一種能有效保障井筒完整性的高強韌性水泥漿體系研究

許明標，李路

(長江大學石油工程學院，湖北 武漢 430100)

武志強

(中海石油(中國)有限公司北京研究中心，北京 100010)

王曉亮

(荊州嘉華科技有限公司，湖北 荊州 434000)

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一種能有效保障井筒完整性的高強韌性水泥漿體系研究

許明標，李路

(長江大學石油工程學院，湖北 武漢 430100)

武志強

(中海石油(中國)有限公司北京研究中心，北京 100010)

王曉亮

(荊州嘉華科技有限公司，湖北 荊州 434000)

固井后套管-水泥環-地層會形成一個膠結體，即固井屏障。固井屏障在油氣井生產過程中，要受到各種載荷的作用，會導致固井屏障密封系統失效。為保證井筒的完整性，目前主要的解決辦法是使用膠乳水泥漿體系，但是該體系有一個較大的缺點就是用量大、費用高。室內通過優選增韌材料GBS-51，其質量分數在2%～5%變化時，水泥漿性能能夠滿足常規固井作業的要求。為了能夠在有效保證固井屏障良好完整性的情況下，降低生產作業成本，將GBS-51與膠乳復配(其中膠乳僅起到偶聯劑的作用，用量較少)，成功構建了一套高強韌性水泥漿體系，試驗結果表明：該韌性水泥漿體系能夠有效地控制成本，且適用溫度范圍廣，可以滿足不同井底溫度的固井作業，形成的水泥石韌性以及其他物理特性優良，有利于保障井筒完整性。

固井屏障；增韌材料；膠乳；固井水泥漿

如何提高井壁與套管間水泥環的密封質量是固井工程長期關注的問題，固井水泥環的力學性能，關系到固井屏障的質量和油氣井壽命。保證固井屏障完整性的關鍵是讓高強高韌性的水泥漿與套管壁和地層形成良好的膠結性，且能夠經受住地層復雜環境的影響。相關文獻發現，在水泥漿中加入適量的增韌材料對提高Ⅰ、Ⅱ界面的膠結性能有積極的作用，如果將增韌材料與膠乳復配，對于提高水泥石的物理特性以及井壁與套管間水泥環的密封性效果更加明顯。構建一套高強韌性水泥漿體系是有效提高固井屏障油氣井Ⅰ、Ⅱ界面的膠結能力的關鍵。室內對固井屏障完整性高強韌性水泥漿體系進行了綜合性能評價，研究表明該水泥漿體系適用溫度范圍廣，可以滿足不同井底溫度的固井作業，且水泥石韌性以及其他物理特性優良，能夠為生產作業者節省不少的經濟成本，這也與各個油氣田開發作業者降本增效經營理念更加契合。

1　水泥漿配方設計

1.1水泥漿設計思路

目前固井常用且效果較好的增韌材料主要為膠乳，膠乳中高分散性彈韌性乳液顆粒是良好的防氣竄和增韌材料，然而當膠乳質量分數較大時才能使水泥石具有良好的韌性(質量分數通常要求10%以上)。如何在較低膠乳質量分數下讓水泥漿獲得良好的韌性是該研究的重點。筆者認為將膠乳作為偶聯劑，然后與增韌材料復配對于提升水泥石的力學性能以及降低生產成本具有積極的作用。

在水泥漿體系中的偶聯劑具有實時填充和封堵水泥石中細小孔隙與連通孔道的作用。在另外一種情況下，偶聯劑具有聯接和封閉水泥石中堆積顆粒之間的微細孔隙和縫隙的能力。普遍情況下，細小的物質可以對顆粒堆積的孔隙進行填充，但是顆粒解除面間的微細孔隙并沒有顆粒物質可以進行有效的封閉，特別是在像膠乳這樣的水泥漿體系中，常用膠乳一般由丁二烯和苯乙烯采用乳液聚合方式共聚而成，無論丁二烯還是苯乙烯或是由丁二烯與苯乙烯制備的聚丁二烯苯乙烯，都是親油疏水的化合物，具有強烈的親疏特征。在水泥漿的顆粒堆積中，與水泥顆粒具有不相容性，造成在2種物質的接觸面上的明顯界線，二相接觸只是通過膠乳中穩定性的微弱兼容聯接而產生作用，這嚴重地影響了膠乳性能的發揮；同時在這種情況下，還可能由于膠乳穩定劑的性能和質量分數的影響使得水泥石的性能產生變差的趨勢，所以水泥漿體系中膠乳的質量分數應該給予控制，對于水泥石力學性能的提升必須另辟蹊徑。

1.2增韌材料對水泥漿物理性能的影響

增韌材料賦予油井水泥石一種韌性形變能力，它能夠增強水泥漿凝固后的膠結能力，同時增加水泥石抗沖擊破碎能力，但不同的增韌材料對水泥漿性能的影響會有不同，為了確定一種合適的水泥漿增韌材料，室內對水泥漿基礎配方中加入不同增韌材料的物理特性進行了綜合評價，試驗結果見表1。

表1　不同增韌材料對水泥漿物理性能的影響

從表1列出的數據可以看出，增韌材料的加入，從整體上將水泥漿稠化時間縮短了15min左右，同時把水泥石的強度減小了20%，而對水泥漿高溫高壓失水性能的影響呈不規律性，但都小于50mL。與所列出的其他幾種增韌材料相比較，BS-12，CBS-5，GBS-51能夠很好地改善水泥漿的高溫高壓失水性能，且對水泥漿稠化時間以及水泥石抗壓強度的影響相比之下要小，所以增韌材料應在上述3種材料中挑選。

水泥漿的流變性能是注水泥流變學設計的基本參數，不僅能夠通過它計算注水泥頂替過程的循環壓耗，防止井眼出現蹩漏現象，更能夠利用它計算注水泥頂替過程中最佳的流態，提高注水泥的質量，如果排量和流態計算合理，也可以消除井筒內部分屏障，比如殘存的泥漿、泥餅等，對于提升水泥漿的膠結性有積極的作用。室內對于3種增韌材料對水泥漿流變性能影響作了評價，具體評價結果見表2，除了GBS-51以外，其他增韌材料都不同程度使水泥漿變稠。

表2　不同增韌材料對水泥漿流變性能的影響

注1：水泥石養護條件為90℃×24h；高溫高壓失水條件為6.9MPa×30min；Nφ600、Nφ300、Nφ200、Nφ100、Nφ6、Nφ3分別為六速旋轉黏度計600、300、200、100、6、3r/min對應的讀值。下同。

注2：水泥漿配方為100%G級水泥+31.25%淡水+0.5%消泡劑X60L+8.75%增韌材料+0.5%分散劑CF44L。

綜合表1與表2可知，GBS-51對于提升固井水泥漿的性能效果最明顯，水泥漿中加入GBS-51后，水泥石24h養護強度為18.3MPa(>15MPa)；與不加GBS-51的水泥漿相比，其能將水泥漿高溫高壓失水量減小29%，最大限度控制氣竄的發生。對于其他材料而言，都不同程度地增大了水泥漿的稠度；而GBS-51對水泥漿的流變性影響不大。綜合以上分析，水泥漿增韌材料的最佳選擇應為GBS-51。

添加劑質量分數的不同對水泥漿性能的影響差別會很大，所以GBS-51的最優質量分數也是研究的重點，室內對其質量分數變化的試驗結果見表3。

表3　GBS-51質量分數對水泥漿流變性能的影響

注：水泥漿配方為100%G級水泥+31.25%淡水+0.5%消泡劑X60L+增韌材料+1.0%分散劑CF44L。

由表3的數據可知，水泥漿中加入GBS-51，增大了水泥漿的稠度，減小了水泥漿的稠化時間以及水泥石的抗壓強度，同時對水泥漿的高溫高壓失水性能有一定的提升。隨著GBS-51質量分數的增加，水泥漿的流變讀數不規律的增大，稠化時間不規則減小，抗壓強度逐漸變小，當其質量分數在8%時，流變讀數增大了將近25%；抗壓強度減小了近50%。綜合以上試驗結果得出，GBS-51質量分數在2%～5%變化時，水泥漿性能能夠滿足常規固井作業的要求。

1.3GBS-51與膠乳復配對水泥漿力學性能的影響

為了控制成本減少水泥漿體系中膠乳的用量，僅將其作為偶聯劑。室內研究了膠乳與GBS-51復配后對水泥漿力學性質的影響，研究結果見表4。

表4　膠乳與GBS-51復配對水泥石力學性能的影響

注：水泥漿配方為100%G級水泥+27.5%淡水+1%消泡劑X60L+1%膠乳穩定劑J20+膠乳+GBS-51+1.0%分散劑CF44L+0.5%緩凝劑H21L。

可以看出，當水泥漿只加入膠乳時，水泥石的彈性模量普遍較高，表明其顯現出很大的脆性，這對于保障固井屏障的完整性是極為不利的；當水泥漿中只添加增韌材料時，水泥石的力學性能又略低，滲透率也較高，達不到防氣竄的要求；當膠乳質量分數為2%，GBS-51質量分數為4%時，水泥石表現出很高的強度，其彈性模量達到最低，泊松比也較高，滲透率最低，此時對于提升水泥漿的力學性能最有利。

2　固井屏障完整性韌性水泥漿綜合性能研究

2.1不同溫度下固井屏障完整性韌性水泥漿的性能

根據第一部分的研究內容，確定固井屏障完整性韌性水泥漿體系的配方為：100%G級水泥+27.5%淡水+1%消泡劑X60L+0.5%膠乳穩定劑J20+2%膠乳+4%GBS-51+1.0%分散劑CF44L+0.5%緩凝劑H21L。由于地層深度的不同，地層溫度也不盡相同，不同溫度下水泥漿表現出來的物性是不同的。實驗室對其在不同溫度下的性能進行了評價，結果見表5。

表5　不同溫度下固井屏障水泥漿體系的綜合性能

可以看出，當溫度在30℃時，水泥漿略稠，形成水泥石的強度不高，其他物理性能能夠滿足固井施工作業的要求，所以應適當調整水泥漿的流變性以及抗壓強度；當溫度在35～50℃內變化時，水泥漿流變讀數偏大，應適量增大分散劑的量，改善水泥漿的流動性；固井屏障完整性韌性水泥漿體系具有較高的抗壓強度，水泥石24h養護強度均大于15MPa，水泥漿高溫高壓濾失量均可以控制在50mL內，稠化時間滿足正常施工作業要求。綜上所述，固井屏障完整性韌性水泥漿體系適用溫度范圍廣，性能優良，具有很好的應用價值。

2.2固井屏障完整性韌性水泥漿膠結性能評價

為了增加水泥漿與Ⅰ、Ⅱ界面之間的膠結性能，保證水泥環在井筒復雜環境下具有很好的密封性。實驗室利用界面剪切拉伸試驗機對固井屏障完整性增韌膠乳水泥漿、常規水泥漿以及膠乳水泥漿的地層膠結性能進行了評價，結果如表6所示。

表6　不同水泥漿體系與Ⅰ、Ⅱ界面的膠結強度對比

注：膠結強度試驗數據由自制設備界面剪切拉伸試驗機測試所得。試驗所涉及Ⅰ界面模型為N80鋼材，同時在Ⅰ界面涂上約1mm厚的現場泥漿，然后測試水泥漿與其膠結性；Ⅱ界面模型為水泥漿與室內模擬地層(建筑水泥-河沙=1/2固化后形成)的膠結面測試結果。

膠乳與GBS-51復配后所配制的水泥漿明顯提升了Ⅰ、Ⅱ界面的膠結性能，與常規水泥漿比較，對于Ⅰ界面，將其剪切強度提升了14%，抗拉強度提升了6.6%；對于Ⅱ界面，將其剪切強度提升了13%，抗拉強度提升了8.4%；而膠乳水泥漿對于Ⅰ、Ⅱ界面的膠結性能介于常規水泥漿與增韌膠乳水泥漿之間，綜合評價可知固井屏障完整性韌性水泥漿能夠顯著提高固井屏障界面的膠結質量。

3　結論

1)固井屏障完整性韌性水泥漿體系有效地控制了膠乳的加量，且水泥漿適用溫度范圍廣，物理性能好，稠化時間也能滿足常規作業的要求。

2)通過試驗研究確定了增韌材料為GBS-51，當其質量分數在2%～5%變化時，水泥漿性能能夠滿足常規固井作業的要求。

3)當質量分數為2%的膠乳與質量分數為4%的GBS-51復配時，水泥石24h抗壓強度可達23.5MPa，泊松比達到0.20，彈性模量為2.69GPa，滲透率也能夠達到固井的要求，此時對于提升水泥漿的力學性能最有利。

4)與常規水泥漿、膠乳水泥漿對比，增韌膠乳水泥漿對于提升存在固井屏障的Ⅰ、Ⅱ界面的膠結性能最明顯。

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[編輯]帥群

2015-12-10

許明標(1962-)，男，博士，教授，現主要從事鉆井液、水泥漿及化學合成方面的研究工作，xmb62@163.com。

TE254

A

1673-1409(2016)17-0049-05

[引著格式]許明標，李路，武志強，等.一種能有效保障井筒完整性的高強韌性水泥漿體系研究[J].長江大學學報(自科版),2016,13(17):49～53.