聚合物膠乳協(xié)同聚丙烯纖維韌性化改造對(duì)油井水泥石性能的影響

李子軒　劉德華

摘????? 要：為解決高溫下水泥石韌性不足問(wèn)題，通過(guò)以聚丙烯纖維協(xié)同膠乳的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)水泥石的韌性化改造，分析不同聚丙烯纖維和膠乳加量下的膠乳/聚丙纖維水泥石綜合性能。結(jié)果表明：膠乳的摻入對(duì)水泥的抗壓強(qiáng)度會(huì)有一定影響，但對(duì)于提高水泥石的彈韌性則表現(xiàn)出積極作用;適量的纖維混入能在一定程度上解決膠乳水泥石強(qiáng)度降低問(wèn)題，且能進(jìn)一步強(qiáng)化水泥漿漿體穩(wěn)定性，起到有效的互補(bǔ)增強(qiáng)作用。

關(guān)? 鍵? 詞：固井;增韌;封隔;聚丙烯纖維;膠乳

中圖分類號(hào)：TE256 ???????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ????文章編號(hào)： 1671-0460（2020）07-1437-04

Effect of Polymer Latex and polypropylene

Fiber on the properties of oil well cement

LI Zi-xuan， LIU De-hua*

（School of Petroleum Engineering， Yangtze University， Wuhan Hubei 430100， China）

Abstract： In order to solve the problem of low toughness of cement under high temperature， the toughness transformation of the cement was carried out by adding polypropylene fiber and polymer latex，and the effect of different polypropylene fiber and polymer latex dosages on the comprehensive performance of latex/polypropylene fiber cement was analyzed. The results showed that the addition of latex had a certain negative effect on the compressive strength of cement， but it had positive effect on improving the elasticity and toughness of cement; Proper fiber mixing solved the problem of latex cement stone strength reduction to a certain extent， and further strengthened the stability of the cement paste slurry， playing an effective complementary enhancement role.

Key words： Cementing; Toughening; Sealing; Polypropylene fiber; Latex

固井是指鉆井作業(yè)中根據(jù)具體要求鉆至預(yù)定層段時(shí)下放套管，隨后通過(guò)套管泵注一定量的固井水泥漿于地層環(huán)空間隙上返，待其在施工期內(nèi)快速凝結(jié)固化后，最終形成封固嚴(yán)密、完整有效的固井水泥環(huán)的過(guò)程^[1-4]。在過(guò)去，對(duì)固井工作者而言，認(rèn)為只需要將水泥漿有效泵入環(huán)空中而不引起事故、測(cè)井合格即可滿足要求，然而事實(shí)上，即使是抗壓強(qiáng)度滿足要求的固井水泥石，出于水泥材料本體性質(zhì)的影響，隨著生產(chǎn)作業(yè)年限的不斷增加，在后期依然會(huì)存在不同程度的水泥環(huán)失效情況^[5]。為此，我們?cè)诠叹酀{的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，不僅要保證水泥石具有一定的抗壓強(qiáng)度，還需要考慮水泥環(huán)的長(zhǎng)效密封完整性^[6]。這其中，通過(guò)添加聚合物外加劑能有效改善水泥基材料的性能。聚合物外加劑（膠乳、可再分散聚合物粉末、水溶性聚合物、液體樹(shù)脂和單體）被引入水泥砂漿中后，能有效降低水泥石的原生脆性，提高其長(zhǎng)效耐久性。在這些添加劑中，由于乳膠乳液成本低廉、使用極具便利性，且能均勻分散于水泥漿中，故而是目前水泥石外摻聚合物體中使用最為常見(jiàn)的一種^[7-9]。膠乳外摻劑通過(guò)在水泥石基體內(nèi)部形成相互連接的網(wǎng)狀聚合物基質(zhì)，對(duì)水泥石內(nèi)部孔隙進(jìn)行有效填充，能有效降低水泥石的氣、液滲透性，并改善水泥漿體與儲(chǔ)層或套管之間的黏結(jié)效果^[10-16]。此外，膠乳聚合物水泥石還具有良好的抗凍融性、較高的抗彎強(qiáng)度以及一定的耐腐蝕性，廣泛應(yīng)用于建筑、橋梁、國(guó)防等領(lǐng)域^[17-24]。本文即是在膠乳基礎(chǔ)上，對(duì)高溫作業(yè)環(huán)境下外摻纖維時(shí)，油井水泥整體性能變化、影響因素以及具體的作用機(jī)理進(jìn)行了分析研究，旨在為固井領(lǐng)域中水泥石增韌方式的選擇提供新的思路和一定參考。

1 ?試驗(yàn)

1.1? 原料

G級(jí)油井水泥，四川嘉華特種水泥股份有限公司;羥基苯乙烯-丁二烯膠膠乳，固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%，杭州拓目科技有限公司;膠乳穩(wěn)定劑，山東富舜新材料科技有限公司;分散劑Z-21、降失水劑BS103L，江蘇海安石油化工廠;聚丙烯纖維，中鼎經(jīng)濟(jì)發(fā)展有限責(zé)任公司;有機(jī)硅消泡劑，中山市鼎勝新材料有限公司;膨脹劑，萍鄉(xiāng)眾大高新材料有限責(zé)任公司。

1.2? 儀器

六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，常壓養(yǎng)護(hù)儀，高溫高壓失水儀，恒混養(yǎng)護(hù)水浴鍋，高溫高壓稠化儀，萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)。

1.3? 配方構(gòu)建

本文試驗(yàn)進(jìn)行的一系列評(píng)測(cè)均建立在基礎(chǔ)配方體系下，其中配方各組成均是以G級(jí)水泥為基礎(chǔ)的質(zhì)量百分比，維持恒定液固比0.44，基礎(chǔ)配方組成如下。

1^#： G級(jí)水泥+35%硅粉+降濾失劑BS103L+分散劑+1%有機(jī)硅消泡劑+1.5%膨脹劑。

2^#：G級(jí)水泥+35%硅粉+降濾失劑BS103L+分散劑+1%有機(jī)硅消泡劑+1.5%膨脹劑+5%膠乳。

3^#：G級(jí)水泥+35%硅粉+降濾失劑BS103L+分散劑+1%有機(jī)硅消泡劑+1.5%膨脹劑+10%膠乳。

4^#：G級(jí)水泥+35%硅粉+降濾失劑BS103L+分散劑+1%有機(jī)硅消泡劑+1.5%膨脹劑+10%膠乳+1%聚丙烯纖維。

5^#：G級(jí)水泥+35%硅粉+降濾失劑BS103L+分散劑+1%有機(jī)硅消泡劑+1.5%膨脹劑+10%膠乳+2%聚丙烯纖維。

6^#：G級(jí)水泥+35%硅粉+降濾失劑BS103L+分散劑+1%有機(jī)硅消泡劑+1.5%膨脹劑+10%膠乳+3%聚丙烯纖維。

7^#：G級(jí)水泥+35%硅粉+降濾失劑BS103L+分散劑+1%有機(jī)硅消泡劑+1.5%膨脹劑+10%膠乳+4%聚丙烯纖維。

1.4? 方案

本實(shí)驗(yàn)所有評(píng)測(cè)項(xiàng)目均依據(jù)《油井水泥石試驗(yàn)方法》（GB/T 19139-2003）執(zhí)行，其中流變測(cè)試和失水測(cè)試均在90 ℃下完成，水泥石養(yǎng)護(hù)則均在120 ℃下完成。

2? 評(píng)測(cè)與討論

2.1? 水泥漿漿體穩(wěn)定性測(cè)試

水泥漿漿體穩(wěn)定性評(píng)測(cè)是考察漿體工程應(yīng)用效果優(yōu)劣的重要參數(shù)，直接決定著水泥漿在井筒內(nèi)能否順利泵送至目標(biāo)儲(chǔ)層形成穩(wěn)固的封隔層，若漿體過(guò)稠，則需要增大泵壓，提高能耗，不利于節(jié)能增效;漿體過(guò)稀，則易造成沉降穩(wěn)定性差，水泥漿失水，靜液柱壓力難以平衡地層壓力，進(jìn)而使得水泥漿失重，若是氣層則極易引起氣竄及環(huán)空帶壓?jiǎn)栴}的產(chǎn)生。為此，分別對(duì)設(shè)計(jì)的各加量水泥漿體系流變及濾失性能進(jìn)行了系統(tǒng)的評(píng)價(jià)研究，結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，與水泥凈漿相比，隨著膠乳加量的提升，水泥漿濾失量呈逐漸降低趨勢(shì)，而黏度則緩慢上升;當(dāng)聚丙烯纖維逐量摻入時(shí)，水泥漿濾失量下降明顯，同時(shí)水泥漿體系黏度增長(zhǎng)也較膠乳摻量下提升明顯。究其原因，在膠乳加量逐漸提升的情況下，由于膠乳聚合物的成膜性，在升溫養(yǎng)護(hù)后的流變和失水評(píng)測(cè)中，膠乳粒子包覆于水泥顆粒表面，一方面因提高顆粒粒徑而增大滾動(dòng)摩擦提高水泥漿體系黏度，另一方面則通過(guò)覆蓋和填堵于濾餅孔隙中從而實(shí)現(xiàn)降低滲透率、減少失水量的作用。在膠乳體系之上加入纖維時(shí)，由于纖維的分散性相對(duì)較差，故而導(dǎo)致漿體黏度上升明顯，同時(shí)，由于纖維搭橋和穿插作用，能有效配合膠乳搭橋覆蓋濾餅大孔隙，致使水泥漿失水量保持在較低值。

此外，為進(jìn)一步考察漿體穩(wěn)定性，分別對(duì)所制試樣進(jìn)行流動(dòng)度和層間密度差評(píng)測(cè)，結(jié)果如表1所示。

由表1可知，隨著膠乳和纖維的加入，水泥漿漿體流動(dòng)度會(huì)受到輕微影響，但不影響水泥漿整體工作性能，且能大大降低上下層間密度差，具有較好的維穩(wěn)效果。

2.2? 水泥漿稠化測(cè)試

水泥漿稠化性能同樣是水泥漿漿體設(shè)計(jì)中需要重視的一環(huán)，直接決定著水泥漿漿體在泵送至井筒內(nèi)進(jìn)行環(huán)空上返時(shí)，能否在指定時(shí)間指定位置進(jìn)行準(zhǔn)確封固。為此，通過(guò)統(tǒng)一120 ℃和50 MPa下對(duì)各水泥漿配方體系進(jìn)行稠化時(shí)間和稠化過(guò)渡時(shí)間測(cè)定，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，隨著膠乳摻量的增加，水泥漿稠化時(shí)間緩慢減少，轉(zhuǎn)換時(shí)間則較水泥凈漿出現(xiàn)輕微波動(dòng)，總體影響不大。但隨著膠乳外摻基礎(chǔ)上聚丙烯纖維的摻入，水泥漿稠化時(shí)間下降減緩，但轉(zhuǎn)化時(shí)間明顯降低。究其原因，在膠乳摻入后，為保證恒定固液比，膠乳占據(jù)一定需水量，使得稠化時(shí)間縮短，但此過(guò)程中，由于膠乳的成膜而包覆水泥顆粒，致使水化進(jìn)程受阻，故而出現(xiàn)稠化時(shí)間在膠乳持續(xù)增加后出現(xiàn)異常增加現(xiàn)象。而聚丙烯纖維的摻入則因?yàn)榻档退酀{流動(dòng)性，致使水泥漿初始稠度值增加， 降低稠化杯中漿體的攪拌速率，致使稠化時(shí)間縮短，而轉(zhuǎn)化時(shí)間的減少也是該原因所致。

2.3? 抗壓強(qiáng)度測(cè)試

抗壓強(qiáng)度作為評(píng)價(jià)水泥石性能優(yōu)劣最重要的指標(biāo)，直接決定了固井水泥石能否有效實(shí)現(xiàn)壓穩(wěn)地層、進(jìn)行套管懸掛，是實(shí)現(xiàn)油井長(zhǎng)效穩(wěn)定生產(chǎn)的關(guān)鍵所在。為此，室內(nèi)對(duì)水泥石進(jìn)行了120 ℃、21 MPa恒溫增壓養(yǎng)護(hù)，分別對(duì)1、7、14 d后取出試樣進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，相比較凈漿水泥石，隨著膠乳摻量的增加，水泥石抗壓強(qiáng)度逐漸降低，而在10%膠乳水泥漿基礎(chǔ)上逐漸摻入聚丙烯纖維下，所形成的水泥石抗壓強(qiáng)度逐漸增加。究其原因，這是因?yàn)槟z乳摻入水泥漿體系中后，水泥石的水化受到一定程度抑制，所形成的C—S—H強(qiáng)度結(jié)構(gòu)被膠乳固化膜阻止，造成強(qiáng)度下降。纖維的摻入起到一定分散壓應(yīng)力作用，使得抗壓強(qiáng)度能得到一定提升，且會(huì)隨纖維加量提高而逐漸增強(qiáng)。就不同養(yǎng)護(hù)天數(shù)下的水泥石強(qiáng)度分析可知，水泥石的強(qiáng)度發(fā)展在前7 d內(nèi)較為顯著，但后期則會(huì)由于水泥石內(nèi)部漸趨完全水化，從而使得抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)減緩。

2.4? 抗折強(qiáng)度測(cè)試

作為與抗壓強(qiáng)度配套的抗折強(qiáng)度，是判定固井水泥石對(duì)地層橫向壓應(yīng)力承受能力的重要測(cè)試項(xiàng)目，在保持與抗壓強(qiáng)度測(cè)試同樣的測(cè)試條件基礎(chǔ)上，分別對(duì)1、7、14 d不同類型不同摻量水泥石試樣進(jìn)行了抗折強(qiáng)度測(cè)試，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，與抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果不同的是，膠乳和纖維外摻下的水泥石試樣的抗折強(qiáng)度明顯高度凈漿水泥石，其中1d下膠乳摻量10%的水泥石試樣，其抗折強(qiáng)度較凈漿水泥石提高了1.6%，摻入聚丙烯纖維的7#試樣則較凈漿水泥石在1 d下的抗折強(qiáng)度提高了4.9%，表現(xiàn)出了較佳的增韌效果。究其原因，這是因?yàn)槟z乳外摻下的水泥石內(nèi)部所穿插的膠乳膜具有一定的彈韌性，能在一定程度上提高水泥石橫向形變極限，而在此基礎(chǔ)上摻入的聚丙烯纖維，則可通過(guò)“搭橋”“拉拔”方式進(jìn)一步提高水泥石形變能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)水泥石韌性的進(jìn)一步提升。

3? 結(jié) 論

通過(guò)探究聚合物膠乳協(xié)同聚丙烯纖維韌性化改造對(duì)油井水泥石性能的影響可得到如下結(jié)論：膠乳的摻入對(duì)水泥的抗壓強(qiáng)度會(huì)有一定影響，但對(duì)于提高水泥石的彈韌性則表現(xiàn)出積極作用，且對(duì)水泥漿流變性影響較小，并起到提高水泥漿漿體穩(wěn)定性的作用。而在此基礎(chǔ)上通過(guò)摻入一定量聚丙烯纖維，則能有效解決膠乳外摻下對(duì)水泥石帶來(lái)的負(fù)面影響，一定程度上改善了水泥石的抗壓強(qiáng)度，降低水泥漿的失水量，且能協(xié)同膠乳對(duì)水泥石的彈韌性進(jìn)一步加強(qiáng)。此次研究證明了以聚丙烯纖維混雜膠乳來(lái)提高油井水泥石性能具有顯著的改善效果和一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

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