一種韌性自修復固井水泥漿體系研究

夏忠躍， 解健程， 范志坤， 賈 佳， 郭建東

（中海油能源發(fā)展股份有限公司 山西分公司，山西 晉中030600）

引 言

油氣井開發(fā)過程中，由于后續(xù)增產施工作業(yè)及井筒環(huán)境變化等因素的影響，常常會使水泥石形成微裂縫，完整性受到破壞，導致水泥環(huán)喪失封隔能力，出現(xiàn)環(huán)空帶壓。韌性自修復水泥漿能夠自動修復微間隙，有效避免水泥環(huán)開裂，同時能夠有效緩解后續(xù)壓裂射孔作業(yè)對水泥石的破壞，保證固井屏障長期的穩(wěn)定性[1]，避免環(huán)空帶壓的出現(xiàn)。因此，開發(fā)高效的韌性自修復水泥漿體系對于油氣井生產有重大的實際意義。

自修復材料作為水泥漿體系的一個重點，在選材方面，應以具有修復性能且不影響水泥漿其他性能為前提，其次，自修復材料與固井水泥配伍性好，能夠經受井底復雜環(huán)境的長期侵蝕；最重要的特性是水泥環(huán)形成裂縫能自我修復[2]。增韌材料在加入水泥漿后可以改善水泥石的力學性能，達到提高水泥石韌性和防止水泥石破裂的效果，在一定程度上保證了水泥石受外力作用下的完整性。

基于韌性自修復水泥漿體系的特點，在室內篩選出了合適的添加劑，構建了具有裂縫自我修復性能的水泥漿體系，并對水泥漿體系性能進行了評價。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

G 級油井水泥，三峽水泥廠；減阻劑QJC、降濾失劑CGJ-1、緩凝劑HS-X、膠乳粉、自修復劑GQF-1，荊州嘉華科技有限公司。

1.2 實驗方法

巖心的制作及滲透率的測定參照SY/T5336-2006《巖心分析方法》；水泥漿性能的評價參照GB/T 19139-2012《油井水泥試驗方法》。

2 韌性自修復固井水泥漿體系材料優(yōu)選

2.1 減阻劑的優(yōu)選

固井水泥漿是一種以水泥顆粒為分散相，水為連續(xù)相的高濃度固相顆粒懸浮液，水泥漿減阻劑是通過調節(jié)水泥顆粒表面電荷，改變水泥漿的內部結構，達到調節(jié)流變性的目的[3]，水泥漿流變性直接關系到現(xiàn)場泵送。為了選擇合適的水泥漿減阻劑，在室內進行了篩選，結果見表1。

從表1 結果可知減阻劑QJC 加入到水泥漿后，水泥漿失水最小，對水泥漿稠化性能及流變性調節(jié)較好，與其他幾種減阻劑相比，顯現(xiàn)出較好的綜合性能，故水泥漿體系選用QJC 作為減阻劑。

表1 減阻劑的篩選Table 1 The selection of drag reducer

在室內開展了不同減阻劑QJC 的加量對水泥漿性能影響的評價實驗，評價結果見表2。

表2 QJC 加量對水泥漿性能影響Table 2 The effect of QJC dosage on the properties of cement slurry

從表2 可知水泥漿的流變性隨著減阻劑加量的增加而變稀，但加量超過0.75%，水泥漿出現(xiàn)沉降，失水量大幅增大，考慮到水泥漿的穩(wěn)定性，減阻劑的加量控制在0.5%。

2.2 降濾失劑的優(yōu)選

水泥漿濾液進入地層極易傷害儲層，失水過大還可能出現(xiàn)氣竄，使施工變復雜[4]。為了優(yōu)選出合適的降濾失劑，在室內評價了不同降濾失劑對水泥漿性能的影響，實驗溫度70℃，評價結果見表3。

表3 降濾失劑的篩選Table 3 The selection of fluid loss reducer

從表3 看出，采用降濾失劑CGJ-1 所配置的水泥漿，對水泥漿的失水控制性最好；而且漿體的沉降穩(wěn)定性較好，適合現(xiàn)場施工。

為確定降濾失劑CGJ-1 在水泥漿體系中的最優(yōu)加量，在室內開展了不同CGJ-1 加量對水泥漿失水性能的影響實驗，實驗結果見圖1。

圖1 CGJ-1 對水泥漿失水性能的影響Fig.1 The effect of CGJ-1 on water loss performance of cement slurry

從圖1 看出，降濾失劑CGJ-1 可以很好地控制水泥漿的失水量。但在配制水泥漿過程中發(fā)現(xiàn)，隨著CGJ-1 的加量增大，水泥漿會變稠，當加量超過4.5%時，水泥漿流動性變差，影響正常泵送。綜合考慮，當CGJ-1 加量在3%時，對水泥漿性能最有利。

2.3 緩凝劑的優(yōu)選

稠化時間是水泥漿極其重要的性能，它關系到固井施工的安全。緩凝劑主要起到調節(jié)水泥漿稠化時間的功能[5]。室內評價了幾種不同緩凝劑對水泥漿稠化性能的影響，稠化實驗條件：70℃×32MPa，評價結果見表4。

稠化曲線可作為緩凝劑選擇的重要參考[6]，稠化曲線波動大，可能是水泥漿出現(xiàn)“包心”，反應到現(xiàn)場施工，可能會使注水泥或候凝過程中，水泥漿突然變稠，引起井筒壓力系統(tǒng)變化，形成竄槽或“灌香腸”。從表4 可知，代號為HS-X 的緩凝劑對水泥漿的稠化性能調節(jié)較好，故水泥漿體系選取HS-X 為緩凝劑。

表4 緩凝劑的篩選Table 4 The selection of retarder

還在室內對不同緩凝劑加量下水泥漿稠化性能進行了評價，評價結果見圖2。

圖2 HS-X 加量對水泥漿性能影響Fig.2 The effect of HS-X dosage on the properties of cement slurry

從圖2 可知，水泥漿稠化時間隨緩凝劑加量的增加逐步延長，緩凝劑緩凝效果穩(wěn)定，水泥漿稠化時間可調，水泥漿稠化轉化時間滿足固井施工要求，現(xiàn)場施工可以按實際情況調整緩凝劑的用量。

2.4 增韌劑的優(yōu)選

目前較廣泛應用于固井水泥漿的增韌材料主要有纖維、膠乳、彈性顆粒[7]。在水泥漿體中加入彈性顆粒，可阻止微裂隙的延展，提高水泥石的抗沖擊性能；在水泥漿體中加入纖維，可屏蔽裂紋應力場，提高水泥石的斷裂韌性。在水泥漿中加入膠乳后，水泥石在受到外部不同作用力的情況下，即使其本體出現(xiàn)開裂，膠乳顆粒可在開裂處承受一定的拉應力，使水泥石有一定的延展性，表現(xiàn)出一定的韌性。

為了提高水泥石的韌性，室內選取纖維、液體膠乳以及膠乳粉作為增韌劑，并對水泥石的力學性能進行評價?？箟簭姸瑞B(yǎng)護條件：70℃×24h；其他水泥石力學實驗養(yǎng)護條件：70℃×24h，評價結果見表5。

表5 增韌劑的篩選Table 5 The selection of toughening agent

從表5 看出水泥漿中增韌材料的摻入導致水泥石抗壓強度下降，但仍滿足固井作業(yè)要求，而其他力學性能都有提升。對比加入纖維、液體膠乳、膠乳粉三種增韌材料的水泥石，摻入纖維的水泥石，表現(xiàn)出極佳的抗沖擊強度及抗壓強度，但彈性模量較大，水泥漿增稠明顯；加入液體膠乳的水泥漿流變性較好，但抗壓強度最低；加入膠乳粉后，水泥石的抗拉伸強度及彈性模量最佳，其他性能較好，綜合考量，膠乳粉對水泥漿力學性能提升最佳。

為了明確膠乳粉最優(yōu)加量，在室內進行了加量評價，評價結果見表6。

表6 膠乳加量對水泥石性能的影響Table 6 The effect of latex dosage on the properties of cement slurry

由表6 可知，水泥石的抗壓強度隨膠乳粉加量的增大有下降的趨勢，但仍能達到固井標準要求[8]，而隨著膠乳粉加量的增加，水泥石的抗沖擊強度和抗拉強度都隨之增大，彈性模量降低，水泥石顯現(xiàn)出好的強度及韌性。當膠乳粉加量超過20%時，水泥石的抗壓強度大幅度降低，抗沖擊強度與彈性模量性能的提升不明顯。

2.5 自修復劑的優(yōu)選

2.5.1 自修復性能評價方法

油氣行業(yè)現(xiàn)階段并沒有評價水泥石自修復能力的方法及標準，通過調研，可以采用測定水泥石滲透率的方法來確定水泥石的自修復能力。具體步驟為：1）利用水泥漿制備滲透率實驗的巖心；2）測定水泥石初始滲透率K1；3）造縫，以制備巖心的水泥漿配方的抗壓強度為基準，將巖心施加水泥石抗壓強度的25%進行造縫；4）測定造縫巖心的滲透率K2，然后將巖心放入以液化石油氣為養(yǎng)護介質的養(yǎng)護裝置中養(yǎng)護一定時間，測試養(yǎng)護后的巖心滲透率K3；5）利用公式[（K2—K3）/（K2—K1）]×100%計算水泥石的自修復率。若K2小于K3，則說明水泥石具有自修復功能；若K2等于K3，則說明水泥石無自修復功能。如果水泥石的自修復率大于70%，則認為該水泥石自修復性能較好[9～10]。

2.5.2 自修復劑篩選

自修復劑作為自修復水泥漿的重點，應具有以下特征：1）遇到井底流體會發(fā)生膨脹，自我修復水泥石裂縫；2）與其他外加劑相容性好；3）不會對水泥漿其他性能有大幅度影響[11]。

室內根據自修復劑的特性，挑選了部分樣品，并進行了相關性能的評價，結果見表7。

表7 自修復劑的篩選Table 7 The selection of self-repairing agent

從表7 可知，自修復性能較好的是PXQ-5 和GQF-1，而PXQ-5 配置的水泥漿漿體較稠，體系中選GQF-1 為自修復劑。

為了弄清不同加量下GQF-1 水泥漿性能的評價，室內進行了系統(tǒng)的評價，實驗溫度70℃，評價結果見表8。

表8 GQF-1 加量對水泥漿性能的影響Table 8 The effect of GQF-1 dosage on the properties of cement slurry

從表8 可知，水泥石的滲透率及強度隨GQF-1加量的增加而升高，當GQF-1 加量超過4%之后，水泥石的強度及滲透率提升幅度不大，可以確定GQF-1 加量為4%。

3 自修復水泥漿體系性能評價

通過上述一系列的實驗，構建了一套常規(guī)密度韌性自修復水泥漿配方：三峽G 級水泥+45%淡水+3%降濾失劑CGJ-1+0.5%減阻劑QJC+0.5%緩凝劑HS-X+0.5%消泡劑+20%膠乳粉+4%自修復劑GQF-1。

在室內針對研究的韌性自修復水泥漿體系，在不同溫度下對水泥漿體系常規(guī)性能進行了評價，實驗結果見表9，自修復能力評價見圖3。

從表9 可知，構建的韌性自修復固井水泥漿在不同的溫度水泥漿流變性能好且失水量小于50mL；水泥漿稠化時間隨溫度升高而降低，不存在反轉；此外水泥漿沉降穩(wěn)定性較好，水泥石彈性模量小于6GPa，顯現(xiàn)出較好的韌性；實驗結果表明，韌性自修復固井水泥漿施工性能好，水泥石韌性好，失水量低，稠化時間可調，常規(guī)性能滿足固井施工的需要。

表9 水泥漿體系常規(guī)性能Table 9 The conventional performances of cement slurry system

圖3 水泥石自修復性能評價Fig.3 The evaluation of self-repairing performance of cement paste

從圖3 看出，加入自修復劑的水泥石巖心的滲透率自修復率明顯比不加自修復劑的水泥石巖心的滲透率自修復率要高。養(yǎng)護36h 后，加入自修復劑的水泥石的自修復率大幅度提高；養(yǎng)護60h 后，加入自修復劑的水泥石滲透率自修復率達到80%左右，表明水泥石可以實現(xiàn)自我修復。

4 結 論

（1）優(yōu)選的減阻劑、降濾失劑、緩凝劑能提高水泥漿流變性，降低水泥漿失水量，延長稠化時間。

（2）研究的增韌劑能顯著提升水泥石的韌性；自修復劑能夠很好修復水泥石裂縫，降低油氣井環(huán)空帶壓。

（3）構建的韌性自修復固井水泥漿體系具有良好的流變性和穩(wěn)定性，水泥石韌性好，稠化時間可調；同時，水泥石的60h 滲透率自修復率達到80%，可以實現(xiàn)自我修復。