膠乳粉固井水泥漿體系研究與應用*

宋建建，許明標，王曉亮，張 敏，胡 順，杜佳琪

（1.長江大學石油工程學院，湖北武漢 430100；2.非常規油氣省部共建協同創新中心，湖北武漢 430100；3.油氣鉆采工程湖北省重點實驗室，湖北武漢 430100；4.荊州嘉華科技有限公司，湖北荊州 434000）

隨著頁巖氣等非常規油氣勘探開發的進行，油氣井的地質工程狀況越來越復雜，多級壓裂完井技術在非常規頁巖層中的引入，使得井眼環境產生了較極端的壓力循環，容易發生水泥環密封失效的問題［1-2］。盡管波特蘭水泥以相對低的成本實現了較高的無圍壓抗壓強度，但它是一種天然脆性材料，直接用于固井不能對油氣井形成長期有效的封固［3］。

針對水泥漿封固作用在井筒中失效的風險，研究表明彈韌性水泥漿體系是保障固井質量和水泥環長期封隔能力的關鍵［4-5］。膠乳水泥漿是在常規水泥漿基礎上，加入膠乳類聚合物材料形成的水泥漿體系。張弛等［6］使用DRT-100L膠乳液和DRT-100LT膠乳穩定劑構建的低溫膠乳鹽水水泥漿體系綜合性能優良，硬化后的水泥石的彈性模量比原漿水泥石低，有助于提高水泥石抗沖擊破壞的能力。高輝等［7］使用膠乳和穩定劑構建膠乳水泥漿體系，硬化后水泥石的滲透率低，彈性和抗拉強度高，抗沖擊能力強。靳建洲等［8］使用丁苯膠乳BCT-800L 和穩定劑BCT-830L 配制出防氣竄韌性膠乳水泥漿，該水泥漿體系常規性能較好，硬化后水泥石的韌性增強，彈性模量較低。Pavlock等［9］使用了膠乳構建水泥漿體系應用在海恩斯維爾頁巖氣固井作業中，與純水泥漿相比，該膠乳水泥漿所形成水泥石的抗壓強度略有下降，彈性模量降低，加入的膠乳類材料可提高水泥石的韌性，有助于增強固井長期封固穩定性，現場應用效果好。

目前，應用在固井水泥漿體系中的膠乳類材料主要以膠乳液為主，膠乳液受到機械力及高溫環境的影響，體系內分子運動加快，容易發生破乳現象，因此常常需要輔以膠乳穩定劑才能較好地使用。此外，液體膠乳在使用過程中容易受到應用環境的影響導致漿體不穩定。為了開發性能穩定且優異的膠乳水泥漿體系，室內研究了固體膠乳粉及水泥漿體系關鍵添加劑材料，構建了膠乳粉水泥漿體系，研究了膠乳水泥漿體系的性能及微觀結構，并報道了該膠乳粉水泥漿體系在頁巖氣開發現場的應用情況。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

G 級油井水泥，葛洲壩特種水泥廠；消泡劑CX66L、增強劑STR，膨脹劑BOND，荊州嘉華科技有限公司；分散劑DIP-S、降失水劑FLO-S、緩凝劑REM、固體膠乳粉，實驗室自制。添加劑選擇過程中的其它材料來自于市售產品。

TG-3060A 型恒速攪拌器，沈陽泰格石油儀器設備制造有限公司；ZNN-D6B 型電動六速黏度計，青島海通達專用儀器有限公司；TG-8040DA型增壓稠化儀，沈陽泰格石油儀器設備制造有限公司；TG-71 型高溫高壓失水儀，沈陽泰格石油儀器設備制造有限公司；HJJY-50 型液晶顯示簡支梁沖擊試驗機，承德市世鵬檢測設備有限公司；HY-20080 型微機控制電子萬能材料試驗儀，上海衡翼精密儀器有限公司；YM-3型液體密度計，青島海通達專用儀器有限公司；SU 8010 型冷場發射掃描電鏡，日本Hitachi公司。

1.2 實驗方法

（1）性能測試

水泥漿的配制和相關試驗均依據國家標準GB 10238—2005《油井水泥》和GB/T 19139—2012《油井水泥試驗方法》的相應規定進行，水泥漿水灰比為0.44。水泥漿流變性和失水量的測試溫度均為90 ℃，稠化時間的測試條件為：溫度90 ℃、壓力45 MPa。將水泥石在90 ℃（或60 ℃）養護24 h，測試抗壓強度、抗沖擊強度、彈性模量和抗竄強度。

（2）微觀形貌測試

將水泥石在90 ℃下養護24 h后壓碎，選取其中表面較為規整的薄片終止水化，將試樣放入烘箱內在60 ℃下恒溫12 h，待樣品冷卻后，將其粘貼在試樣臺上，使用掃描電鏡觀察試樣的微觀形貌。

2 結果與討論

2.1 關鍵添加劑對水泥體系性能的影響

2.1.1 膠乳粉的影響

固體膠乳粉是液態膠乳經處理后通過噴霧干燥的方式而獲得的固體顆粒狀膠乳粉末，當它與水混合時經過適當攪拌即可完全溶于水中，轉化為穩定的乳液。膠乳粉加量對水泥體系性能的影響見表1和圖1。膠乳粉摻入水泥漿中后，膠乳水泥漿不存在自由液，說明加入膠乳粉能提高水泥漿的穩定性。隨著膠乳粉加量的增大，水泥漿的失水量下降，稠化時間縮短。膠乳粉具有一定的降失水能力，可在一定程度上降低水泥漿的濾失，因此使用膠乳粉構建水泥漿體系時需要添加合適的緩凝劑來調節稠化時間。加入膠乳粉可以降低水泥漿所形成水泥石的抗壓強度和彈性模量，提高抗沖擊強度，與空白水泥石相比，當膠乳粉摻量為3%時，所形成水泥石的抗壓強度和彈性模量分別降低了9.8%和38.3%，而抗沖擊強度提高了33.1%。這說明膠乳粉能顯著提高水泥石的彈韌性，有助于提高水泥石抵抗外力破壞的能力。

表1 不同膠乳粉加量水泥漿的常規性能

圖1 不同膠乳粉加量水泥石力學性能

2.1.2 分散劑的影響

在固井施工過程中，具有較好流變性的水泥漿的可泵性能好，能在低泵壓下實現紊流頂替，提高固井質量。水泥漿在流動過程中需要破壞顆粒之間的黏結作用而使漿體產生運動［11-12］，通常來說，無添加劑的純水泥漿流變性較差，較好的解決方法是外摻分散劑材料降低漿體結構與顆粒間的黏結力。室內研究了加量為0.5%的不同分散劑改善膠乳粉水泥漿流變性的效果，結果見表2。在相同加量情況下，不同的分散劑均能改善水泥漿的流變性，但是分散劑F56S 摻入膠乳粉水泥漿后，水泥漿出現了少量的自由液，水泥漿的穩定性降低。分散劑DIP-S 對流變性改善效果最大，且水泥漿無自由液產生。分散劑DIP-S 是一種陰離子表面活性劑，被加入水泥漿中后，陰離子大分子吸附在水泥顆粒表面正電荷位置上，使粒子表面帶同性電荷而互相排斥，從而達到分散的目的。此外，相同電性的斥力作用可抑制顆粒聚集，使水泥漿體系處于相對穩定的懸浮狀態。因此，在設計膠乳粉水泥漿時，使用分散劑DIP-S作為水泥漿分散劑。

表2 不同分散劑改善膠乳粉水泥漿流變性的效果

為進一步研究分散劑DIP-S對水泥漿性能的影響規律，室內評價了分散劑加量對水泥漿的流變性及穩定性的影響，實驗結果見表3。從表3 可知，隨著分散劑DIP-S 加量的增大，水泥漿流變性讀數變小。分散劑DIP-S 能有效調節水泥漿的流變性，但是當分散劑加量大于0.6%時，水泥漿出現少量的自由液，引起漿體不穩定，因此，使用分散劑DIP-S 時需要控制其加量，在膠乳粉水泥漿中分散劑DIP-S加量以0.6%較合適。

表3 不同分散劑DIP-S加量水泥漿流變性

2.1.3 降失水劑的影響

若水泥漿沒有進行降失水處理，其失水量通常較大。大量的水泥漿濾液進入地層會引起儲層損害，降低地層的滲透率，影響油氣井產量［13］。含有3%的不同降失水劑的水泥漿的失水量如表4所示。與空白膠乳粉水泥漿相比，摻入不同的降失水劑后的膠乳粉水泥漿濾失量均有不同程度的降低，其中降失水劑FLO-S對水泥漿的濾失量影響最大，能顯著降低膠乳粉水泥漿的濾失量。其原因可能是由于FLO-S 是一種陰離子聚合物降失水劑，在水泥漿中分散后，一方面提高了水泥漿的黏度，增大了濾失阻力，使水泥漿不易脫水，另一方面聚合物分子鏈上的極性基團通過吸附、溶劑化等作用，使水泥顆粒橋接形成網狀結構，束縛更多的自由水，并形成結構致密的濾餅，從而降低水泥漿的失水量。因此選擇降失水劑FLO-S作為水泥漿合適的降失水劑。

表4 不同降失水劑下水泥漿的失水量

為進一步研究降失水劑FLO-S 對水泥漿性能的影響規律，室內評價了降失水劑加量對水泥漿性能的影響，實驗結果見圖2。由圖2 可知，隨著降失水劑FLO-S 加量的增大，水泥漿失水量下降明顯。當降失水劑摻量大于2%時，水泥漿失水量小于50 mL，可滿足氣井固井要求。

圖2 不同FLO-S加量對水泥漿失水量的影響

2.1.4 緩凝劑的影響

由于井況的差異，固井要求的稠化時間大多不盡相同，因此在進行水泥漿體系設計時需要根據現場施工的實際情況加入緩凝劑調節水泥漿的稠化時間［14］。向膠乳粉水泥漿中加入0.5%的不同緩凝劑，緩凝劑對水泥漿的緩凝效果見表5。不同的緩凝劑摻入水泥漿中均能延長水泥漿的稠化時間，其中緩凝劑REM 和緩凝劑HPA 對緩凝效果最明顯，但是緩凝劑HPA的稠化轉化時間較長，這對于氣井固井作業是不利的。緩凝劑REM 在水泥漿中能吸附在水泥顆粒的表面，使水泥的溶解和水化速率降低，并通過絡合作用與Ca2+形成絡合物，降低溶液中Ca2+濃度，具有較好的緩凝效果，因此，選擇緩凝劑REM作為膠乳粉水泥漿的緩凝劑。

表5 不同緩凝劑水泥漿的稠化時間

緩凝劑REM 加量對水泥漿稠化時間的影響見圖3。從圖3 可以看出，緩凝劑REM 能有效延長水泥漿的稠化時間，當REM加量為0.4%時，水泥漿的稠化時間達到203 min，滿足固井施工的要求，但是過多的緩凝劑不利于固井施工作業。因此，緩凝劑REM應用在膠乳水泥漿中的適宜加量為0.4%～0.6%。

圖3 緩凝劑REM加量對水泥漿稠化時間的影響

2.1.5 消泡劑的影響

水泥漿產生氣泡是較復雜的物理化學變化。氣泡在水泥漿中主要以連續可見地分散在水泥漿液面上和不連續地分散于水泥漿內部兩種方式存在，造成施工時水泥漿稠度增加，密度降低［15-17］。膠乳粉水泥漿體系以聚合物作為彈韌性改性材料，因此水泥漿在配制過程中更易起泡。向膠乳粉水泥漿中加入1%的不同消泡劑，水泥漿的理論密度和實測密度如表6 所示。當不使用消泡劑時，膠乳粉水泥漿嚴重起泡，實測密度與理論密度差別較大；摻入消泡劑后均具有一定的消泡效果。配制理論密度為1.90 g/cm3的水泥漿，經普通消泡劑處理后的實測密度為1.83～1.87 g/cm3，而使用消泡劑CX66L配制的水泥漿實測密度為1.89 g/cm3。消泡劑CX66L具有較低的表面張力，在水泥漿中展開可排除泡沫膜表面的一層液體，同時在泡沫膜表面產生擾動，破壞膜的平衡，最終使泡沫破裂，迅速消泡。因此，膠乳粉水泥漿體系選用CX66L作為體系的消泡劑。

表6 加入1%的不同消泡劑后膠乳粉水泥漿的密度

2.2 膠乳粉水泥漿的綜合性能

通過主要添加劑研究構建的膠乳粉水泥漿體系配方為：100% G 級水泥+44%淡水+3%膠乳粉+2%降失水劑FLO-S+0.4%緩凝劑REM+0.6%分散劑DIP-S+2%增強劑STR+1%膨脹劑BOND+1%消泡劑CX66L（密度1.9 g/cm3）。水泥漿的常規性能和養護24 h 后的水泥石的綜合性能評價結果見表7。膠乳粉水泥漿在60 ℃和90 ℃條件下的流變性均較好，流性指數n大于0.5，稠度系數K小于0.7，且溫度越高，水泥漿流變性越好。膠乳粉水泥漿在不同溫度下的稠化時間和失水量均能滿足固井要求，無自由液形成，漿體穩定。從力學性能方面來看，膠乳粉水泥漿在60 ℃和90 ℃條件下24 h的抗壓強度都大于24 MPa，彈性模量較低，抗沖擊強度高，水泥石具有良好的彈韌性。此外，膠乳粉水泥漿的抗竄強度較高。實驗結果表明，膠乳粉水泥漿體系常規的施工性能較好，能較好地滿足固井要求，且水泥漿力學性能好，彈韌性高。

表7 膠乳粉水泥漿體系性能

2.3 微觀形貌

為研究膠乳粉水泥漿的微觀結構，使用掃描電鏡觀察了構建的膠乳粉水泥漿所形成水泥石的微觀形貌，并與空白水泥石微觀形貌進行對比，實驗結果見圖4。

圖4 空白水泥石（a）和膠乳粉水泥石（b）的掃描電鏡圖片

空白水泥石掃描電鏡圖片（見圖4（a））中可觀察到水泥石內部纖維狀和網狀的水化硅酸鈣與片狀的氫氧化鈣存在，水化產物形貌清晰。膠乳粉水泥漿硬化后，膠乳形成的聚合物膜覆蓋在水泥水化產物表面，并與水化產物相互穿插黏結形成一個整體（見圖4（b））。當膠乳水泥石遭受外部載荷破壞時，在水泥石缺陷和微裂縫處的柔性聚合物膜可以分散水泥石內部的應力，增大了水泥石的形變能力和抗沖擊能力，從而提高了水泥石的彈韌性和長期封固能力。

3 現場應用效果

以焦頁某井為例，該井是重慶涪陵頁巖氣區塊一口開發井，完鉆井深5596 m，水平段長1701 m。固井水泥漿體系設計采用雙凝防漏水泥漿體系有效封固裸眼井段，界面設計在3000 m。領漿水泥漿設計為防漏水泥漿，在領漿中加入碳纖維保證領漿通過漏層時具有一定的堵漏功能，降低漏失發生幾率；封固0～3000 m（段長3000 m），要求水泥漿密度約1.85 g/cm3，稠化時間270～330 min，控制領漿濾失量小于100 mL。尾漿水泥漿設計為常規密度彈韌性膠乳粉水泥漿體系，保證安全高效封固水平段，提高固井質量；封固段為3000～5596 m（段長2596 m），要求水泥漿密度約1.88 g/cm3，稠化時間200～260 min，控制濾失量小于50 mL。固井作業過程中使用的膠乳粉水泥漿實測失水量46 mL，90 ℃養護24 h后的抗壓強度達到26.1 MPa，稠化時間208 min，流變性滿足頂替要求。固井作業完成后候凝72 h測聲幅，固井質量合格率100%。

4 結論

膠乳粉摻入水泥漿中后對水泥漿的穩定性、失水量、稠化時間無不利影響，少量降低了水泥石抗壓強度，顯著提高了水泥石的彈韌性。

分散劑DIP-S、降失水劑FLO-S、緩凝劑REM和消泡劑CX66L在水泥漿中作用效果好，能較好地控制水泥漿的流變性、失水量、稠化時間，有效抑制水泥漿的起泡。

膠乳粉水泥漿在不同溫度條件下的施工性能較好，能較好地滿足固井要求。水泥漿具有一定的膨脹性，力學性能好，彈韌性高，封隔能力強，且水泥石內部形成聚合物膜，有助于提高聚合物水泥漿的彈韌性。

膠乳粉水泥漿體系在頁巖氣固井現場應用效果好，具有較好的推廣應用價值。