提高水泥層間封隔能力的低密度彈性密封水泥漿性能評價*

幸雪松，孫 翀，許明標，王曉亮，楊曉榕，彭石峰

（1.中海油研究總院有限責任公司，北京 100028；2.長江大學非常規油氣湖北省協同創新中心，湖北武漢 430100；3.荊州嘉華科技有限公司，湖北荊州 434000）

0 前言

固井施工質量的好壞直接影響油氣井的壽命。在復雜井和水平井固井施工過程中，低密度水泥漿水泥凝固后，水泥石表現為脆性，其抗壓強度、抗折強度和抗沖擊性能較差［1-2］。水泥環在套管試壓、射孔壓裂及地層溫度升高等情況下會出現細微的裂縫。當受到大量頻繁的物理和機械作用時，裂縫逐漸變大，造成水泥環破碎及密封質量下降，導致固井失效，從而發生套管損壞等一系列嚴重的問題［3-4］，直接影響油氣田的產能和高效開發［5］。國內學者的研究表明，導致層間封隔失效的主要原因之一是水泥石彈性形變能力差，其次是彈韌性材料能否與水泥石共同承受沖擊力，阻止裂紋的擴張，保證水泥石的整體性能［6-7］。目前，常用的方法是在水泥漿中加入纖維、膠乳及橡膠材料，改善水泥漿的抗拉、抗折等性能，降低水泥石的彈性模量，使水泥石具有更好的形變能力。

在提高水泥石彈性形變能力方面，李文蕾等［8］提出的玄武巖纖維是一種無污染的材料，在纖維增強混凝土工程中得到了應用，技術已較為成熟。羅洪文等［9］對玄武巖纖維改性油氣井水泥石的力學性能進行了研究，發現玄武巖纖維在小加量范圍內對水泥漿的流動度影響不大，且玄武巖纖維和聚丙烯纖維均在一定加量范圍內可以提高水泥石的抗拉強度、抗折強度和抗壓強度。除此之外，玄武巖纖維改善水泥石韌性的效果好于聚丙烯纖維。孫建磊等［10］發現玄武巖纖維具有較高的拉伸強度和彈性模量，但由于純天然玄武巖熔體導熱性能差，析晶上限溫度較高容易析晶，使得玄武巖纖維制備過程中有著成纖難度大、工藝控制條件嚴格和設備適應性高等技術難點，同時使用成本也較高。譚春勤［11］和張清［12］等通過在水泥漿中摻入膠乳、纖維和有機顆粒來提高水泥石的彈塑性。當加入彈塑材料后，水泥石抗折強度變大、脆度系數變小、彈性模量和體積模量降低。但該方法僅對常規密度水泥漿具有降低彈性模量等效果，沒有針對低密度水泥漿進行研究。王濤等［13］在水泥漿中加入纖維、膠乳等形成高韌性、高彈性水泥漿。但該類水泥漿在增強水泥石彈韌性的同時，也會相應地降低水泥石的強度，且膠乳加量大、易破乳、成本高。李早元等［14］將彈性顆粒橡膠加入水泥漿以實現油井水泥降脆增韌的效果。但橡膠顆粒表面為疏水性，影響了其在漿體內的均勻分布，且過多的橡膠摻量會增大水泥石孔隙，對水泥石抗壓強度和結構的影響較大。王銀東等［15］采用焦炭粉來改性水泥石彈性形變能力，但焦炭粉顆粒對水泥石彈性參數的影響與橡膠粉相似。將焦炭粉加入水泥漿中，整個體系強度分布不均，且焦炭粉的抗壓強度低于水泥顆粒強度，導致整個水泥石體系抗壓強度明顯下降。孫坤忠等［16］優選了新型彈性材料SEP-1 和SEP-2，對耐高溫水泥漿體系采用C—S—H 凝膠相塑化和增孔方法改造水泥石的脆性。但該彈性材料憎水，導致顆粒界面與水泥水化產物間存在膠結強度較低的界面，進而影響水泥石力學性能。

為了滿足低密度水泥石具有良好彈韌性的同時，又能提高水泥石的強度，室內將固化劑與環氧樹脂按照一定比例混合制備膠液彈性劑（RES-1）。在制備過程中選用二羥甲基丁酸（DMBA）親水擴鏈劑引入一種特殊親水基團，使得彈性劑RES-1 具有親水性。然后，將彈性劑RES-1加入水泥漿中，研究了RES-1的性能及其與相關添加劑協同作用對水泥漿性能的影響規律。由于RES-1膠液中含有環氧基等極性基團，使環氧凝膠產物具有很高的黏結強度，實現水泥石增韌增彈的效果。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

嘉華G 級油井水泥，四川嘉華特種水泥廠；淡水（自來水）；丙酮甲醛縮聚物分散劑（CF44L）、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）、聚合物類降失水劑（CG88L）、有機磷酸鹽類緩凝劑（H21L）、聚丙烯酰胺類增強劑（STR）、改性有機硅類消泡劑（CX601L）、無機鹽類促進劑（CN-R）、酸酐類固化劑（ST）、活性硅類納米液體減輕劑（C60L，由硅酸鈉、納米微孔活性硅粉、無水乙醇、羧酸鹽類表面活性劑制得）、液體纖維、環氧樹脂、膠乳，荊州嘉華科技有限公司；彈性劑（RES-1），自制。

DFC-0708型恒速攪拌器，沈陽金歐科石油儀器技術開發有限公司；ZNN-D6B 六速旋轉黏度計，青島海通達專用儀器有限公司；TG-8040DA增壓稠化儀、TG-71高溫高壓失水儀，沈陽泰格石油儀器設備制造有限公司；HY-20080 型萬能材料試驗機，上海衡翼精密儀器有限公司；TAW-2000 巖石三軸試驗機，長春市朝陽試驗儀器有限公司；高溫高壓固井水泥環氣密完整性評價儀、高溫高壓固井壁面驗竄儀，自制；SU8010冷場發射掃描電子顯微鏡，日本日立公司。

1.2 實驗方法

（1）彈性劑RES-1 的制備。室溫下將環氧樹脂和ST固化劑按照一定比例混合后，放入模具用烘箱（65～120 ℃）烘烤，固化約20 min 后得到高溫的凝膠試樣，然后將高溫凝膠體放入冷水中水浴約2 min，即得到膠液彈性試樣RES-1。

（2）水泥漿常規性能評價。按照國家標準GB 10238—2005《油井水泥》和GB/T 19139—2012《油井水泥試驗方法》評價水泥漿的性能。采用六速旋轉黏度計測定水泥漿的流變性，測定條件為90 ℃×20 min；采用高溫高壓失水儀測定水泥漿的失水量，測定條件為90 ℃×8 MPa×30 min；采用高溫高壓稠化儀測定水泥漿的稠化時間，測定條件為90 ℃×45 MPa×45 min。

（3）水泥石力學性能評價。水泥石配方為：100%水泥+20% STR+52%淡水+2.5% CG88L+1.5% CF44L+0.4% H21L+1% CX601L+液體纖維。水泥石養護條件為90 ℃×24 h。采用萬能材料試驗機測試RES-1的抗壓強度、抗折強度、抗沖擊強度等力學性能。

（4）水泥石應力應變測試。將彈性密封水泥漿體系按配方制作成直徑25 mm、長度50 mm 的巖心，然后用巖石三軸試驗機測量巖心的三軸應力-應變曲線。

（5）水泥石抗竄性能測試。將配好的水泥漿緩慢注入模擬地層與套管的環空中，避免環空起泡，制作地層-水泥環-套管耦合膠結模型。然后，將含有水泥漿的模型吊入比地層巖心外徑更大的水泥環氣密完整性評價裝置的釜體中養護。養護條件為溫度90 ℃、壓力20～40 MPa。達到養護齡期24 h后，從釜蓋上給釜內加壓，記錄釜內壓力突然減小時的峰值（最大壓力值）作為抗竄的壓力。

2 結果與討論

2.1 低密度彈性密封水泥漿組分優選

2.1.1 增韌劑

液體纖維是由具有表面活性的1 mm長度碳纖維與1.5 mm碳纖維按質量比3∶1混合，再經特殊液化工藝處理得到的液體增韌防漏材料。液體纖維加量對水泥基漿抗壓強度、柔韌性及膠結性的影響如表1 所示。與未加液體纖維相比，加入了液體纖維的水泥石柔韌性明顯提高。加入2%液體纖維后，水泥石各項力學性能最好，抗壓強度、抗折強度及抗沖擊強度分別提高了25%、43%、85%。與固體纖維相比，液體纖維具有良好的水分散性，能均勻分散于配漿水中；在荷載作用下，可橫跨裂縫承受拉應力并可使液化纖維材料具有一定的延性，提高固井水泥漿的韌性和抗壓強度。加入液體纖維水泥石的剪切強度均大于3 MPa、拉伸強度均大于200 kPa，表明液體纖維提高了水泥石的膠結性能。因此，選擇液體纖維作為增韌材料加入水泥漿中，推薦加量為1%。

表1 液體纖維加量對水泥石力學性能的影響

2.1.2 納米液體減輕劑

水泥漿密度的降低一般通過摻入低密度材料（如粉煤灰）來實現，但常規粉煤灰低密度水泥漿沉降嚴重［17-18］。納米液體減輕劑C60L的密度為0.2～0.3 g/cm3，粒徑小于50 μm。將該材料與液體纖維復配使用，以提高水泥漿的性能。不同低密度減輕劑材料對水泥漿性能的影響如表2所示。在低密度（1.5 g/cm3）水泥漿體系中，相比于粉煤灰，納米液體減輕劑配制的水泥漿的抗壓強度明顯增強，且水泥漿上下密度差為0，說明水泥漿的懸浮穩定性好。這是由于納米液體減輕劑主要成分為納米活性硅。該納米粒子具有束水和吸附功能，可吸附于水泥顆粒表面，并與水泥水化產物反應產生H—Si—H凝膠結構［19］。該結構可起到懸浮水泥顆粒、穩定水泥漿體的作用。

表2 減輕劑對水泥漿性能的影響

2.1.3 彈性劑RES-1

（1）RES-1的微觀結構

由圖1可見，RES-1為連續無間的產膠結構，骨架結構致密，基本不存在孔洞，因此RES-1固化體具有很高的黏結強度。另外，RES-1 固化體表面有許多纖維狀凝膠顆粒，粒徑在5～50 nm之間。該納米顆粒具有較高活性，可以吸附水中的陰、陽離子，使得固化產物RES-1具有較好的親水性。RES-1的粒徑微小，可有效充填到水泥顆粒間，降低水泥石的滲透率，提高水泥石的強度。

圖1 RES-1的掃描電鏡圖像

（2）RES-1對水泥漿性能的影響

彈性劑RES-1加量對水泥漿性能的影響如表3所示。RES-1 分散于水中與水泥的級配良好。RES-1的加量在0～15%時，對水泥漿的流變性沒有明顯影響，延長了水泥漿的稠化時間。RES-1 可明顯增大水泥石的抗壓強度，降低水泥石的彈性模量。這是由于RES-1 能較好地分散于水泥中，凝膠顆粒與水泥水化產物有效黏結，使得水泥漿與骨料間形成具有高黏結力的膜，實現了水泥石增彈增韌的效果，從而改善水泥石的形變能力，有利于提高水泥環的密封完整性。

表3 RES-1加量對水泥漿性能的影響

（3）RES-1對抗竄性能的影響

室內采用高溫高壓固井壁面驗竄儀測試了RES-1對水泥環的抗竄能力。RES-1質量分數為0、5%、10%、15%時，水泥漿的抗竄強度分別為7.5、13.9、15.7、12.6 MPa/m2。加入RES-1 后，水泥漿的抗竄強度均大于10 MPa/m2，說明RES-1 具有良好的抗竄性能。當RES-1 加量為10%時，水泥石的抗竄性能最強，抗竄強度是未加RES-1的2.09倍，因此推薦彈性劑RES-1的加量為10%。

2.2 低密度彈性密封水泥漿的綜合性能

在優選了液體纖維增韌劑、納米液體減輕劑C60L和彈性劑RES-1的基礎上，對與其相容性良好的外加劑（如增強劑、降濾失劑等）進行了評價，優化得到性能良好的低密度彈性密封水泥漿體系，體系配方如下。（1）普通低密度水泥漿：100%水泥+9%粉煤灰+30% STR+57%淡水+2.5% CG88L+1%CF44L+0.8%H21L+1.0%CX601L+5%膠乳；（2）低密度彈性密封水泥漿：100%水泥+20% STR +52%淡水+2.5% CG88L+1.5% CF44L+0.4% H21L+1%CX601L+10% C60L+1%液體纖維+1.3% CN-R+10%RES-1。

2.2.1 低密度彈性密封水泥漿的常規性能

低密度彈性密封水泥漿和普通低密度水泥漿的性能對比如表4 所示。兩種水泥漿的流性指數（n）均大于0.7，稠度系數（K）均小于0.5 Pa·sn，說明兩種水泥漿的流變性均良好。相比于普通低密度水泥漿，低密度彈性密封水泥漿的失水量小于50 mL，水泥漿膨脹性更好，線性膨脹率達到0.45%，滿足固井基本要求。低密度彈性密封水泥漿的滲透率低于普通低密度水泥漿（降低69.5%），表明液體纖維增韌劑和彈性劑RES-1 能很好地分散于水泥中，水泥水化產物具有黏結和橋聯作用，調整了水泥試件內的應力分布，增加了水泥石結構的密實性，可以有效防止水泥石微裂縫的產生。

表4 低密度彈性密封水泥漿的常規性能

2.2.2 低密度彈性水泥漿的彈性特征

在80 ℃、圍壓18 MPa的條件下，采用巖石三軸試驗機測定水泥石的彈性模量。由圖2 可見，與普通低密度水泥石相比，低密度彈性密封水泥石的峰值應力下降了20.4%，峰值應變提高了98.8%，彈性模量下降78.4%。低密度彈性密封水泥石在受到外力壓縮時的彈性形變能力強，彈性模量低，有效改善了水泥石的密封性和彈韌性，提高水泥環層間封隔能力。同時，低密度彈性密封水泥漿的彈性極限應力為39.5 MPa，適合復雜井固井的運行壓力（10～36 MPa）。

圖2 水泥石單軸應力-應變測試曲線

2.2.3 低密度彈性密封水泥石的力學性能

室內測得低密度彈性密封水泥石的抗壓強度為27.2 MPa，比普通低密度水泥漿的抗壓強度（16.9 MPa）提高了61%。抗折強度是指水泥石單位面積承受彎矩時的極限折斷應力，又稱抗彎強度、斷裂模量，通常指水泥石材料受到彎曲負荷的作用而破壞時的極限應力［20］。由圖3 可見，在一樣的外力作用時，低密度彈性密封水泥石的抗折強度達到了7.89 MPa，相比于普通水泥石提高了87.9%，說明低密度彈性密封水泥漿具有良好的韌性，水泥石力學性能得到改善，滿足施工要求。

圖3 水泥石抗折強度曲線

2.2.4 水泥環封隔與防竄能力

室內采用自制的高溫高壓固井水泥環氣密完整性評價儀，通過模擬驗竄來測試水泥漿的封隔能力，實現水泥環密封效果的檢測。室內分別對兩種水泥漿模型進行了交變壓力驗竄測試，水泥環交變壓力范圍為20～40 MPa，升降壓力頻率5 次，90 ℃養護。水泥漿封隔與防竄能力測試結果如表5 所示。低密度彈性密封水泥漿在模擬封固中的抗竄強度均大于7 MPa/m2，表明該水泥漿的封固能力強。

表5 水泥漿封隔與防竄能力測試結果

3 結論

以環氧樹脂和酸酐類固化劑為原料制得的彈性劑RES-1 具有良好的親水性，能均勻分散于水泥顆粒間，與水泥水化產物形成緊密的網狀互穿交聯結構。經RES-1改性后的水泥基材料的彈性與變形能力大幅度提高，彈性模量最大降低51%，從而降低水泥石的脆性，10%的RES-1 可提高水泥石抗竄能力1.09 倍。將RES-1 與優選的液體纖維、納米液體減輕劑復配，構建的低密度（1.5 g/cm3）彈性密封水泥漿具有良好的彈韌性，水泥石的抗折強度為7.89 MPa、抗壓強度為27.2 MPa。與普通低密度水泥石相比，其線性膨脹率達到0.45%，滲透率和彈性模量降低，抗壓強度提高，實現了水泥石“高強度低彈性模量”的韌性轉變，提高了水泥的彈性形變能力，增強了水泥環在動態沖擊條件下的層間封隔能力。