［9］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):170 －172.

［10］李紅，鄧敏，莫立武.不同活性氧化鎂膨脹劑對(duì)水泥漿體變形的影響［J］.南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2010，32(6):98－102.