儲氣庫固井用油井水泥增韌材料的優選與應用

王秀玲， 任文亮， 周戰云， 劉衛軍， 孫麗， 侯平（中石化中原石油工程有限公司固井公司，河南濮陽457001）

儲氣庫固井用油井水泥增韌材料的優選與應用

王秀玲， 任文亮， 周戰云， 劉衛軍， 孫麗， 侯平
（中石化中原石油工程有限公司固井公司，河南濮陽457001）

王秀玲， 任文亮， 周戰云， 等.儲氣庫固井用油井水泥增韌材料的優選與應用[J].鉆井液與完井液， 2017， 34（3）：89-93， 98.

WANG Xiuling, REN Wenliang, ZHOU Zhanyun, et al.Selection and application of toughening agent used in cementing gas storage well[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid，2017，34（3）：89-93，98.

針對儲氣庫生產對水泥石韌性的特殊要求，優選了粒徑為0.15～0.18 mm經表面改性的橡膠粉作為彈性材料，聚丙烯纖維作為增韌材料，通過實驗確定彈性材料和增韌材料的最佳加量分別為3.0%和0.1%，并配合使用PVA膠乳類降失水劑，改善水泥石脆性，提高耐沖擊能力及抗折能力，滿足水泥環頻繁高壓注采條件下的長期密封性。綜合評價了增韌水泥石的彈性模量、抗折強度、抗壓及膠結強度、滲透率及應力條件下水泥環密封性，與凈漿水泥石相比，彈性模量降低了43%，抗折強度增加了84.6%，滲透率小于0.05 mD，能夠滿足35 MPa壓力、35 ℃溫差下的水泥環密封性要求，適用于儲氣庫固井。

儲氣庫；固井；增韌低滲水泥漿； 增韌材料； 長期密封性

目前國內外在用的增韌材料主要有彈性顆粒，包括橡膠粉、瀝青[1-5]；纖維類材料，包括玻璃纖維、聚丙烯纖維和碳纖維等[3，6]；大分子聚合物材料，包括膠乳、樹脂類[7-8]。中油渤星公司開發了一種增韌防竄劑，主要成分為環氧樹脂，中石化工程院主要采用纖維+膠乳[9]，國外采用橡膠較多。據研究，降低彈性模量最好的是橡膠，其次是樹脂材料，膠乳、纖維對彈性模量的影響較小；對抗壓強度影響最大的是樹脂和膠乳，對水泥石抗拉強度提高最明顯的是纖維，這幾種材料對滲透率影響均不明顯。韌性材料對流變性和現場的混配也會產生一定影響：橡膠對流動度影響較大，樹脂也會引起漿體變稠；纖維類材料會發生結團現象，對混配產生一定影響；環氧樹脂使用時需單獨使用固化劑，對現場施工造成不便[10-11]。根據以上認識，選擇彈性增韌顆粒、纖維材料作為儲氣庫的增韌材料，通過優選類型、尺寸，確定單劑，并評價了不同加量組合對水泥漿性能的影響，確定最佳加量，與PVA膠乳類降失水劑一起協同作用，提高水泥石完整性。

1 增韌材料的優選

1.1 彈性增韌材料

將橡膠進行粉碎研磨之后形成不同粒徑的橡膠粉，通過表面改性使其顆粒表面由疏水轉為親水。研究表明，橡膠粉足量摻入水泥漿后可增大油井水泥石受壓前期塑性變形能力和受壓后期變形能力，當水泥石受沖擊力作用時，橡膠粉粒子發生彈性變形并吸收沖擊能，從而提高油井水泥石抗沖擊性能。粒徑過大會影響滲透率，過小則無效果，因而適宜粒徑為 0.15～0.18 mm。

1.1.1 彈性材料對強度及破形情況的影響

選擇粒徑為0.180 mm的丁苯橡膠粉A（M91S）和粒徑為0.125 mm的丁腈橡膠粉B（M93S）加入G級水泥凈漿中，進行60 ℃和100 ℃的24、48 h抗壓強度實驗，觀察破形情況，結果見表1。

表1 彈性材料對G級水泥凈漿強度的影響

從表1可以看出，凈漿水泥石脆性大，破形后破裂嚴重；加入彈性材料會降低強度，當A加量在3.0%以內時，降低不多，加量為2.0%與3.0%時強度值相近，3.0%脆性改善效果明顯，破形后依然保持試塊完整；加量為4.0%時，脆性改善明顯，但強度損失嚴重；B加量為2.0%時，強度影響不大，脆性依然很大，當加量為3.0%時，脆性改善，但強度損失嚴重。為此，選擇A（M91S）作為增韌劑中的彈性材料。

為進一步驗證實驗結果，進行了抗沖擊實驗，結果見表2。由表2可以看出，當彈性材料A加量為2.0%時，抗沖擊功增加了17.2%，再增加加量，改善有限。

表2 彈性材料加量對水泥石抗沖擊功的影響

1.1.2 彈性材料對稠度及稠化時間的影響

將不同加量的彈性材料加入G級凈漿中，在79 ℃、40 MPa、30 min條件下測試稠化時間及初始稠度，評價彈性材料加量對水泥漿產生的影響。隨彈性材料加量的增加，水泥漿稠化時間和稠度呈增加趨勢，當加量在2.0%以內時，稠化時間變化不大，但初始稠度增加明顯，稠度為40 Bc的可泵時間縮短；當加量在2.0%以上時，稠化時間、稠度均呈明顯增加趨勢，見表3。

表3 彈性材料加量對水泥漿稠化時間的影響

從表1～表3可以看出，加量為2.0%～3.0%的彈性材料A加入水泥漿中，可提高水泥石抗沖擊能力，但同時抗壓強度降低，稠化時間延長，漿體稠度增加，但都在可接受的范圍。為此，將其確定為增韌劑的主要成分，加量定為3.0%。

1.2 纖維材料

纖維材料種類很多，有合成纖維和天然植物纖維，其中合成纖維性能穩定，耐酸耐堿，成為目前使用的主要產品。選擇碳纖維C和聚丙烯纖維D，加入水泥漿中， 評價纖維材料對水泥石抗壓強度和破形情況的影響， 見表4。從表4可以看出， 加入0.1%纖維D，可有效阻裂；加入0.5%纖維C，強度增加，脆性有一定改善， 加量為1.0%時韌性很好，但強度又損失較多，故將纖維C的加量定為0.8%。

將3.0%彈性材料M91S加入G級水泥中，配成密度為1.90 g/cm3的水泥漿， 分別加入0.8%纖維C和0.1%纖維D，測試其對稠化時間和稠度的影響，結果見表5。可以看出，纖維C、D均縮短了稠化時間，增加了初始稠度。考慮到經濟性，選擇D作為水泥增韌材料。將彈性材料M-91S與纖維D作為水泥石的增韌材料，2者互相補充，共同作用，改善水泥石脆性，增加耐沖及阻裂能力，提高水泥環的完整性。

表5 纖維對水泥漿稠化時間的影響

2 增韌材料應用及水泥漿性能評價

為更好地提高水泥漿韌性及綜合性能，將PVA膠乳類降失水劑M-89L與彈性材料、纖維配合使用，起到控制失水、提高漿體穩定性、填充顆粒空隙、增加水泥漿彈性的作用。在G級高抗硫油井水泥中加入分散劑、彈性材料、纖維、增強劑、調凝劑等形成增韌低滲水泥漿體系，按文23儲氣庫設計條件對水泥漿性能進行評價。

2.1 水泥漿常規性能

按API規范對增韌低滲水泥漿體系的漿體性能進行評價，實驗溫度為70 ℃，見表6和圖1。該水泥漿配方如下。

1#G級水泥+0.6%USZ+6.0%M-89L+0.1%纖維B+3.0%M-91S+1.5%M-100S 2#1#+ 0.3%緩凝劑M-61L 3#1#+ 0.4%M-61L

表6 低滲增韌水泥漿體系常規性能評價

圖1 增韌低滲水泥漿稠化曲線

由表6可知，增韌低滲水泥漿的各項性能良好，稠化時間可調，漿體穩定，失水量小于25 mL，零游離液，SPN值小于3，防竄性能良好。由圖1可以看出，該水泥漿呈近似直角稠化。

2.2 水泥石抗壓強度與膠結強度

對水泥石進行常壓和增壓養護48 h；采用界面膠結強度試模進行膠結強度的成型和測試，養護條件為60 ℃、常壓、24 h，見表7。由表7可以看出，與凈漿水泥石相比，增韌低滲水泥石強度未過多損失，膠結強度明顯增加，增加幅度為24%，降低了水泥環被拉應力拉脫、形成微環隙的風險。

表7 水泥石抗壓及膠結強度評價

2.3 水泥石韌性

將增韌低滲水泥漿和G級凈漿在80 ℃養護48 h，利用Toni多功能水泥石力學實驗機開展評價，測試彈性模量和抗折強度，結果見表8。由表8可以看出，增韌低滲水泥石韌性良好，與凈漿相比，彈性模量降低了43%，抗折強度增加了84.6%。

表8 不同配方水泥石的韌性評價

2.4 水泥石氣體滲透率及SEM分析

2.4.1 水泥石氣體滲透率

將增韌低滲水泥漿和凈漿分別倒入模具，在70 ℃、21 MPa 及100 ℃、21 MPa條件下養護48 h，采用ULTRA-PERM 500氣體滲透儀測試水泥石滲透率，結果見表9。由表9可知，增韌低滲水泥石滲透率明顯改善，與凈漿水泥石相比，70和100 ℃下分別降低了93.25%和94.2%。

表9 水泥石氣測滲透率

2.4.2 水泥石SEM分析

對增韌低滲水泥石進行SEM分析，微觀形貌見圖2。微觀形貌顯示摻入的膠乳、彈性顆粒及纖維未對水化產物產生影響，主要的水化產物為絮狀的C—S—H凝膠和片狀的Ca（OH）2及少量針狀鈣礬石（AFt）或單硫型水化硫鋁酸鈣（AFm）。孔隙結構表明，膠乳中顆粒微小的膠粒有效地填充了水泥水化產生的孔隙及微裂縫，且細化了孔徑。微觀形貌顯示，膠乳在水化產物表面積聚成連續薄膜的膠粒，和水化產物一起形成互相滲透復合的立體網狀結構；在水泥微縫隙間形成橋接，抑制微縫隙發展，分散水泥石的應力集中。摻入彈性粒子后，增加了水泥石的孔隙率，粗化了孔徑；當水泥石受荷載作用時，水化產物顆粒作為水泥石的骨架結構，是應力的傳遞介質，將應力傳遞到均勻分布于其間的彈性粒子上，彈性粒子起到緩沖作用，可以提高水泥石的形變能力，降低其彈性模量。

圖2 增韌低滲水泥石微觀形貌

2.5 應力疲勞下的水泥環密封性

利用TNM-1型天然氣水泥環長期密封性模擬評價裝置，模擬文23儲氣庫井運行時井內壓力和溫度變化規律，模擬注采條件對增韌低滲水泥石進行密封性評價，分析水泥環應力狀態和密封能力。

對水泥石進行35 MPa壓力疲勞實驗，套管內最大壓力為35 MPa，恒載一定時間后卸壓，卸壓至0后保持規定時間，然后加壓，如此循環加載100次，測定壓力變化與出氣量，結果見圖3。由圖3可以看出，套管與水泥環的界面以及水泥環與外筒的界面均沒有發生氣竄現象，水泥環密封完整性保持完好。

對水泥環進行35 MPa、35 ℃溫差下壓力、溫度變化與出氣量實驗，結果見圖4。圖4結果顯示，水泥環保持密封性，沒有發生氣竄現象。水泥環在套管內壓及溫度變化下，所受應力增加，但水泥環本體仍然沒有發生強度破壞，出現裂縫，或水泥環發生較大的塑性變形，未出現微環隙。從密封性評價結果來看，增韌水泥漿體系形成的水泥環對注采產生的交變應力及井筒內溫度變化有著良好的適應性，抗疲勞能力強，能夠滿足周期性注采需要。

圖3 增韌低滲水泥環在35 MPa交變應力下的壓力變化與出氣量

圖4 增韌低滲水泥環在35 MPa和35 ℃溫差下壓力、溫度變化與出氣量

3 現場應用

文23儲氣庫目前已完成二開固井5口，全部采用增韌低滲水泥漿體系，其中3口井，初步評定全部為優良井。

文23儲4-8井二開完鉆井深為2 890 m，使用φ320 mm鉆頭下入φ273.1+φ282.58 mm套管，鉆遇位于2 302～2 798 m的文23鹽層，采用外徑為282.58 mm、壁厚為17.32 mm、鋼級為G125V的加厚氣密封扣套管，使用密度為1.49 g/cm3飽和鹽水鉆井液，常規一次性注水泥，全井封固。

該井鉆遇巨厚鹽層，厚度為496 m，井徑不規則，加之井況復雜，固井前經多方協商，未下扶正器，頂替效率難以保證；一次封固段長，裸眼段地層薄弱，多方決定不做承壓試驗，固井中存在井漏風險；加之水泥漿濾液對鹽層產生溶蝕影響界面膠結，而儲氣庫運行對氣庫蓋層質量要求嚴格，固井面臨非常大的困難。

采取的主要技術措施為下套管前認真通井，保證井眼暢通；采用強彈性雙作用浮鞋和浮箍，確保密封效果；下套管后單凡爾頂替井眼后逐漸增大排量，排量最大為25 L/s，泵壓不大于6 MPa；沖洗型隔離液占環空200 m；采用雙密度雙凝水泥漿固井，使用密度為1.52 g/cm3非滲透高強低密度+使用密度為1.90 g/cm3增韌低滲水泥漿體系，低密度返至地面，高密度返至井深2 100 m。

在華銀G級高抗油井水泥中加入分散劑、彈性材料、纖維、增強劑、緩凝劑組成增韌低滲水泥漿體系，在73 ℃、48 MPa、30 min實驗條件下，稠化時間為230 min，初始稠度為10 Bc，失水量為22 mL，游離液為0，上下密度差為0，頂、底部抗壓強度分別為29.4 MPa、30.8 MPa。

實際施工中注入低密度水泥漿100 m3、高密度水泥漿30 m3，水泥漿返出地面約10 m3，關井72 h候凝，候凝期間不得進行任何作業。72 h后測井結果為優質。

4 認識及結論

1.粒徑為0.15～0.18 mm經表面改性的橡膠粉加量在2%～3%時可有效降低水泥石彈性模量，同時不過多損失強度。

2.彈性材料、聚丙烯纖維、PVA膠乳類降失水劑協同作用，可有效改善水泥石脆性，提高耐沖擊及阻裂能力。

3.增韌水泥石與凈漿水泥石相比，彈性模量降低了43%，抗折強度增加了118%，滲透率小于0.05 mD，能夠滿足35 MPa壓力、35 ℃溫差下的水泥環密封性要求，適用于儲氣庫固井。

4.經二開固井現場應用，增韌低滲水泥漿體系滿足儲氣庫蓋層固井需要，目的層固井擬繼續采用該體系。

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Selection and Application of Toughening Agent Used in Cementing Gas Storage Well

WANG Xiuling, REN Wenliang, ZHOU Zhanyun, LIU Weijun, SUN Li, HOU Ping
(Cementing Branch of Zhongyuan Petroleum Engineering Ltd., Sinopec, Puyang, Henan 457001)

A toughness-enhanced cement slurry was formulated to cement gas storage wells which have special requirements for the toughness of set cement. A surface modified rubber powder (particle size between 0.15 mm and 0.18 mm) and a polypropylene fiber were used in the cement slurry as an elastic enhancer and a toughening agent, respectively. The optimum concentrations of the elastic enhancer and the toughening agent were determined to be 3.0% and 0.1%, respectively, through laboratory experiments. PVA latex was used as a filter loss reducer to minimize the brittleness of the set cement, improving its impact resistance and antibreaking performance, and satisfying the needs of cement sheath for long-term airtightness under frequent high-pressure injection and production. Laboratory experiments were done to evaluate the toughness-enhanced set cement for its elastic modulus, anti-breaking strength, compressive strength, bonding strength, permeability, and the airtightness of the cement sheath under stress. Compared with the set cement formed with base cement slurry, the elastic modulus of the toughness-enhanced cement slurry was reduced by 43%, the anti-breaking strength was increased by 118%, and the permeability of the set cement was less than 0.05 mD. These data indicated that the toughness-enhanced cement slurry was able to satisfy the needs for airtightness of the cement sheath under 35 MPa and 35 ℃temperature difference, suitable for cementing gas storage wells.

Gas storage; Set cement; Toughness-enhanced cement slurry;Toughening agent; Long-term airtightness

TE256

A

1001-5620（2017）03-0089-05

2016-12-5；HGF=1702M1；編輯 馬倩蕓）

10.3969/j.issn.1001-5620.2017.03.018

中國石油化工集團公司研究項目“枯竭砂巖氣田改建儲氣庫鉆完井關鍵技術研究”（JP14028）。

王秀玲，高級工程師，1973年生， 1994年畢業于西北大學，現在主要從事固井水泥漿體系的研究工作。電話 13939361820；E-mail：13939361820@163.com。