MgO作為油井水泥膨脹劑的研究現狀與展望

顧光偉， 馮竟竟， 劉仍光， 侯維紅， 楊進波

固井作業作為油氣開采的重要環節，固井質量 好壞直接關乎油氣井的采收效率、后期維護成本乃至服役壽命。地下不同深度的油、氣、水區存在明顯壓力差，若油井水泥環封隔效果差，高壓區流體竄入低壓區，勢必造成層間竄流污染與資源流失[1]。因固井二界面膠結不良產生的微間隙，是造成層間環空竄流的直接原因。Drecq 等[2]研究表明，水泥環界面存在0.01 mm 的微間隙就可引發氣竄，當微間隙達到0.05～0.07 mm時，則造成固井質量不合格。界面微間隙的主要原因之一是油井水泥漿體的收縮，如不設法解決收縮問題，再多的工藝措施也是徒勞的[3]。Bonnet[4]也認為解決地層流體竄流的關鍵是克服油井水泥漿體的收縮問題。

1 油井水泥膨脹劑

油井水泥漿的水灰比大、服役溫度高，存在收縮率大的缺點[3-4]，膨脹劑在油井水泥中的應用已有超過50年的歷史，可有效補償其收縮，非發氣類膨脹劑種類主要分為鈣釩石類、CaO及MgO膨脹劑。

1.1 鈣釩石類、CaO膨脹劑

鈣釩石類膨脹劑（主要成分為硫鋁酸鹽、硫酸鹽）的水化產物不穩定，超過75 ℃即開始分解[5]。CaO膨脹劑（主要成分為輕燒CaO）作用時間早，65 ℃～95 ℃膨脹持續時間僅有19～48 min[6]，且發生在水化產物形成早期，多數膨脹能被流體狀態的水泥漿吸收，對終凝后硬化體的收縮補償效果不足。上述2種膨脹劑的水化產物鈣釩石及Ca（OH）2在井內壓力水作用下溶解度也較大，穩定性差。

1.2 MgO膨脹劑

MgO水化時產物固相體積增大118%，且水化需水量少、產物性能穩定、膨脹過程可調控，已在大體積水工混凝土及地下防水結構中得到廣泛應用。Mg（OH）2高溫穩定，并可在一定時間內產生持續、有效的膨脹，適用于補償高溫工況下油井水泥漿體收縮，進而達到防止水侵氣竄的目的，值得深入研究。

2 MgO對油井水泥石膨脹性能的影響

井內溫度及壓力隨井深的增加而提高，油氣井每深100 m，溫度提高約3 ℃，壓力提高約1～2 MPa，故油井水泥MgO膨脹劑的實際使用溫度及壓力環境復雜，國內外學者針對不同條件下MgO的膨脹性能進行了較為系統的研究。Spangle等[8]以1 100 ℃～1 300 ℃煅燒氫氧化鎂制備MgO膨脹劑，推薦摻量為0.25%～3.75%，并認為酸中和反應時間在20～30 min之間，且MgO粒徑在150～420 μm范圍內時，膨脹效果較好；煅燒溫度低的MgO在高溫養護下活性過高，水化反應時間提前至終凝前，膨脹效果不顯著；高溫養護會使MgO產生明顯的膨脹效果，摻入1%MgO膨脹劑的油井水泥石在149 ℃、20.7 MPa下養護29 d的線膨脹率為4.23%。Cheung等[9]通過高溫煅燒菱鎂礦制備MgO 膨脹劑，并認為煅燒溫度在815℃以下時，在大于120 ℃的高溫養護下，摻MgO的油井水泥石無法產生有效膨脹。其制備的死燒MgO煅燒溫度在1 200 ℃以上，當摻量為1%～12%時，在120 ℃～200 ℃養護溫度范圍內可產生膨脹，摻5%MgO 膨脹劑的油井水泥石在143 ℃、20.7 MPa下，養護7 d后的線膨脹率為4.17%。Saidin[10]利用千分尺法測試摻MgO（煅燒溫度為1 100 ℃～1 300 ℃）的加砂油井水泥石膨脹率，并認為其精確度及可復現性優于應變計法。經千分尺法測得的不同齡期、養護壓力及溫度下加砂水泥石膨脹率，結果如圖1～圖3所示。

圖1 MgO對不同養護齡期加砂水泥石膨脹率的影響（49 ℃×6.9 MPa）

圖2 MgO對不同養護壓力加砂水泥石膨脹率的影響（49 ℃×2 d）

圖3 MgO對不同養護溫度（40 ℃～100 ℃）加砂水泥石膨脹率的影響（6.9 MPa×2 d）

可以看出，加砂油井水泥石的膨脹率隨MgO摻量的增大而提高，其中5%、7%MgO摻量的加砂油井水泥石膨脹多發生在2 d齡期內（2 d膨脹率占28 d膨脹率的80%～90%），并在14 d后保持穩定；養護壓力對MgO在加砂油井水泥石中膨脹性能的發揮影響很小，總體上隨著養護壓力的增大，膨脹率略有提高。姚曉[11]指出增加養護壓力只會使收縮延遲而不能抑制收縮。MgO膨脹劑摻量越大，溫度對加砂油井水泥石膨脹率的提高作用越明顯。

李東旭等[12]發現不同摻量的輕、重燒MgO（煅燒溫度分別為800 ℃、1 400 ℃）對礦渣油井水泥膨脹性能影響存在差異。當輕、重燒MgO摻量超3%時，50 ℃養護的礦渣油井水泥石直到90 d齡期膨脹仍在繼續，不利于其結構穩定。輕燒MgO摻量為3%、5%時，80 ℃水浴養護28 d的礦渣油井水泥石膨脹趨于穩定，膨脹率分別為0.04%、0.10%，摻量達7%，后期膨脹率略有增長。80 ℃養護28 d齡期內，摻重燒MgO的礦渣油井水泥石膨脹率顯著低于輕燒MgO，且28 d齡期后膨脹仍持續發展。

摻MgO油井水泥的50 ℃膨脹性能與MgO摻量關系密切，其中高摻量（≥5%）MgO油井水泥膨脹時間持續長，達到穩定的時間點推遲，不利于硬化體結構穩定；摻MgO油井水泥的80 ℃膨脹性能則與MgO活性關系更大，其中低摻量（＜5%）高溫（＞120 ℃）養護條件下， 輕燒MgO由于其具備較高的反應活性， 高溫下水化反應時間提前， 大量膨脹能被塑性漿體吸收， 因而無法充分發揮其膨脹性能。重燒、 死燒MgO反應活性低， 高溫促進其參與反應， 進而產生優異的膨脹效果。因此MgO膨脹劑有效補償油井水泥收縮的關鍵在于其煅燒溫度（反應活性）須與養護溫度達到較好地匹配。

3 MgO膨脹劑對油井水泥石抗壓強度的影響

油井水泥漿體須在一定時間內凝結并形成環狀封固水泥石，其在固井施工、套管試壓及油氣開采中承受套管和井壁的雙重壓應力，日常注水、酸化、壓裂、射孔等作業也向水泥石力學性能提出了更高要求。

3.1 MgO對G級油井水泥石抗壓強度的影響

Ghofrani[13]的研究表明，摻20%經1 200 ℃煅燒MgO的G級油井水泥漿120 ℃養護7 d，其抗壓強度為28 MPa，相同配方150 ℃養護7 d后的強度提高到50 MPa。水泥環服役于套管和井壁之間，屬于受限環境，諸華軍等[7]基于此情況，設計了摻MgO油井水泥的三維約束實驗，結果表明，三維約束下摻12%MgO的油井水泥漿經80 ℃養護3 d、7 d的抗壓強度分別為27.5、31.6 MPa，較同條件養護的凈漿油井水泥石分別提高41.8%、49.1%；三維約束下摻12%MgO的油井水泥石經80 ℃養護7 d，孔隙率（22.7%）較同條件養護的凈漿油井水泥石降低了30.8%，同時孔徑也得到細化，見圖4。這表明80 ℃受限狀態下，MgO產生的膨脹不僅不會破壞水泥石結構，而且能夠對其進行優化，促進MgO對水泥基體的強度增益效果。

圖4 三維約束下摻MgO的油井水泥石抗壓強度（80 ℃）

3.2 MgO對加砂油井水泥石抗壓強度的影響

Aris等[14]以適用于高溫固井的加砂油井水泥為基體，得出了不同結論。養護溫度對摻MgO(煅燒溫度1 200 ℃～1 300 ℃)的加砂油井水泥石抗壓強度影響見圖5。結果表明100 ℃養護24 h時，1 200 ℃煅燒的MgO摻量對加砂油井水泥石抗壓強度影響不大，養護溫度升至135 ℃，摻MgO試樣的抗壓強度出現衰退；150 ℃摻MgO試樣抗壓強度又出現不同程度地增長，溫度升至200 ℃，強度基本穩定，但仍略低于未摻MgO的加砂油井水泥石，摻1 300 ℃煅燒MgO的加砂油井水泥石抗壓強度實驗也得到類似結果。

圖5 MgO對不同養護溫度的加砂油井水泥石抗壓強度影響（13.8 MPa×24 h）

Rudi[15]發現MgO摻量的提高加劇了150 ℃養護24 h的加砂油井水泥石抗壓強度的衰退（見圖6），其中5%、10%MgO摻量的加砂水泥石抗壓強度較空白樣降低29.3%、51.1%，提高膨脹劑煅燒溫度至1 300 ℃，削弱了高溫（150 ℃）對5%、10%摻量MgO油井水泥石抗壓強度的不良影響（較空白樣分別降低10.4%、15.8%）。摻MgO的加砂水泥石高溫出現衰退的原因可能是Mg（OH）2與SiO2反應生成了不利于強度發展和結構穩定的產物，MgO晶格隨煅燒溫度的升高而改變，一定程度上也影響了高溫下Mg（OH）2與SiO2的反應。

圖6 MgO對150 ℃養護的加砂油井水泥石抗壓強度影響（13.8 MPa×24 h）

4 MgO膨脹劑對二界面膠結強度的影響

固井二界面膠結強度來源于環狀水泥石徑向對井壁產生的壓應力，水泥石收縮會造成壓應力降低，甚至使得水泥石與井壁不能完全接觸，形成的微間隙為水侵氣竄提供了通道，因此膠結強度反映著油井水泥的封隔性能。

4.1 MgO對不含泥餅二界面膠結強度的影響

Aris[14]研究了MgO摻量與二界面膠結強度的關系，結果如圖7所示，MgO顯著提高了二界面膠結強度，其中經1 200 ℃煅燒MgO的最優摻量為7%。Rudi[15]綜合MgO煅燒溫度、摻量及養護溫度等因素，研究其對二界面膠結強度的影響，從圖8可以看出，養護溫度的升高（100 ℃升至150 ℃）有助于MgO對二界面膠結強度的增益效果，二界面膠結強度與MgO摻量并非呈線性關系，MgO煅燒溫度超過1 300 ℃后，二界面膠結強度有所降低。

圖7 MgO對不同養護溫度的二界面膠結強度的影響（13.8 MPa×24 h）

圖8 MgO摻量及煅燒溫度對二界面膠結強度的影響（13.8 MPa×24 h）

4.2 MgO對含劣質泥餅二界面膠結強度的影響

泥餅形成于水泥環和井壁地層之間，由“死鉆井液”、黏土礦物、鉆屑等組成。質量差的泥餅層厚、松散、強度低且滲透率高，泥餅的存在使得水泥漿無法與井壁實現整體固化，其皸裂粉化形成的微間隙導致二界面膠結不良[16]。Aris[14]研究了劣質泥餅存在下1 200 ℃煅燒的MgO對二界面膠結強度的影響，從圖9可以看出，一定溫度范圍內（100 ℃～200 ℃養護24 h），劣質泥餅的存在使得二界面膠結強度明顯降低（相對圖7），但摻入MgO對150 ℃～200 ℃的二界面膠結強度仍有顯著增益效果，原因是其膨脹產生的徑向應力能夠擠壓劣質泥餅，降低虛泥餅層厚度、改善泥餅質量。

Ghofrani[13]研究了20%高摻量MgO對有、無劣質泥餅情況下二界面膠結強度的影響，并與同摻量CaO進行對比，結果見圖10。MgO及CaO均可提高二界面膠結強度，提高膨脹劑摻量、延長養護時間可降低劣質泥餅對二界面膠結強度造成的不良影響，其中在有、無泥餅的情況下，摻MgO的加砂水泥石二界面膠結強度較CaO分別提高93.3%、110%，故高溫工況下MgO對固井二界面膠結性能的改善效果優于CaO。

圖9 劣質泥餅存在下MgO對二界面膠結強度的影響（13.8 MPa×24 h）

圖10 高摻量CaO及MgO對加砂水泥石二界面膠結強度的影響（150 ℃×15 MPa養護7 d）

滲透率是表征水泥石傳遞介質能力的參數，低滲透率的水泥石能夠抵御地下流體通過內部孔隙發生竄流。Ghofrani[13]發現1 200 ℃煅燒的低摻量（≤5%）MgO對水泥石抗滲性能也有顯著提高，且遠優于同摻量的CaO，結果見圖11，原因是CaO的膨脹持續時間短，而MgO在一定時間內的持續膨脹作用優化了水泥石內部孔徑，增強其高壓條件下抵御外部流體侵入的能力。

圖11 CaO及MgO摻量對加砂水泥石滲透率的影響（150 ℃×15 MPa養護7 d）

5 固井用MgO膨脹劑研究及應用展望

綜上，MgO的膨脹作用能夠改善油井水泥石內部結構，優化孔徑進而提高水泥石抗壓強度、降低滲透率，水泥環徑向膨脹產生的壓應力可顯著增大界面膠結強度。特別是在稠油熱采井、超深井、地熱井等高溫固井工況下，MgO水化產物穩定，相對于CaO及鈣釩石類膨脹劑有著無可比擬的優勢。其中，MgO煅燒溫度、摻量與不同養護溫度下油井水泥石膨脹率的關系仍需進行系統研究，摻MgO的加砂水泥石高溫出現抗壓強度衰退的機理有待論證。

需要明確的是，固井用MgO膨脹劑對油井水泥的收縮補償只是手段，最終目的是實現對各層間流體更好的封隔效果，盡可能避免水侵氣竄的發生，而這僅憑單一活性MgO很難實現，故研制以多種活性MgO為主要成分，兼有高溫控制失水作用的復合型高溫防竄劑才是解決層間竄流問題的關鍵，其應具備高溫下早期控制漿體失水、中期補償水泥漿各種收縮、后期（28 d內）實現硬化體微膨脹等特性。同時，由于MgO膨脹補償環空微間隙需要一定的時間，因此宜采取延遲測井的方法對摻MgO的油井水泥固井質量進行測試，得出更為客觀的評價。

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