非包覆型油井水泥自修復劑的制備與評價

劉欣慰, 馮 茜*, 楊啟貞, 劉希峰

(1. 西南石油大學 化學化工學院，四川 成都 610500； 2. 勝利油田 油氣勘探管理中心，山東 東營 257000)

固井水泥環(huán)因自身脆性和外部應力作用等原因，易產(chǎn)生微裂縫使層間封隔失效，不僅影響生產(chǎn),甚至有可能造成安全事故[1-2]。常用的修補方法是擠水泥，但該法施工成本高且成功率低[3]。近年來,自修復技術因其操作方便、價格便宜、可及時修復微裂縫等優(yōu)點受到研究人員的密切關注[4-5]。

自修復劑可分為遇烴修復類和遇水修復類，前者研究較多[6-7]。Delage于2004提出了水泥石遇水修復概念。即向自修復水泥體系中添加至少一種能遇水膨脹的物質(zhì)，當水泥環(huán)開裂、繼而水氣竄流時，該物質(zhì)通過體積膨脹堵塞裂縫[8]。然而直接將自修復劑加入水泥漿，可能會對漿體泵送性能造成不利影響。為解決此問題，有研究人員對這種材料進行包覆處理[9]，但該工藝繁瑣復雜，且不能避免因拌漿時的巨大剪切力而造成的外殼破裂問題，固井施工依然存在安全隱患。

水泥漿礦化度超過8000 mg/L，且富含Ca2+和Mg2+等離子[10]。大慶油田資料顯示，剛開發(fā)時地層水礦化度為6000～9000 mg/L，初期注入地表淡水，礦化度在400 mg/L左右，采出水的礦化度從未淹層的6000～9000 mg/L到水淹層的1000～3200 mg/L，最低為800 mg/L[11-12]。由此可知，部分油田的地層水礦化度低于水泥漿體。

考慮到丙烯酸系吸水劑的鹽敏性[13-14]，本文采用反向懸浮聚合法，丙烯酸和丙烯酰胺(AM)為單體，過硫酸鉀(KBS)作引發(fā)劑，N，N-亞甲基雙丙烯酰胺(MBA)作交聯(lián)劑，制備了一種非包覆遇水膨脹型自修復劑LF-1，其結構經(jīng)SEM和IR表征。LF-1對水泥性能影響較小，而后續(xù)在低礦化度水介質(zhì)的觸發(fā)下，能進一步吸水膨脹，堵塞裂縫。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

DFC-0710B型增壓稠化儀；X-1型巖心驅(qū)替裝置；WQF520型紅外光譜儀(KBr壓片)；X-射線衍射儀；JSM-7500F型掃描電鏡。

嘉華G級油井水泥，工業(yè)品，四川嘉華企業(yè)股份有限公司；分散劑 SXY，降失水劑 SWJ-1，工業(yè)品，成都川鋒化學工程有限責任公司；丙烯酰胺(AM)，工業(yè)品，成都科龍化工試劑廠；其余所用試劑均為分析純。

1.2 LF-1的制備

將Span-80(10%單體質(zhì)量)分散劑和環(huán)己烷加入反應瓶中，攪拌均勻作為分散相；AA和AM作為單體，m(AM/AA)=0.05，將單體溶液在低溫下用NaOH溶液中和，AA中和度為80%，加入MBA(1%單體質(zhì)量)和KBS(1%單體質(zhì)量)，攪拌均勻作為水相；將水相溶液滴加至分散相中，攪拌下于60 ℃反應2.5 h；升溫至65 ℃反應0.5 h。冷卻至室溫，過濾，濾餅用無水乙醇洗滌，真空干燥得LF-1。

1.3 LF-1性能評價

按照《油井水泥試驗方法》GB/T19139—2012配制水泥漿(表1)。隨后倒入模具中，于80 ℃養(yǎng)護7 d后脫模。

表1 水泥漿組成

(1) 自修復性能

對水泥石進行一字造縫，填埋0.08 mm的銅絲維持裂縫寬度，將水泥石放入不同礦化度水溶液中養(yǎng)護，使用巖心驅(qū)替裝置測試水泥石的滲透率變化[15]。

(2) 水泥漿和水泥石性能

按照《GB/T19139-2012油井水泥試驗方法》和《SY/T 6544-2017油井水泥漿性能要求》，測試了LF-1水泥石的力學性能，以及水泥漿的流動度、失水量、自由水及稠化性能。

2 結果與討論

2.1 表征

(1) IR

圖1為LF-1的IR譜圖。由圖1可知，3426 cm-1處為NH2的特征吸收峰，3185 cm-1處為NH的吸收峰，2931 cm-1處為CH2的吸收峰，1670 cm-1處為COO的吸收峰，1456 cm-1為CH的吸收峰，1320 cm-1為C—O的特征吸收峰；1640 cm-1為酰胺中的羰基特征峰，1560 cm-1處為N—H和C—H振動的組合吸收峰。

ν/cm-1

(2) SEM

圖2為LF-1的SEM照片。由圖2(a)可知，LF-1為分散微球，粒徑較均勻。由圖2(b)可知，LF-1的表觀形貌呈現(xiàn)出多孔和粗糙褶皺特征。這種結構表面積較大，當LF-1與水接觸時，水容易滲透到其內(nèi)部，使其能大量地吸液膨脹[16]。

圖2 LF-1的SEM照片

2.2 自修復性能

以不同礦化度的鹽水(NaCl/CaCl2/MgCl2=7%/0.6%/0.4%)作養(yǎng)護液體，研究了LF-1的自修復性能，結果見表2。由表2可知，2#造縫水泥石在養(yǎng)護液礦化度為15000 mg/L時，120 h后滲透率下降了62.45%；在礦化度為10000 mg/L和5000 mg/L時，分別在12 h和24 h內(nèi)斷流[17]。1#造縫水泥石養(yǎng)護120 h后滲透率僅下降17.60%～22.70%。

表2 1#和2#水泥石的滲透率

2.3 水泥漿(石)性能

從表3可看出，2#水泥石抗壓強度較1#有所降低，這是由于LF-1的吸水性能導致水泥水化初期水分不足。從圖3(a)可見，養(yǎng)護1 d時2#水泥石中Ca(OH)2更少，說明其水化進程更慢；但兩種水泥石的抗壓強度差距隨養(yǎng)護時間延長而減小，這是因為隨著養(yǎng)護時間延長，2#水泥石內(nèi)環(huán)境濕度降低，LF-1開始緩慢釋放水分促進水化反應進行。由圖3(b)可見，養(yǎng)護3 d時，兩種樣品的水化產(chǎn)物含量相似，說明兩者水化進程相近，而LF-1是一種不具備水硬化特性的非水泥基材料，所以即使水化進程相近LF-1仍會影響水泥石強度[18]。此外，LF-1的加入使水泥石的抗折強度有所提高，表明LF-1具有一定的增韌作用，這是因為LF-1具有三維網(wǎng)狀結構。2#水泥漿體系較1#流動度、稠化時間和失水量都有所降低，說明LF-1有增稠和控失水作用。

表3 水泥漿(石)性能

2θ/(°)

制備了非包覆、遇水膨脹型自修復劑LF-1，評價了LF-1對水泥石微裂縫的修復性能，以及對水泥漿性能與水泥石力學性能的影響。結果表明，LF-1為分散微球，表觀形貌為多孔和粗糙的褶皺狀。LF-1加量為2%時，造縫水泥石用5000 mg/L礦化度的液體養(yǎng)護，12 h內(nèi)即無滲透性，含2%LF-1的水泥漿流動度為20.1 cm，稠化時間217 min，失水量52 mL， 24 h抗壓強度為16.1 MPa，抗折強度為4.92 MPa。