膠乳液改善水泥石性能研究

吳宇萌 許明標(biāo) 宋建建

摘 ?????要：針對水泥石在井下復(fù)雜受力的情況下容易發(fā)生破裂的情況，需要添加膠乳液對水泥石性能進(jìn)行改善。為研究膠乳液的加量對于水泥石常規(guī)性能和力學(xué)性能的改善，在水泥漿中分別加入0～32 g的膠乳液后，通過實(shí)驗(yàn)對水泥石的各項(xiàng)工程性能進(jìn)行測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：添加膠乳液可以降低Ф300下的數(shù)值約16%，失水量降低約51.9%;16 g加量的膠乳液可以提高水泥石18%的抗壓強(qiáng)度;8 g加量的膠乳液的水泥石可以提升50%的抗沖擊強(qiáng)度;32 g加量的膠乳液的水泥石降低34.7%的彈性模量，有效的改善了水泥石的力學(xué)性能。

關(guān) ?鍵 ?詞：固井水泥;膠乳液;力學(xué)性能

中圖分類號：TE256 ??????文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ??????文章編號： 1671-0460（2019）01-0064-04

Abstract： In view of the fact that the cement stone is prone to rupture under the condition of complicated underground stress， it is necessary to add latex emulsion to improve the properties of the cement paste. In order to study the effect of rubber latex addition amount on the improvement of conventional and mechanical properties of cement stone， after adding 0～32 g latex to the cement slurry， the engineering properties of cement stone were tested by experiments. The experimental results showed that the added glue emulsion could reduce the number of Ф300 and reduce the amount of water loss by about 51.9%; the addition of 16 g latex could improve the compressive strength of cement stone by 18%; the addition of 16 g latex could improve the impact strength by 50% ;and the addition of 32 g latex could reduce the elastic modulus by 34.7%， and effectively improve the mechanical properties of the cement stone.

Key words： Cement;Latex;Mechanical property

固井水泥石屬于脆性材料，在受到較大應(yīng)力時水泥石基體會發(fā)生破裂、膠結(jié)面脫落、封隔失效等問題。常規(guī)的水泥石，已經(jīng)不再能夠滿足目前日益復(fù)雜的石油開采地層，包括稠油熱采、頁巖地層開采，或者是地下儲氣庫的建設(shè)，這就對固井水泥石的性能提出了更高的要求，需要能夠保證在復(fù)雜地層下油氣井穩(wěn)定安全的持續(xù)開采[1-3]。膠乳液作為一種高分子聚合物，屬于彈韌性材料[4]，對于水泥石性能有著非常良好的改善，通過增強(qiáng)水泥石的塑性變形能力，提高了水泥石在井下承受復(fù)雜受力情況的能力。

1 ?實(shí)驗(yàn)部分

1.1 ?實(shí)驗(yàn)材料

G級油井水泥（葛洲壩特種水泥有限公司）、分散劑CF44S、降失水劑FLO-S、增強(qiáng)劑STR、膨脹劑BOND、緩凝劑H21L、消泡劑X86L、膠乳液、膠乳穩(wěn)定劑。

1.2 ?實(shí)驗(yàn)儀器

YP-1303325型精密電子天平;TG-3060A型恒速攪拌器;數(shù)顯恒溫水浴箱;六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì);增壓稠化儀;ZNN-06型液體密度計(jì);HY-20080微機(jī)控制電子萬能材料試驗(yàn)儀;HJJY-50液晶顯示簡支梁沖擊試驗(yàn)機(jī);高溫高壓失水儀;SU 8010 冷場發(fā)射掃描電鏡。

1.3 ?實(shí)驗(yàn)方法

參照GB/T 19139-2012《油井水泥試驗(yàn)方法》配制水泥漿。使用微機(jī)控制電子萬能材料試驗(yàn)儀對水泥試樣進(jìn)行抗壓強(qiáng)度、彈性模量測定，抗壓水泥石試樣和彈性模量水泥石試樣尺寸為50.8 mm×50.8 mm×50.8 mm。使用HJJY-50液晶顯示簡支梁沖擊試驗(yàn)機(jī)對水泥試樣進(jìn)行抗沖擊強(qiáng)度測定，抗沖擊強(qiáng)度試樣尺寸為15 mm×10 mm×120 mm。使用SU8010冷場發(fā)射掃描電鏡對水泥石微觀形貌進(jìn)行觀察。水泥試樣養(yǎng)護(hù)條件為90 ℃×24 h。

在加入膠乳液時，為了增加水泥漿的穩(wěn)定性防止破乳，加入含量為膠乳液的10%的膠乳穩(wěn)定劑。

1.4 ?實(shí)驗(yàn)配方

G級水泥800 g+淡水360 g+降失水劑20 g+增強(qiáng)劑12 g+分散劑4 g+膨脹劑8 g+消泡劑4 g+緩凝劑2 g+膠乳液（0、8、16、24、32 g）+膠乳穩(wěn)定劑（0、0.8、1.6、2.4、3.2 g）。當(dāng)膠乳液加量為0 g時的配方也被稱為基礎(chǔ)配方。

2 ?水泥漿體系性能評價(jià)

2.1 ?水泥漿常規(guī)性能評價(jià)

根據(jù)前文中配方配制水泥漿并對常規(guī)性能進(jìn)行評價(jià)。

水泥漿的常規(guī)性能包括流變性能、API失水量、稠化時間等。水泥漿的流變性能可以作為水泥漿流動性的參考，實(shí)驗(yàn)室中通過將水泥漿在常壓養(yǎng)護(hù)至規(guī)定條件后使用六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)來進(jìn)行測量，通常使用Ф300下數(shù)值的大小來反應(yīng)流變的好壞。API失水量是指水泥漿在規(guī)定條件下水泥漿的濾失水量，實(shí)驗(yàn)室中將水泥漿在常壓養(yǎng)護(hù)后，使用高溫高壓失水儀在設(shè)定條件下進(jìn)行測量得到。水泥漿的稠化時間是現(xiàn)場對泵送施工設(shè)計(jì)的一個參考，也是維護(hù)安全施工的重要參數(shù)，對于稠化時間要求雖然要求要短，但是要保證足夠的施工時間，實(shí)驗(yàn)時使用增壓稠化儀在規(guī)定的實(shí)驗(yàn)要求下進(jìn)行測量[5-7]。

實(shí)驗(yàn)過程中常壓養(yǎng)護(hù)條件為90 ℃×20 min，失水實(shí)驗(yàn)條件是90 ℃×6.9 MPa×30 min，稠化實(shí)驗(yàn)條件為90 ℃×45 MPa×45 min。實(shí)驗(yàn)評價(jià)結(jié)果見表1。

由表1中的可得知，對比基礎(chǔ)配方的水泥漿，添加膠乳液后改善了水泥漿的流變性能，Ф300下數(shù)值降低了約16%;同時膠乳液中的線性大分子可以束縛住更多的自由水[8]，對水泥漿的API濾失水量也有極大的改善，最高能降低51.9%的失水量，使水泥漿更適用于易漏失地層;在加入膠乳液后，水泥漿的稠化時間有一定的增加，但仍然符合安全固井的施工要求。對于不同加量下的膠乳液水泥漿之間常規(guī)性能并沒有很大的差異，因此膠乳液水泥漿的常規(guī)性能比較穩(wěn)定。

2.2 ?水泥石抗壓強(qiáng)度評價(jià)

水泥石在地層中，首先需要能夠承受地層的孔隙壓力對水泥石產(chǎn)生的水平壓縮力，隨后需要承受套管重力產(chǎn)生的垂直方向張力，同時在后期的施工作業(yè)中，水泥石還需要支撐井眼隔離地層，并承受施工中產(chǎn)生的軸向負(fù)荷和鉆柱旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的沖擊壓力，因此油氣井固井和生產(chǎn)時對于水泥石的抗壓強(qiáng)度會有一定的要求[9]。

將水泥石在水浴鍋中養(yǎng)護(hù)24 h后，進(jìn)行抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1。

由圖1可知，加入8 g與16 g膠乳液后，對于水泥石的抗壓強(qiáng)度有明顯的改善效果，分別提高了9.2%和18%的抗壓強(qiáng)度，使水泥石在井下可以承受更大的應(yīng)力。繼續(xù)增加膠乳液，在膠乳液加量達(dá)到24 g與32 g時的水泥石抗壓強(qiáng)度有一個大幅度的下降，但仍保持在25 MPa以上。因此當(dāng)膠乳液加量為16 g時水泥石取得最好的抗壓強(qiáng)度，為30.33 MPa。

2.3 ?水泥石抗沖擊強(qiáng)度評價(jià)

在油氣井開發(fā)過程中，水泥石會受到包括射孔作業(yè)和壓裂作業(yè)等各種載荷的作用，在這樣的條件下，水泥石受力狀態(tài)會發(fā)生變化，甚至?xí)?dǎo)致水泥石產(chǎn)生較大裂縫，甚至使固井封固系統(tǒng)密封失效，因此需要水泥試樣有一定的韌性。實(shí)驗(yàn)室常通過測量水泥試樣的抗沖擊強(qiáng)度，來體現(xiàn)水泥石的韌性[10]。

將水泥試樣在水浴鍋中養(yǎng)護(hù)24 h后，進(jìn)行抗沖擊強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2。

由圖2可以看出，在加入8 g膠乳液后，水泥試樣的抗沖擊強(qiáng)度相較于未加膠乳液的水泥試樣提高了50%。當(dāng)繼續(xù)增加膠乳液含量時，水泥試樣的抗沖擊強(qiáng)度會下降，穩(wěn)定在1.4 kJ/m?到1.5 kJ/m?之間，略高于未加膠乳液的水泥試樣的抗沖擊強(qiáng)度。因此當(dāng)膠乳液加量為8 g時對水泥石抗沖擊強(qiáng)度有最好的改善效果，為2.1 kJ/m?。

2.4 ?水泥石彈性模量評價(jià)

在油氣井的生產(chǎn)開發(fā)的過程中，套管內(nèi)的溫度或者壓力會發(fā)生變化，從而使水泥石受到一定的拉伸應(yīng)力，脆性的水泥石可能會在拉伸應(yīng)力的作用下發(fā)生開裂，導(dǎo)致水泥石失效，因此需要對水泥石的彈性模量進(jìn)行評價(jià)，彈性模量的大小對于套管的支撐和層間封隔的好壞顯得尤為重要[11，12]。

將水泥試樣在水浴鍋中養(yǎng)護(hù)24 后，進(jìn)行彈性模量測試實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3。

由圖3可以看到，在加入膠乳液之后水泥石的彈性模量有大幅度的下降，繼續(xù)增加膠乳液的含量，彈性模量繼續(xù)下降，因此膠乳液可以穩(wěn)定降低水泥石的彈性模量，改善水泥石的脆性條件，為水泥石增加一定的彈性。其中膠乳液加量為32 g時改善效果最好，降低了基礎(chǔ)配方水泥石34.7%的彈性模量，為5.75 GPa。

2.5 ?水泥石微觀形貌

膠乳液屬于高分子聚合物，物化性穩(wěn)定，不會參與水泥石中的水化反應(yīng)，并且在水泥石中聚合成膠乳膜。使用掃描電鏡對水泥石進(jìn)行觀察，可以看到水泥石微觀形貌如圖4、圖5。

圖4為未加膠乳液下的微觀形貌，有大量絮狀的水化產(chǎn)物C-S-H凝膠和片狀的Ca（OH）2，是正常的水泥石內(nèi)部微觀形貌。圖5為24 g膠乳液加量條件下水泥石的電鏡掃描圖，從圖中可以看到，對比圖4，圖5中有許多膠乳液在水泥石中聚合形成的膠乳膜。這些膠乳膜可以在水泥石內(nèi)部和水化產(chǎn)物相互連接成為立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，當(dāng)水泥石承受較大應(yīng)力時，膠乳膜通過拉扯來承擔(dān)部分應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力進(jìn)一步增大時膠乳會被撕裂抵消部分能量，延緩水泥石的破壞，從而改善水泥石的力學(xué)性能。

3 ?結(jié) 論

（1）對于水泥漿的常規(guī)性能，膠乳液具有改善流變性能和降低濾失水量的作用，Ф300下數(shù)值降低了約16%，失水量降低51.9%。但是膠乳液會增加水泥漿的稠化時間。

（2）對于水泥漿的力學(xué)性能，16 g加量的膠乳液可以提高水泥石18%的抗壓強(qiáng)度;8 g加量的膠乳液水泥石可以提升50%的抗沖擊強(qiáng)度;32 g加量的膠乳液水泥石可以降低34.7%的彈性模量。因此膠乳液可以顯著改善水泥石的力學(xué)性能，降低水泥石的脆性。

（3）膠乳液水泥石的微觀形貌中可以清楚的看見聚合而成的膠乳膜與水泥石水化產(chǎn)物共同形成的立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

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