膠乳粉固井水泥漿體系研究與應(yīng)用*

宋建建，許明標(biāo)，王曉亮，張 敏，胡 順，杜佳琪

（1.長江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北武漢 430100；2.非常規(guī)油氣省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北武漢 430100；3.油氣鉆采工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(guī)油氣勘探開發(fā)的進(jìn)行，油氣井的地質(zhì)工程狀況越來越復(fù)雜，多級壓裂完井技術(shù)在非常規(guī)頁巖層中的引入，使得井眼環(huán)境產(chǎn)生了較極端的壓力循環(huán)，容易發(fā)生水泥環(huán)密封失效的問題［1-2］。盡管波特蘭水泥以相對低的成本實(shí)現(xiàn)了較高的無圍壓抗壓強(qiáng)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(fēng)險(xiǎn)，研究表明彈韌性水泥漿體系是保障固井質(zhì)量和水泥環(huán)長期封隔能力的關(guān)鍵［4-5］。膠乳水泥漿是在常規(guī)水泥漿基礎(chǔ)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(wěn)定劑構(gòu)建的低溫膠乳鹽水水泥漿體系綜合性能優(yōu)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(wěn)定劑構(gòu)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(qiáng)度高，抗沖擊能力強(qiáng)。靳建洲等［8］使用丁苯膠乳BCT-800L 和穩(wěn)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(guī)性能較好，硬化后水泥石的韌性增強(qiáng)，彈性模量較低。Pavlock等［9］使用了膠乳構(gòu)建水泥漿體系應(yīng)用在海恩斯維爾頁巖氣固井作業(yè)中，與純水泥漿相比，該膠乳水泥漿所形成水泥石的抗壓強(qiáng)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(qiáng)固井長期封固穩(wěn)定性，現(xiàn)場應(yīng)用效果好。

目前，應(yīng)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(jī)械力及高溫環(huán)境的影響，體系內(nèi)分子運(yùn)動(dòng)加快，容易發(fā)生破乳現(xiàn)象，因此常常需要輔以膠乳穩(wěn)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(yīng)用環(huán)境的影響導(dǎo)致漿體不穩(wěn)定。為了開發(fā)性能穩(wěn)定且優(yōu)異的膠乳水泥漿體系，室內(nèi)研究了固體膠乳粉及水泥漿體系關(guān)鍵添加劑材料，構(gòu)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(jié)構(gòu)，并報(bào)道了該膠乳粉水泥漿體系在頁巖氣開發(fā)現(xiàn)場的應(yīng)用情況。

1 實(shí)驗(yàn)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(qiáng)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(shí)驗(yàn)室自制。添加劑選擇過程中的其它材料來自于市售產(chǎn)品。

TG-3060A 型恒速攪拌器，沈陽泰格石油儀器設(shè)備制造有限公司；ZNN-D6B 型電動(dòng)六速黏度計(jì)，青島海通達(dá)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(shè)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(shè)備制造有限公司；HJJY-50 型液晶顯示簡支梁沖擊試驗(yàn)機(jī)，承德市世鵬檢測設(shè)備有限公司；HY-20080 型微機(jī)控制電子萬能材料試驗(yàn)儀，上海衡翼精密儀器有限公司；YM-3型液體密度計(jì)，青島海通達(dá)專用儀器有限公司；SU 8010 型冷場發(fā)射掃描電鏡，日本Hitachi公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

（1）性能測試

水泥漿的配制和相關(guān)試驗(yàn)均依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB 10238—2005《油井水泥》和GB/T 19139—2012《油井水泥試驗(yàn)方法》的相應(yīng)規(guī)定進(jìn)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(shí)間的測試條件為：溫度90 ℃、壓力45 MPa。將水泥石在90 ℃（或60 ℃）養(yǎng)護(hù)24 h，測試抗壓強(qiáng)度、抗沖擊強(qiáng)度、彈性模量和抗竄強(qiáng)度。

（2）微觀形貌測試

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

2 結(jié)果與討論

2.1 關(guān)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(tài)膠乳經(jīng)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(dāng)它與水混合時(shí)經(jīng)過適當(dāng)攪拌即可完全溶于水中，轉(zhuǎn)化為穩(wěn)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(wěn)定性。隨著膠乳粉加量的增大，水泥漿的失水量下降，稠化時(shí)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(gòu)建水泥漿體系時(shí)需要添加合適的緩凝劑來調(diào)節(jié)稠化時(shí)間。加入膠乳粉可以降低水泥漿所形成水泥石的抗壓強(qiáng)度和彈性模量，提高抗沖擊強(qiáng)度，與空白水泥石相比，當(dāng)膠乳粉摻量為3%時(shí)，所形成水泥石的抗壓強(qiáng)度和彈性模量分別降低了9.8%和38.3%，而抗沖擊強(qiáng)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(guī)性能

圖1 不同膠乳粉加量水泥石力學(xué)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(shí)現(xiàn)紊流頂替，提高固井質(zhì)量。水泥漿在流動(dòng)過程中需要破壞顆粒之間的黏結(jié)作用而使?jié){體產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)［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(jié)構(gòu)與顆粒間的黏結(jié)力。室內(nèi)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(jié)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(xiàn)了少量的自由液，水泥漿的穩(wěn)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(chǎn)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(dá)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(wěn)定的懸浮狀態(tài)。因此，在設(shè)計(jì)膠乳粉水泥漿時(shí)，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(jìn)一步研究分散劑DIP-S對水泥漿性能的影響規(guī)律，室內(nèi)評價(jià)了分散劑加量對水泥漿的流變性及穩(wěn)定性的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shù)變小。分散劑DIP-S 能有效調(diào)節(jié)水泥漿的流變性，但是當(dāng)分散劑加量大于0.6%時(shí)，水泥漿出現(xiàn)少量的自由液，引起漿體不穩(wěn)定，因此，使用分散劑DIP-S 時(shí)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(jìn)行降失水處理，其失水量通常較大。大量的水泥漿濾液進(jìn)入地層會(huì)引起儲(chǔ)層損害，降低地層的滲透率，影響油氣井產(chǎn)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(tuán)通過吸附、溶劑化等作用，使水泥顆粒橋接形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，束縛更多的自由水，并形成結(jié)構(gòu)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(jìn)一步研究降失水劑FLO-S 對水泥漿性能的影響規(guī)律，室內(nèi)評價(jià)了降失水劑加量對水泥漿性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)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(dāng)降失水劑摻量大于2%時(shí)，水泥漿失水量小于50 mL，可滿足氣井固井要求。

圖2 不同F(xiàn)LO-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(shí)間大多不盡相同，因此在進(jìn)行水泥漿體系設(shè)計(jì)時(shí)需要根據(jù)現(xiàn)場施工的實(shí)際情況加入緩凝劑調(diào)節(jié)水泥漿的稠化時(shí)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(shí)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(zhuǎn)化時(shí)間較長，這對于氣井固井作業(yè)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(luò)合作用與Ca2+形成絡(luò)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(shí)間

緩凝劑REM 加量對水泥漿稠化時(shí)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(shí)間，當(dāng)REM加量為0.4%時(shí)，水泥漿的稠化時(shí)間達(dá)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(yè)。因此，緩凝劑REM應(yīng)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(shí)間的影響

2.1.5 消泡劑的影響

水泥漿產(chǎn)生氣泡是較復(fù)雜的物理化學(xué)變化。氣泡在水泥漿中主要以連續(xù)可見地分散在水泥漿液面上和不連續(xù)地分散于水泥漿內(nèi)部兩種方式存在，造成施工時(shí)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(shí)測密度如表6 所示。當(dāng)不使用消泡劑時(shí)，膠乳粉水泥漿嚴(yán)重起泡，實(shí)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(jīng)普通消泡劑處理后的實(shí)測密度為1.83～1.87 g/cm3，而使用消泡劑CX66L配制的水泥漿實(shí)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(shí)在泡沫膜表面產(chǎn)生擾動(dòng)，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(gòu)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(qiáng)劑STR+1%膨脹劑BOND+1%消泡劑CX66L（密度1.9 g/cm3）。水泥漿的常規(guī)性能和養(yǎng)護(hù)24 h 后的水泥石的綜合性能評價(jià)結(jié)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(shù)n大于0.5，稠度系數(shù)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(shí)間和失水量均能滿足固井要求，無自由液形成，漿體穩(wěn)定。從力學(xué)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(qiáng)度都大于24 MPa，彈性模量較低，抗沖擊強(qiáng)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(qiáng)度較高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，膠乳粉水泥漿體系常規(guī)的施工性能較好，能較好地滿足固井要求，且水泥漿力學(xué)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(jié)構(gòu)，使用掃描電鏡觀察了構(gòu)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(jìn)行對比，實(shí)驗(yàn)結(jié)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(nèi)部纖維狀和網(wǎng)狀的水化硅酸鈣與片狀的氫氧化鈣存在，水化產(chǎn)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(chǎn)物表面，并與水化產(chǎn)物相互穿插黏結(jié)形成一個(gè)整體（見圖4（b））。當(dāng)膠乳水泥石遭受外部載荷破壞時(shí)，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(nèi)部的應(yīng)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(xiàn)場應(yīng)用效果

以焦頁某井為例，該井是重慶涪陵頁巖氣區(qū)塊一口開發(fā)井，完鉆井深5596 m，水平段長1701 m。固井水泥漿體系設(shè)計(jì)采用雙凝防漏水泥漿體系有效封固裸眼井段，界面設(shè)計(jì)在3000 m。領(lǐng)漿水泥漿設(shè)計(jì)為防漏水泥漿，在領(lǐng)漿中加入碳纖維保證領(lǐng)漿通過漏層時(shí)具有一定的堵漏功能，降低漏失發(fā)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(shí)間270～330 min，控制領(lǐng)漿濾失量小于100 mL。尾漿水泥漿設(shè)計(jì)為常規(guī)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(zhì)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(shí)間200～260 min，控制濾失量小于50 mL。固井作業(yè)過程中使用的膠乳粉水泥漿實(shí)測失水量46 mL，90 ℃養(yǎng)護(hù)24 h后的抗壓強(qiáng)度達(dá)到26.1 MPa，稠化時(shí)間208 min，流變性滿足頂替要求。固井作業(yè)完成后候凝72 h測聲幅，固井質(zhì)量合格率100%。

4 結(jié)論

膠乳粉摻入水泥漿中后對水泥漿的穩(wěn)定性、失水量、稠化時(shí)間無不利影響，少量降低了水泥石抗壓強(qiáng)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(shí)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(xué)性能好，彈韌性高，封隔能力強(qiáng)，且水泥石內(nèi)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(xiàn)場應(yīng)用效果好，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。