丁苯聚合物超細水泥的研究與應用

何 磊

（大港油田石油工程研究院，天津 300280）

在油氣田開發(fā)過程中，由于層間地質(zhì)情況的差異，普通的水泥漿固化后水泥石的孔隙大，油氣可能通過這些孔隙上竄，同時普通水泥石韌性差，在射孔及地層應力等外應力的作用下容易破裂，形成油氣上竄的通道，嚴重影響油氣井的正常生產(chǎn)[1，2]。超細水泥固化后水泥石的結(jié)構(gòu)相對比較致密，孔隙較小，超細水泥的防氣竄性能應好于普通水泥，但由于超細水泥的韌性與普通水泥一致，在外應力作用下容易發(fā)生破裂。提高超細水泥的韌性，防止超細水泥石在外力的作用下破裂，能顯著提高超細水泥石的抗氣竄性能。實驗研究發(fā)現(xiàn)，在水泥漿中加入一定量的丁苯聚合物可提高水泥石的韌性，提高水泥石的防氣竄性能[3]。本文研究了丁苯聚合物與超細水泥的配伍性，并對配伍性能好的配方進行性能評價，實驗證明，丁苯聚合物超細水泥具有優(yōu)良的性能，彌補了超細水泥性能上的不足，并成功應用于現(xiàn)場。

1 配伍性評價實驗

經(jīng)過前期的配伍實驗，優(yōu)選了性能較好的丁苯聚合物，將優(yōu)選出的丁苯聚合物與超細水泥進行配伍實驗，結(jié)果如下。

在室溫下，保持水灰比為2，穩(wěn)定劑相對丁苯聚合物的含量保持15 %不變的情況下，對中溫緩凝劑、分散劑、丁苯聚合物等3 組因素從3 個不同的水平采用正交實驗來優(yōu)化，設計了L9（33）正交表，根據(jù)以上的條件，制得正交實驗因素水平表（見表1、表2）。

表1 正交實驗因素水平表

表2 正交實驗結(jié)果

由正交實驗結(jié)果可知，第4、6 號實驗結(jié)果較好，配制后6 h 內(nèi)流動性好，24 h 固化，既能保證充足的安全施工時間，又能在合適的時間內(nèi)凝固，保證施工的效果。為了進一步優(yōu)選出最優(yōu)的實驗配方，對第4、6 號實驗的水泥石進行了抗壓強度和抗折強度實驗，結(jié)果（見表3）。

表3 抗壓強度和抗折強度實驗

由抗壓強度和抗折強度實驗結(jié)果可知，4 號抗折強度要顯著高于6 號，雖然隨著丁苯聚合物含量的上升，抗壓強度有些許下降，但抗壓強度降幅較小，能滿足現(xiàn)場的需要，所以4 號配方是最優(yōu)配方。

通過配伍性實驗可知，丁苯聚合物與超細水泥之間的配伍性較好，在此基礎上，對丁苯聚合物超細水泥的性能進行評價。

2 丁苯聚合物超細水泥性能評價

配伍實驗優(yōu)選出丁苯聚合物超細水泥的配方，對普通油井水泥、超細水泥、丁苯聚合物超細水泥的性能進行評價。

2.1 稠化性能評價

稠化性能是評價水泥漿的一個重要指標，由于溫度、壓力和地層應力的影響，丁苯聚合物在水泥漿中失穩(wěn)，導致丁苯聚合物在超細水泥漿中發(fā)生破乳，超細水泥漿的稠化性能受影響。80 ℃時丁苯聚合物超細水泥的稠化曲線[3，4]（見圖1）。

從圖1 稠化曲線可以看出，丁苯聚合物超細水泥漿的初始稠度低，在360 min 內(nèi)，稠度小，流動性能較好，能滿足現(xiàn)場對安全施工的要求。360 min 后，水泥漿開始稠化，稠化較快，24 h 能最終固化。丁苯聚合物超細水泥漿的稠化性能優(yōu)異，能滿足現(xiàn)場施工的要求。

圖1 稠化曲線

2.2 抗壓強度評價

抗壓強度是評價固井水泥石的一個重要指標，水泥漿凝固后形成水泥環(huán)，分隔地層，保護套管。80 ℃條件下，油井水泥、超細水泥、丁苯聚合物超細水泥凝固后的水泥石的抗壓強度曲線（見圖2）。

從抗壓強度曲線可知，抗壓強度的順序為：超細水泥>丁苯聚合物超細水泥>油井水泥，丁苯聚合物超細水泥的抗壓強度小于超細水泥，但是丁苯聚合物超細水泥的抗壓強度仍高達40 MPa，完全能滿足現(xiàn)場對水泥抗壓強度的要求。

圖2 抗壓強度曲線

2.3 抗折強度評價

固井水泥石在外力反復作用下發(fā)生破裂，這就需要固井水泥石具有良好的柔韌性?？拐蹚姸仁窃u價固井水泥石柔韌性的一個重要指標，抗折強度越大，固井水泥石的柔韌性越好[5，6]（見圖3）。

圖3 抗折強度對比實驗

從抗折強度對比實驗可知，抗折強度的順序為：丁苯聚合物超細水泥>超細水泥>油井水泥，所以丁苯聚合物超細水泥的韌性最好，丁苯聚合物增強了固井水泥石的變形能力和柔韌性，降低了彈性模量，增強了固井水泥石抵抗外應力破壞的能力。

2.4 防氣竄性能評價

圖4 靜膠凝強度曲線

固井水泥漿在候凝時，膠凝強度為45 Pa～230 Pa時，易發(fā)生氣竄，此階段的時間越短，越不容易發(fā)生氣竄。為了評價丁苯聚合物超細水泥的防氣竄性能，在80 ℃時，對丁苯聚合物超細水泥漿的靜膠凝強度進行測試[7，8]（見圖4）。

從圖4 中可以看出，丁苯聚合物超細水泥漿的靜膠凝強度跨過45 Pa～230 Pa 所需時間短，所以在候凝時，丁苯聚合物超細水泥漿可有效防止氣竄。

2.5 X 射線衍射

為了分析丁苯聚合物在超細水泥漿凝固過程中所起的作用，對油井水泥、超細水泥、丁苯聚合物超細水泥石分別進行了SEM 微觀分析。結(jié)果顯示，油井水泥石存在較大的孔隙。超細水泥石存在較小的孔隙。丁苯聚合物均勻分布在超細水泥石中，在超細水泥凝固過程中，丁苯聚合物充填了超細水泥凝固過程中所形成的孔隙，同時覆蓋在超細水泥水化物的表面，減少了超細水泥石內(nèi)部的孔隙，丁苯聚合物所形成的薄膜密實，韌性好，改善了超細水泥石的力學性能[1，7，8]。

3 現(xiàn)場試驗

港東油田某油井，由于固井質(zhì)量不佳，形成了竄流通道，含水率達到99.3 %。2017 年采用丁苯聚合物超細水泥對油水井間竄流通道進行封堵，堵劑用量13 m3，最高施工壓力9 MPa。措施后油井恢復正常采油，含水率降至73 %，成功封堵了竄槽。

4 結(jié)論

室內(nèi)實驗標明丁苯聚合物與超細水泥有較好的配伍性能。性能評價實驗表明，丁苯聚合物超細水泥漿的稠化性能優(yōu)異，能保證安全施工，其凝固后的水泥石抗壓強度高，抗折強度要明顯高于普通水泥石和超細水泥石。防氣竄實驗表明，候凝時，丁苯聚合物超細水泥漿可阻止氣竄發(fā)生。X 射線衍射實驗表明，丁苯聚合物超細水泥石的孔隙要明顯少于普通水泥和超細水泥。