一種能有效保障井筒完整性的高強(qiáng)韌性水泥漿體系研究

許明標(biāo)，李路

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

武志強(qiáng)

(中海石油(中國(guó))有限公司北京研究中心，北京 100010)

王曉亮

(荊州嘉華科技有限公司，湖北 荊州 434000)

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一種能有效保障井筒完整性的高強(qiáng)韌性水泥漿體系研究

許明標(biāo)，李路

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

武志強(qiáng)

(中海石油(中國(guó))有限公司北京研究中心，北京 100010)

王曉亮

(荊州嘉華科技有限公司，湖北 荊州 434000)

固井后套管-水泥環(huán)-地層會(huì)形成一個(gè)膠結(jié)體，即固井屏障。固井屏障在油氣井生產(chǎn)過(guò)程中，要受到各種載荷的作用，會(huì)導(dǎo)致固井屏障密封系統(tǒng)失效。為保證井筒的完整性，目前主要的解決辦法是使用膠乳水泥漿體系，但是該體系有一個(gè)較大的缺點(diǎn)就是用量大、費(fèi)用高。室內(nèi)通過(guò)優(yōu)選增韌材料GBS-51，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2%～5%變化時(shí)，水泥漿性能能夠滿足常規(guī)固井作業(yè)的要求。為了能夠在有效保證固井屏障良好完整性的情況下，降低生產(chǎn)作業(yè)成本，將GBS-51與膠乳復(fù)配(其中膠乳僅起到偶聯(lián)劑的作用，用量較少)，成功構(gòu)建了一套高強(qiáng)韌性水泥漿體系，試驗(yàn)結(jié)果表明：該韌性水泥漿體系能夠有效地控制成本，且適用溫度范圍廣，可以滿足不同井底溫度的固井作業(yè)，形成的水泥石韌性以及其他物理特性優(yōu)良，有利于保障井筒完整性。

固井屏障；增韌材料；膠乳；固井水泥漿

如何提高井壁與套管間水泥環(huán)的密封質(zhì)量是固井工程長(zhǎng)期關(guān)注的問(wèn)題，固井水泥環(huán)的力學(xué)性能，關(guān)系到固井屏障的質(zhì)量和油氣井壽命。保證固井屏障完整性的關(guān)鍵是讓高強(qiáng)高韌性的水泥漿與套管壁和地層形成良好的膠結(jié)性，且能夠經(jīng)受住地層復(fù)雜環(huán)境的影響。相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，在水泥漿中加入適量的增韌材料對(duì)提高Ⅰ、Ⅱ界面的膠結(jié)性能有積極的作用，如果將增韌材料與膠乳復(fù)配，對(duì)于提高水泥石的物理特性以及井壁與套管間水泥環(huán)的密封性效果更加明顯。構(gòu)建一套高強(qiáng)韌性水泥漿體系是有效提高固井屏障油氣井Ⅰ、Ⅱ界面的膠結(jié)能力的關(guān)鍵。室內(nèi)對(duì)固井屏障完整性高強(qiáng)韌性水泥漿體系進(jìn)行了綜合性能評(píng)價(jià)，研究表明該水泥漿體系適用溫度范圍廣，可以滿足不同井底溫度的固井作業(yè)，且水泥石韌性以及其他物理特性優(yōu)良，能夠?yàn)樯a(chǎn)作業(yè)者節(jié)省不少的經(jīng)濟(jì)成本，這也與各個(gè)油氣田開(kāi)發(fā)作業(yè)者降本增效經(jīng)營(yíng)理念更加契合。

1　水泥漿配方設(shè)計(jì)

1.1水泥漿設(shè)計(jì)思路

目前固井常用且效果較好的增韌材料主要為膠乳，膠乳中高分散性彈韌性乳液顆粒是良好的防氣竄和增韌材料，然而當(dāng)膠乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大時(shí)才能使水泥石具有良好的韌性(質(zhì)量分?jǐn)?shù)通常要求10%以上)。如何在較低膠乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)下讓水泥漿獲得良好的韌性是該研究的重點(diǎn)。筆者認(rèn)為將膠乳作為偶聯(lián)劑，然后與增韌材料復(fù)配對(duì)于提升水泥石的力學(xué)性能以及降低生產(chǎn)成本具有積極的作用。

在水泥漿體系中的偶聯(lián)劑具有實(shí)時(shí)填充和封堵水泥石中細(xì)小孔隙與連通孔道的作用。在另外一種情況下，偶聯(lián)劑具有聯(lián)接和封閉水泥石中堆積顆粒之間的微細(xì)孔隙和縫隙的能力。普遍情況下，細(xì)小的物質(zhì)可以對(duì)顆粒堆積的孔隙進(jìn)行填充，但是顆粒解除面間的微細(xì)孔隙并沒(méi)有顆粒物質(zhì)可以進(jìn)行有效的封閉，特別是在像膠乳這樣的水泥漿體系中，常用膠乳一般由丁二烯和苯乙烯采用乳液聚合方式共聚而成，無(wú)論丁二烯還是苯乙烯或是由丁二烯與苯乙烯制備的聚丁二烯苯乙烯，都是親油疏水的化合物，具有強(qiáng)烈的親疏特征。在水泥漿的顆粒堆積中，與水泥顆粒具有不相容性，造成在2種物質(zhì)的接觸面上的明顯界線，二相接觸只是通過(guò)膠乳中穩(wěn)定性的微弱兼容聯(lián)接而產(chǎn)生作用，這嚴(yán)重地影響了膠乳性能的發(fā)揮；同時(shí)在這種情況下，還可能由于膠乳穩(wěn)定劑的性能和質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響使得水泥石的性能產(chǎn)生變差的趨勢(shì)，所以水泥漿體系中膠乳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)該給予控制，對(duì)于水泥石力學(xué)性能的提升必須另辟蹊徑。

1.2增韌材料對(duì)水泥漿物理性能的影響

增韌材料賦予油井水泥石一種韌性形變能力，它能夠增強(qiáng)水泥漿凝固后的膠結(jié)能力，同時(shí)增加水泥石抗沖擊破碎能力，但不同的增韌材料對(duì)水泥漿性能的影響會(huì)有不同，為了確定一種合適的水泥漿增韌材料，室內(nèi)對(duì)水泥漿基礎(chǔ)配方中加入不同增韌材料的物理特性進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1　不同增韌材料對(duì)水泥漿物理性能的影響

從表1列出的數(shù)據(jù)可以看出，增韌材料的加入，從整體上將水泥漿稠化時(shí)間縮短了15min左右，同時(shí)把水泥石的強(qiáng)度減小了20%，而對(duì)水泥漿高溫高壓失水性能的影響呈不規(guī)律性，但都小于50mL。與所列出的其他幾種增韌材料相比較，BS-12，CBS-5，GBS-51能夠很好地改善水泥漿的高溫高壓失水性能，且對(duì)水泥漿稠化時(shí)間以及水泥石抗壓強(qiáng)度的影響相比之下要小，所以增韌材料應(yīng)在上述3種材料中挑選。

水泥漿的流變性能是注水泥流變學(xué)設(shè)計(jì)的基本參數(shù)，不僅能夠通過(guò)它計(jì)算注水泥頂替過(guò)程的循環(huán)壓耗，防止井眼出現(xiàn)蹩漏現(xiàn)象，更能夠利用它計(jì)算注水泥頂替過(guò)程中最佳的流態(tài)，提高注水泥的質(zhì)量，如果排量和流態(tài)計(jì)算合理，也可以消除井筒內(nèi)部分屏障，比如殘存的泥漿、泥餅等，對(duì)于提升水泥漿的膠結(jié)性有積極的作用。室內(nèi)對(duì)于3種增韌材料對(duì)水泥漿流變性能影響作了評(píng)價(jià)，具體評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表2，除了GBS-51以外，其他增韌材料都不同程度使水泥漿變稠。

表2　不同增韌材料對(duì)水泥漿流變性能的影響

注1：水泥石養(yǎng)護(hù)條件為90℃×24h；高溫高壓失水條件為6.9MPa×30min；Nφ600、Nφ300、Nφ200、Nφ100、Nφ6、Nφ3分別為六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)600、300、200、100、6、3r/min對(duì)應(yīng)的讀值。下同。

注2：水泥漿配方為100%G級(jí)水泥+31.25%淡水+0.5%消泡劑X60L+8.75%增韌材料+0.5%分散劑CF44L。

綜合表1與表2可知，GBS-51對(duì)于提升固井水泥漿的性能效果最明顯，水泥漿中加入GBS-51后，水泥石24h養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度為18.3MPa(>15MPa)；與不加GBS-51的水泥漿相比，其能將水泥漿高溫高壓失水量減小29%，最大限度控制氣竄的發(fā)生。對(duì)于其他材料而言，都不同程度地增大了水泥漿的稠度；而GBS-51對(duì)水泥漿的流變性影響不大。綜合以上分析，水泥漿增韌材料的最佳選擇應(yīng)為GBS-51。

添加劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的不同對(duì)水泥漿性能的影響差別會(huì)很大，所以GBS-51的最優(yōu)質(zhì)量分?jǐn)?shù)也是研究的重點(diǎn)，室內(nèi)對(duì)其質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3　GBS-51質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)水泥漿流變性能的影響

注：水泥漿配方為100%G級(jí)水泥+31.25%淡水+0.5%消泡劑X60L+增韌材料+1.0%分散劑CF44L。

由表3的數(shù)據(jù)可知，水泥漿中加入GBS-51，增大了水泥漿的稠度，減小了水泥漿的稠化時(shí)間以及水泥石的抗壓強(qiáng)度，同時(shí)對(duì)水泥漿的高溫高壓失水性能有一定的提升。隨著GBS-51質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，水泥漿的流變讀數(shù)不規(guī)律的增大，稠化時(shí)間不規(guī)則減小，抗壓強(qiáng)度逐漸變小，當(dāng)其質(zhì)量分?jǐn)?shù)在8%時(shí)，流變讀數(shù)增大了將近25%；抗壓強(qiáng)度減小了近50%。綜合以上試驗(yàn)結(jié)果得出，GBS-51質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2%～5%變化時(shí)，水泥漿性能能夠滿足常規(guī)固井作業(yè)的要求。

1.3GBS-51與膠乳復(fù)配對(duì)水泥漿力學(xué)性能的影響

為了控制成本減少水泥漿體系中膠乳的用量，僅將其作為偶聯(lián)劑。室內(nèi)研究了膠乳與GBS-51復(fù)配后對(duì)水泥漿力學(xué)性質(zhì)的影響，研究結(jié)果見(jiàn)表4。

表4　膠乳與GBS-51復(fù)配對(duì)水泥石力學(xué)性能的影響

注：水泥漿配方為100%G級(jí)水泥+27.5%淡水+1%消泡劑X60L+1%膠乳穩(wěn)定劑J20+膠乳+GBS-51+1.0%分散劑CF44L+0.5%緩凝劑H21L。

可以看出，當(dāng)水泥漿只加入膠乳時(shí)，水泥石的彈性模量普遍較高，表明其顯現(xiàn)出很大的脆性，這對(duì)于保障固井屏障的完整性是極為不利的；當(dāng)水泥漿中只添加增韌材料時(shí)，水泥石的力學(xué)性能又略低，滲透率也較高，達(dá)不到防氣竄的要求；當(dāng)膠乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%，GBS-51質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%時(shí)，水泥石表現(xiàn)出很高的強(qiáng)度，其彈性模量達(dá)到最低，泊松比也較高，滲透率最低，此時(shí)對(duì)于提升水泥漿的力學(xué)性能最有利。

2　固井屏障完整性韌性水泥漿綜合性能研究

2.1不同溫度下固井屏障完整性韌性水泥漿的性能

根據(jù)第一部分的研究?jī)?nèi)容，確定固井屏障完整性韌性水泥漿體系的配方為：100%G級(jí)水泥+27.5%淡水+1%消泡劑X60L+0.5%膠乳穩(wěn)定劑J20+2%膠乳+4%GBS-51+1.0%分散劑CF44L+0.5%緩凝劑H21L。由于地層深度的不同，地層溫度也不盡相同，不同溫度下水泥漿表現(xiàn)出來(lái)的物性是不同的。實(shí)驗(yàn)室對(duì)其在不同溫度下的性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5　不同溫度下固井屏障水泥漿體系的綜合性能

可以看出，當(dāng)溫度在30℃時(shí)，水泥漿略稠，形成水泥石的強(qiáng)度不高，其他物理性能能夠滿足固井施工作業(yè)的要求，所以應(yīng)適當(dāng)調(diào)整水泥漿的流變性以及抗壓強(qiáng)度；當(dāng)溫度在35～50℃內(nèi)變化時(shí)，水泥漿流變讀數(shù)偏大，應(yīng)適量增大分散劑的量，改善水泥漿的流動(dòng)性；固井屏障完整性韌性水泥漿體系具有較高的抗壓強(qiáng)度，水泥石24h養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度均大于15MPa，水泥漿高溫高壓濾失量均可以控制在50mL內(nèi)，稠化時(shí)間滿足正常施工作業(yè)要求。綜上所述，固井屏障完整性韌性水泥漿體系適用溫度范圍廣，性能優(yōu)良，具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

2.2固井屏障完整性韌性水泥漿膠結(jié)性能評(píng)價(jià)

為了增加水泥漿與Ⅰ、Ⅱ界面之間的膠結(jié)性能，保證水泥環(huán)在井筒復(fù)雜環(huán)境下具有很好的密封性。實(shí)驗(yàn)室利用界面剪切拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)固井屏障完整性增韌膠乳水泥漿、常規(guī)水泥漿以及膠乳水泥漿的地層膠結(jié)性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)果如表6所示。

表6　不同水泥漿體系與Ⅰ、Ⅱ界面的膠結(jié)強(qiáng)度對(duì)比

注：膠結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)由自制設(shè)備界面剪切拉伸試驗(yàn)機(jī)測(cè)試所得。試驗(yàn)所涉及Ⅰ界面模型為N80鋼材，同時(shí)在Ⅰ界面涂上約1mm厚的現(xiàn)場(chǎng)泥漿，然后測(cè)試水泥漿與其膠結(jié)性；Ⅱ界面模型為水泥漿與室內(nèi)模擬地層(建筑水泥-河沙=1/2固化后形成)的膠結(jié)面測(cè)試結(jié)果。

膠乳與GBS-51復(fù)配后所配制的水泥漿明顯提升了Ⅰ、Ⅱ界面的膠結(jié)性能，與常規(guī)水泥漿比較，對(duì)于Ⅰ界面，將其剪切強(qiáng)度提升了14%，抗拉強(qiáng)度提升了6.6%；對(duì)于Ⅱ界面，將其剪切強(qiáng)度提升了13%，抗拉強(qiáng)度提升了8.4%；而膠乳水泥漿對(duì)于Ⅰ、Ⅱ界面的膠結(jié)性能介于常規(guī)水泥漿與增韌膠乳水泥漿之間，綜合評(píng)價(jià)可知固井屏障完整性韌性水泥漿能夠顯著提高固井屏障界面的膠結(jié)質(zhì)量。

3　結(jié)論

1)固井屏障完整性韌性水泥漿體系有效地控制了膠乳的加量，且水泥漿適用溫度范圍廣，物理性能好，稠化時(shí)間也能滿足常規(guī)作業(yè)的要求。

2)通過(guò)試驗(yàn)研究確定了增韌材料為GBS-51，當(dāng)其質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2%～5%變化時(shí)，水泥漿性能能夠滿足常規(guī)固井作業(yè)的要求。

3)當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的膠乳與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的GBS-51復(fù)配時(shí)，水泥石24h抗壓強(qiáng)度可達(dá)23.5MPa，泊松比達(dá)到0.20，彈性模量為2.69GPa，滲透率也能夠達(dá)到固井的要求，此時(shí)對(duì)于提升水泥漿的力學(xué)性能最有利。

4)與常規(guī)水泥漿、膠乳水泥漿對(duì)比，增韌膠乳水泥漿對(duì)于提升存在固井屏障的Ⅰ、Ⅱ界面的膠結(jié)性能最明顯。

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[編輯]帥群

2015-12-10

許明標(biāo)(1962-)，男，博士，教授，現(xiàn)主要從事鉆井液、水泥漿及化學(xué)合成方面的研究工作，xmb62@163.com。

TE254

A

1673-1409(2016)17-0049-05

[引著格式]許明標(biāo)，李路，武志強(qiáng)，等.一種能有效保障井筒完整性的高強(qiáng)韌性水泥漿體系研究[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版),2016,13(17):49～53.