一種能改善鹽巖層固井膠結(jié)質(zhì)量的飽和鹽水膠乳水泥漿體系的研制

許明標(biāo)，王曉亮

（長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢430100）

姜智博

（中海油研究總院，北京100028）

鹽巖的性質(zhì)決定了鹽膏層固井作業(yè)的難點(diǎn)。引起鹽巖層固井膠結(jié)質(zhì)量問(wèn)題的原因主要包含：①鹽巖層的塑性變形和蠕變流動(dòng)，易造成井眼不規(guī)則，套管下入、居中困難，水泥環(huán)厚薄不均，不利于界面膠結(jié)；②封固鹽膏層特別是復(fù)合鹽膏層時(shí)，鹽的溶解不僅會(huì)對(duì)水泥漿的性能產(chǎn)生影響，且影響膠結(jié)面的穩(wěn)定；③鹽膏層中通常會(huì)含有一定量的石膏層和鈣芒硝，其在注替水泥漿過(guò)程中會(huì)發(fā)生溶解膨脹，影響水泥漿膠結(jié)性能。針對(duì)鹽巖層固井問(wèn)題，構(gòu)建一套能改善壁面膠結(jié)質(zhì)量的飽和鹽水水泥漿體系是解決問(wèn)題的有效途徑。膠乳能夠有效改善水泥環(huán)與套管、地層間的膠結(jié)質(zhì)量［1］，所以優(yōu)選抗鹽膠乳，構(gòu)建一套飽和鹽水膠乳水泥漿體系，有利于改善水泥漿與鹽巖層的膠結(jié)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)巖鹽地層有效封固。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

抗鹽丁苯膠乳；H21L緩凝劑；CG88L聚合物降失水劑；MX空隙支撐劑；高抗硫G級(jí)油井水泥；淡水；CX601L消泡劑；CF44L分散劑。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

高溫高壓稠化儀；常壓稠化儀；高溫高壓水泥漿失水儀；高溫高壓養(yǎng)護(hù)釜；多功能壓力試驗(yàn)機(jī)；六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)；壁面剪切拉伸試驗(yàn)儀CK－Ⅱ。

1.3 試驗(yàn)方法

水泥漿評(píng)價(jià)試驗(yàn)按照ISO10426—2003標(biāo)準(zhǔn)；壁面剪切拉伸試驗(yàn)儀CK－Ⅱ?yàn)樽灾品菢?biāo)儀器，剪切強(qiáng)度與拉伸強(qiáng)度測(cè)試主要參照壁面剪切拉伸試驗(yàn)儀CK－Ⅱ操作標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

2 抗鹽膠乳水泥漿體系的構(gòu)建

2.1 抗鹽膠乳優(yōu)選

膠乳是由粒徑為0.05～0.5μm的微小聚合物粒子在乳液中形成的懸浮體系。在壓差作用下，水泥漿中的膠乳粒子會(huì)在水泥顆粒間、膠結(jié)面上聚集成膜，一方面能夠降低水泥石滲透率，另一方面能夠有效提高界面的膠結(jié)質(zhì)量［2］。

抗鹽膠乳水泥漿主要應(yīng)用于巨厚鹽膏層固井，固井過(guò)程中，地層鹽巖的鹽溶將直接影響固井水泥漿的性能。從安全性能方面考慮，抗鹽膠乳水泥漿體系須滿足飽和鹽水配漿要求。

收集了目前國(guó)內(nèi)外性能良好的抗鹽膠乳，展開篩選試驗(yàn)。篩選試驗(yàn)水泥漿配方：100%高抗硫G級(jí)油井水泥＋45%飽和鹽水＋5%CG88L降失水劑＋3%抗鹽膠乳＋0.4%H21L緩凝劑＋0.3%CF44L分散劑＋0.5%X66L消泡劑（密度1.90g／cm3）（配方中的百分?jǐn)?shù)為質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同），評(píng)價(jià)結(jié)果如表1所示。在飽和鹽水水泥漿中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%膠乳，除WH－1外均能配制成飽和鹽水膠乳水泥漿，其中效果相對(duì)較好的是 D600L、SD－60L和 GRI－T。綜合水泥漿抗壓強(qiáng)度、失水量以及稠化性能比較，選擇GR1－T抗鹽膠乳。GR1－T抗鹽膠乳加入聚合物水泥漿中后，能夠進(jìn)一步降低飽和鹽水水泥漿失水而對(duì)水泥漿的稠化時(shí)間以及抗壓強(qiáng)度基本無(wú)影響。分析其原因，GR1－T抗鹽膠乳表現(xiàn)出良好的抗鹽性，能夠均勻分散于鹽水水泥漿顆粒間，壓差存在下，能夠有效充填于顆粒間隙中，增加濾餅致密性，降低水泥漿失水量［2］。

表1 加入不同膠乳后水泥漿物理性能

表2 GR1－T膠乳與CG88L聚合物加量變化對(duì)水泥漿性能影響

表3 MX質(zhì)量分?jǐn)?shù)與水泥漿物理性能影響

2.2 聚合物降失水劑與抗鹽膠乳復(fù)合使用對(duì)水泥漿性能影響

經(jīng)過(guò)篩選評(píng)價(jià)，優(yōu)選高碳鏈、帶有磺酸結(jié)構(gòu)單元的AMPS類聚合物CG88L作為水泥漿體系降失水劑，該聚合物具有溶液黏度高，抗鹽、抗高溫的特點(diǎn)。室內(nèi)考察了聚合物降失水劑與抗鹽膠乳復(fù)合作用下水泥漿的性能變化。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)：①CG88L聚合物降失水劑具有較好的抗鹽性，能有效控制飽和鹽水水泥漿體系的濾失性能。在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時(shí)，飽和鹽水水泥漿失水量能夠控制在50mL以下，自由液為零；②膠乳加入水泥漿中有利于降低水泥漿失水量和自由液量；③當(dāng)聚合物降失水劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時(shí)，膠乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)5%配制出的過(guò)飽和鹽水水泥漿稍稠，膠乳量不易繼續(xù)增大；④隨著聚合物降失水劑和膠乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，水泥石的強(qiáng)度均有下降的趨勢(shì)，考慮到巨厚鹽膏層固井對(duì)水泥石早期強(qiáng)度要求較高，膠乳以及降失水劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在6%以內(nèi)較好。

2.3 MX空隙支撐劑對(duì)水泥漿性能影響

MX空隙支撐劑為超細(xì)二氧化硅與蒸餾水經(jīng)特殊工藝1∶1混合而成的懸濁液，其平均粒徑小于1μm，能分散于水泥顆粒間隙，有利于提高水泥石致密性和抗壓強(qiáng)度。室內(nèi)對(duì)MX質(zhì)量分?jǐn)?shù)與水泥漿強(qiáng)度性能的關(guān)系進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)果如表3所示。MX能夠顯著提高飽和鹽水水泥漿的抗壓強(qiáng)度，且質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)3%時(shí)，MX具有輔助降失水作用。此外，隨著MX質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，水泥漿稠化時(shí)間明顯縮短，水泥漿黏度呈增大趨勢(shì)，為避免MX增稠水泥漿，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)控制在4%～6%。

2.4 分散劑對(duì)水泥漿性能影響

新配制飽和鹽水水泥漿會(huì)表現(xiàn)較強(qiáng)的觸變性，這需要添加分散劑來(lái)改善水泥漿流變性，通過(guò)選取適當(dāng)?shù)姆稚芨纳扑嘟Y(jié)構(gòu)的均勻性，使水泥漿體達(dá)到最佳分散效果。表4為分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)與水泥漿流變性能變化表?？梢娍闯?，隨CF44L質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，水泥漿靜凝膠強(qiáng)度逐漸減小，水泥漿黏度降低，說(shuō)明CF44L有著良好的分散效果和抗鹽性，能夠滿足飽和鹽水水泥漿改善水泥漿流變性的要求。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)上看，CF44L分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在1.0%較好，超過(guò)1.0%后對(duì)水泥漿流變性能改善效果有限。

表4 CF44L質(zhì)量分?jǐn)?shù)與水泥漿流變性變化

表5 緩凝劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)與水泥漿稠化時(shí)間

2.5 緩凝劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)水泥漿稠化時(shí)間的影響

緩凝劑主要用來(lái)調(diào)節(jié)水泥漿的稠化時(shí)間，保證固井施工的安全性［3］。一種性能良好的緩凝劑其質(zhì)量分?jǐn)?shù)與延長(zhǎng)稠化時(shí)間具有線性關(guān)系，一方面方便現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)水泥漿稠化時(shí)間，另一方面能夠避免復(fù)雜情況影響現(xiàn)場(chǎng)固井作業(yè)。試驗(yàn)結(jié)果如表5所示，隨著緩凝劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，水泥漿稠化時(shí)間能夠有效延長(zhǎng)。

3 抗鹽膠乳水泥漿體系性能評(píng)價(jià)

表6 溫度對(duì)水泥漿稠化時(shí)間的影響

3.1 溫度對(duì)水泥漿稠化性能影響

水泥漿配方：100%高抗硫G級(jí)油井水泥＋45%飽和鹽水＋5%CG88L降失水劑＋3%抗鹽膠乳＋H21L緩凝劑（根據(jù)需要添加）＋1%CF44L分散劑＋0.5%X66L消泡劑。試驗(yàn)結(jié)果如表6所示，同配方水泥漿在不同溫度下，通過(guò)適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)緩凝劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)都能獲得適當(dāng)?shù)某砘瘯r(shí)間，說(shuō)明水泥漿體系具有廣泛的溫度適應(yīng)性。

3.2 溫度對(duì)水泥石與模擬地層膠結(jié)強(qiáng)度影響

水泥石與模擬地層（配方：100%硅酸鹽水泥＋100%工業(yè)氯化鈉（40～100目）＋適量淡水，固化成型后在相應(yīng)的試驗(yàn)溫度下養(yǎng)護(hù)48h。）膠結(jié)面以及水泥石與套管壁膠結(jié)面強(qiáng)度的大小直接關(guān)系到鹽膏層固井質(zhì)量。室內(nèi)對(duì)水泥石的膠結(jié)性能測(cè)試主要通過(guò)長(zhǎng)江大學(xué)自行研制的壁面剪切拉伸試驗(yàn)儀CK－Ⅱ來(lái)測(cè)定。膠結(jié)面的剪切強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度越大，膠結(jié)面的膠結(jié)質(zhì)量越好（圖1～4）。

圖1 剪切試驗(yàn)?zāi)M地層

圖2 拉伸試驗(yàn)?zāi)M地層

圖3 水泥漿與模擬地層膠結(jié)情況

圖4 膠結(jié)面被拉開后的情況

由表7試驗(yàn)結(jié)果可見：①加入膠乳后水泥石抗壓強(qiáng)度有一定的下降，但水泥漿與模擬鹽巖層的膠結(jié)強(qiáng)度是明顯增大的，說(shuō)明膠乳的加入能夠有效提高壁面膠結(jié)強(qiáng)度；②隨著養(yǎng)護(hù)溫度升高，水泥石的抗壓強(qiáng)度逐漸增大，相應(yīng)水泥石與模擬地層的膠結(jié)面的剪切強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度都呈現(xiàn)明顯增大趨勢(shì)，說(shuō)明養(yǎng)護(hù)溫度越高，越有利于水泥漿與模擬鹽巖層的膠結(jié)。

表7 不同養(yǎng)護(hù)溫度下水泥石強(qiáng)度及其與模擬地層膠結(jié)強(qiáng)度

3.3 養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)水泥石膠結(jié)性能影響

由表8可見：①隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間延長(zhǎng)，水泥石的抗壓強(qiáng)度呈增大趨勢(shì)，養(yǎng)護(hù)7d后，水泥石的抗壓強(qiáng)度增幅變緩；②隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間延長(zhǎng)，水泥石與模擬地層膠結(jié)面的剪切強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度都呈增大趨勢(shì)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間越長(zhǎng)膠結(jié)強(qiáng)度越大。良好的膠結(jié)強(qiáng)度完全能夠保證水泥漿對(duì)巨厚鹽膏層的封固效果。

表8 養(yǎng)護(hù)時(shí)間與水泥石抗壓強(qiáng)度和膠結(jié)強(qiáng)度

表9 水泥石抗壓強(qiáng)度和膠結(jié)強(qiáng)度對(duì)比

3.4 水泥石力學(xué)性能與常規(guī)水泥漿性能對(duì)比

以現(xiàn)場(chǎng)水泥漿配方作為參照對(duì)象，進(jìn)行了水泥石力學(xué)性能對(duì)比，結(jié)果如表9所示。在水泥漿稠化時(shí)間和抗壓強(qiáng)度相差不大的情況下，對(duì)2種配方水泥漿進(jìn)行了膠結(jié)剪切強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示2＃飽和鹽水膠乳水泥漿的膠結(jié)剪切強(qiáng)度較1＃配方增加了22.5%，剪切強(qiáng)度增加了23.7%。說(shuō)明飽和鹽水膠乳水泥漿具有較好的膠結(jié)強(qiáng)度。

4 結(jié)論

1）通過(guò)試驗(yàn)優(yōu)選出能在飽和鹽水中很好分散的抗鹽膠乳GR1，配合CG88L降失水劑使用具有良好的降失水作用。

2）MX空隙支撐劑作為微納米材料能夠很好地分散于水泥漿顆粒間，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)在3%以上能夠明顯改善飽和鹽水水泥石的抗壓強(qiáng)度。

3）飽和鹽水水泥漿需要抗鹽性較好的分散劑來(lái)改善水泥漿的流變性，CF44L能夠很好地改善鹽水水泥漿的流變性，降低水泥漿靜凝膠強(qiáng)度，研究發(fā)現(xiàn)加入適當(dāng)?shù)姆稚┯兄诮档望}水水泥漿失水量。

4）各添加劑材料搭配使用具有良好協(xié)同效果，所構(gòu)建飽和鹽水膠乳水泥漿體系具有廣泛的溫度適應(yīng)性，在50～100℃范圍具有良好的稠化性能。

5）通過(guò)對(duì)水泥漿與模擬鹽巖地層的膠結(jié)試驗(yàn)評(píng)價(jià)研究發(fā)現(xiàn)，膠乳水泥漿相對(duì)聚合物水泥漿具有更好的膠結(jié)性能，能夠明顯改善水泥漿與模擬鹽巖層的膠結(jié)質(zhì)量，養(yǎng)護(hù)溫度升高、養(yǎng)護(hù)時(shí)間延長(zhǎng)都有利于增大膠結(jié)強(qiáng)度。

［1］彭雷，許明標(biāo).鹽膏層固井用抗溫抗鹽低濾失聚合物鹽水水泥漿體系研究 ［J］.石油天然氣學(xué)報(bào)（江漢石油學(xué)院學(xué)報(bào)），2008，30（2）：550～552.

［2］張弛，劉碩瓊，徐明，等.低溫膠乳鹽水水泥漿體系研究與應(yīng)用 ［J］.鉆井液與完井液，2013，30（2）：63～68.