稠油熱采井固井耐高溫彈性增韌劑的性能研究

凌偉漢

（中海油服采辦共享中心深圳分中心，廣東深圳 518120）

稠油熱采井水泥環(huán)與套管在井下受限空間內(nèi)同時受到往復(fù)式受熱膨脹、降溫收縮的相互影響，極易出現(xiàn)水泥環(huán)密封失效的問題[1-2]。從成本角度考慮，國內(nèi)外很多使用硅酸鹽水泥協(xié)同硅粉克服水泥石高溫條件下強(qiáng)度的衰退，這種方法雖然保證了水泥石高溫的強(qiáng)度，在很多熱采井現(xiàn)場作業(yè)中，長期的蒸汽注入水泥環(huán)依舊受到破壞[3-5]。國外研究者通過研究認(rèn)為耐高溫水泥石在高溫下破壞的原因是水泥石的韌性不足，由于水泥石與套管材料的熱膨脹系數(shù)不一致，導(dǎo)致在反復(fù)加熱和冷卻的過程中，水泥石周期性地受到熱剪切應(yīng)力的作用，從而導(dǎo)致破壞[6-9]。因此，研究者提出了提高熱采井水泥石彈性的要求，并通過在水泥漿配方中加入韌性材料來提高水泥石的韌性，且通過現(xiàn)場實踐取得了較好的效果。目前，國內(nèi)對熱采井水泥石的研究主要集中在耐高溫水泥漿體系的研究；雖然也有學(xué)者開展了彈性水泥石的研究，但是這方面的研究大多集中在常規(guī)井溫條件下，采用韌性材料能承受的高溫低于200 ℃，不能滿足熱采井高溫彈性水泥石的要求[10]。因此，室內(nèi)針對不同彈性增韌材料展開了研究，優(yōu)選了抗高溫達(dá)350 ℃的高溫彈性增韌劑（TBJ-1），該材料加入到水泥漿中不僅強(qiáng)度不發(fā)生衰退，使水泥石具有良好的抗沖擊能力和彈韌性，確保了水泥石在高低溫交替作用下的界面膠結(jié)強(qiáng)度，保證了熱采井固井水泥環(huán)的長期完整性。

1 熱采井彈性增韌劑優(yōu)選研究

1.1 彈性增韌材料要求

在熱采井中，周期性注蒸汽井的溫度在150 ℃以上，最高溫度可達(dá)350 ℃，當(dāng)套管內(nèi)的壓力和溫度升高時，較高的拉伸應(yīng)力有可能導(dǎo)致水泥石拉伸開裂，導(dǎo)致水泥石失效[6，11]。水泥石韌性通常說的是在地層和外力作用于水泥環(huán)時表現(xiàn)出最大抗折能力，提高油井水泥石的韌性，有利于減緩應(yīng)力集中[12]，當(dāng)水泥石韌性越好，抗折強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度越高。對于高低溫交替作用的熱采井，除了有韌性外，水泥石楊氏模量低能夠減少誘導(dǎo)應(yīng)力，因此，需要提高水泥的彈性特征，在受到外部機(jī)械作用時增加水泥石的形變能力，保證熱采井作業(yè)固井的長期完整性。

1.2 不同彈性增韌材料耐高溫性評價

為了提高水泥石的彈性，一般選擇在水泥漿體系中添加彈性增韌材料，常用的彈性增韌材料有膠乳粉、橡膠粉等，可是這兩類彈性增韌材料耐高溫有限，在稠油熱采井高溫條件下會發(fā)生降解。為了防止彈性增韌材料在高溫下降解，國外有學(xué)者采用了耐高溫樹脂粉聚醚醚酮（MT）作為耐高溫彈性增韌材料，但是該材料價格高，類似的研究在國內(nèi)很少。實驗室通過篩選研究發(fā)現(xiàn)，柔性石墨粉與碳纖維按質(zhì)量比3∶1 復(fù)配混合，在混合液中同時加入聚合物乳液，然后超聲震蕩分散均勻，再在60～80 ℃恒溫養(yǎng)護(hù)2 h 后，加溫至200 ℃后冷卻合成了一種高溫彈性增韌劑（TBJ-1），該材料具有很好的耐高溫性能，并能夠有效地增加稠油熱采井固井水泥石的彈性和韌性。為了考察四種材料的耐高溫性能，采用差示掃描量熱儀（DSC）對四種材料進(jìn)行了分析，從分析結(jié)果可以看出，膠乳粉和橡膠粉的熱分解溫度均在300 ℃以下，而MT 以及TBJ-1 分解溫度均在300 ℃以上。因此，MT 和TBJ-1 滿足稠油熱采井高溫固井作業(yè)需求。

1.3 不同彈性增韌材料對水泥石力學(xué)性能的影響

為了進(jìn)一步分析高溫條件下，MT 和TBJ-1 對水泥石力學(xué)性能的影響，分別將加有MT 和TBJ-1 的水泥石在350 ℃條件下養(yǎng)護(hù)7 d 后，對水泥石的力學(xué)性能進(jìn)行了檢測，實驗結(jié)果見表1。

表1 加入彈性增韌材料水泥石高溫養(yǎng)護(hù)后抗壓強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度數(shù)據(jù)分析

從表1 可以看出，加有MT 和TBJ-1 的水泥石在高溫養(yǎng)護(hù)后，水泥石抗壓強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度得到明顯提高，但是TBJ-1 力學(xué)性能明顯優(yōu)于MT。另外，MT 成本高，其在現(xiàn)場的應(yīng)用會受到較大的限制，所以室內(nèi)選擇TBJ-1，該材料具有惰性及耐高溫的特點(diǎn)，完全能夠滿足油井熱采過程苛刻的溫度和力學(xué)要求。

2 TBJ-1 對水泥漿性能的影響

2.1 TBJ-1 對水泥漿常規(guī)性能影響評價

在水泥漿注入井底的時候，首先經(jīng)歷頂部的低溫段，稠油熱采井使用的水泥漿溫度范圍在30～90 ℃，因此，室內(nèi)在80 ℃環(huán)境下對不同TBJ-1 加量的水泥漿性能進(jìn)行了評價（表2）。

表2 TBJ-1 加量對水泥漿性能的影響

從表2 實驗結(jié)果可以看出，隨著TBJ-1 加量的增加，漿體稠化時間呈增加趨勢，API 失水量變化極小，均小于50 mL，抗壓強(qiáng)度先增大后減小，但加入了彈性增韌材料的水泥石抗壓強(qiáng)度整體是增大的，說明該TBJ-1 主鏈中含有苯環(huán)，因其空間位阻較大，使聚合物主鏈具有剛性，不會降低水泥石的抗壓強(qiáng)度。當(dāng)TBJ-1加量為0.2%時，水泥石的抗壓強(qiáng)度增大了60%，抗沖擊強(qiáng)度逐漸增大，增大了49%，水泥漿的綜合性能能夠滿足要求。

2.2 TBJ-1 對水泥石彈性性能評價

在沖擊載荷外力作用下油井水泥石會發(fā)生破裂，主要是水泥石發(fā)生形變和斷裂兩個過程引起的，可以用彈性模量E 來表征材料在彈性范圍內(nèi)抵抗變形的難易程度，彈性模量越低，說明在彈性變形范圍內(nèi)，材料具有可恢復(fù)變形能力越大。因此，室內(nèi)開展了不同TBJ-1 加量的彈性性能評價，見圖1。

圖1 不同TBJ-1 加量的彈性性能評價

從圖1 可以看出，隨著TBJ-1 加量的增大，水泥石彈性模量逐漸降低，當(dāng)加入0.2%～0.3%的TBJ-1，水泥石彈性模量在4 000 MPa 以下，滿足耐高溫的要求，在高溫下仍能賦予水泥石足夠的彈性。綜合上述TBJ-1水泥石各項性能評價，推薦TBJ-1 加量為0.2%，稠油熱采井水泥石性能最好。

2.3 加入TBJ-1 的水泥石在長期高溫養(yǎng)護(hù)下力學(xué)性能評價

熱采井在生產(chǎn)過程中，會長期持續(xù)的受到高溫的作用，為考察TBJ-1 彈性增韌水泥漿體系在高溫下長期的強(qiáng)度衰減性能，室內(nèi)評價了350 ℃養(yǎng)護(hù)溫度下，水泥石經(jīng)28 d 養(yǎng)護(hù)后的力學(xué)性能變化。水泥石在長期高溫養(yǎng)護(hù)下的強(qiáng)度衰減性能見表3。

表3 水泥石在長期高溫養(yǎng)護(hù)下的強(qiáng)度衰減性能

從表3 可以看出，水泥石在350 ℃養(yǎng)護(hù)下，28 d 后其抗壓強(qiáng)度仍有18.99 MPa，且21 d 后，其強(qiáng)度衰減非常緩慢，說明該水泥漿體系在高溫下具有很好的長期強(qiáng)度穩(wěn)定性能。其彈性模量經(jīng)過長期高溫養(yǎng)護(hù)后，雖然有所下降，但是變化不是很明顯，仍然在4 000 MPa 以下，這是由于TBJ-1 層間膨脹之后再壓縮，空氣留在層間造成孔隙，水泥石經(jīng)過長期高溫養(yǎng)護(hù)后，提高水泥石韌性和彈性。

2.4 高低溫多輪次交變養(yǎng)護(hù)下水泥石膠結(jié)強(qiáng)度評價

高低溫多輪次交變養(yǎng)護(hù)下水泥石與套管膠結(jié)強(qiáng)度的測試過程如下：利用內(nèi)徑為50 mm、高度為100 mm的鋼管模擬套管，然后將水泥漿灌入鋼管中，經(jīng)80 ℃、48 h 養(yǎng)護(hù)后，再放于超高溫養(yǎng)護(hù)釜中進(jìn)行交變升降溫的養(yǎng)護(hù)。然后將試樣放置在試驗機(jī)上進(jìn)行膠結(jié)強(qiáng)度的測試。膠結(jié)強(qiáng)度測試結(jié)果見表4。

表4 膠結(jié)強(qiáng)度測試結(jié)果

從表4 可以看出，水泥石與套管膠結(jié)后在80 ℃常壓養(yǎng)護(hù)48 h 后，其膠結(jié)強(qiáng)度為1.61 MPa。但是經(jīng)高溫養(yǎng)護(hù)后，水泥石與套管的膠結(jié)強(qiáng)度反而有所上升，這可能是因為水泥石在80 ℃養(yǎng)護(hù)48 h 后，在水泥漿體系中加入彈性顆粒可終止裂紋發(fā)展，提高材料的沖擊韌性。同時高溫可以使彈性水泥石膨脹，因此，與套管的膠結(jié)更加牢固。經(jīng)過充分的水化后，水泥石與套管經(jīng)過多輪次的高低溫養(yǎng)護(hù)后其膠結(jié)強(qiáng)度呈現(xiàn)下降趨勢，但是變化并不是十分明顯，且膠結(jié)強(qiáng)度大于2.50 MPa，說明高低溫的交變養(yǎng)護(hù)對水泥石與套管的膠結(jié)強(qiáng)度影響不大，滿足稠油熱采井固井作業(yè)需求。

2.5 TBJ-1 對水泥石微觀結(jié)構(gòu)的影響

采用SU8010 冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡對未添加TBJ-1 的水泥石與加入0.2%TBJ-1 的水泥石進(jìn)行微觀形貌分析（圖2）。由圖2 可以發(fā)現(xiàn)，沒有加入TBJ-1 的水泥石質(zhì)地不均勻，有很多孔洞，表面粗糙，加入了0.2%TBJ-1 的水泥石具有回彈性的蠕蟲狀物質(zhì)，可以迅速膨脹，使得水泥石具有彈性，另外該材料表面能高，有較強(qiáng)的吸附能力，在自然狀態(tài)下就互相勾掛咬合，增加了水泥石的致密性和沖擊韌性，提高了稠油熱采井高低溫作用下水泥環(huán)的完整性。

圖2 350 ℃養(yǎng)護(hù)后水泥石電鏡掃描圖

3 結(jié)論

（1）通過對熱采井作業(yè)環(huán)境的分析，對膠乳粉、橡膠粉、耐高溫樹脂粉聚醚醚酮（MT）以及耐高溫增韌劑（TBJ-1）進(jìn)行耐高溫性能對比評價，只有MT 和TBJ-1分解溫度在300 ℃以上，但是綜合力學(xué)性能和成本考慮，優(yōu)選TBJ-1 能夠滿足稠油熱采井高溫固井作業(yè)需求。

（2）對加入TBJ-1 的水泥石展開性能分析，當(dāng)TBJ-1 的加量為0.2%時，水泥石的抗壓強(qiáng)度增大了60%，抗沖擊強(qiáng)度逐漸增大，增大了49%，加入TBJ-1 的水泥石彈性模量在4 000 MPa 以下，滿足耐高溫的要求，在高溫下仍能賦予水泥石足夠的彈性。

（3）通過對彈性增韌水泥漿體系在高溫下長期的強(qiáng)度衰減情況和彈性模量分析可知，水泥石在350 ℃養(yǎng)護(hù)下，28 d 后其抗壓強(qiáng)度仍有18.99 MPa，且21 d 后強(qiáng)度衰減非常緩慢。其彈性模量在長期高溫養(yǎng)護(hù)后，雖然有所下降，但是變化不是很明顯，仍然在4 000 MPa 以下，說明該水泥漿體系在高溫下具有很好的長期強(qiáng)度穩(wěn)定性能和彈韌性。

（4）水泥石與套管經(jīng)過多輪次的高低溫養(yǎng)護(hù)后其膠結(jié)強(qiáng)度大于2.50 MPa 且4 輪次高低溫作用后膠結(jié)強(qiáng)度影響不大，說明彈性增韌材料具有良好的回彈性和吸附作用，提高水泥石的彈性，增加了水泥石與套管的密封性，確保了350 ℃稠油熱采井水泥環(huán)的完整性。