許明標(biāo)，李路

(長江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100)

武志強(qiáng)

(中海石油(中國)有限公司北京研究中心，北京 100010)

王曉亮

(荊州嘉華科技有限公司，湖北 荊州 434000)

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一種能有效保障井筒完整性的高強(qiáng)韌性水泥漿體系研究

許明標(biāo)，李路

(長江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100)

武志強(qiáng)

(中海石油(中國)有限公司北京研究中心，北京 100010)

王曉亮

(荊州嘉華科技有限公司，湖北 荊州 434000)

固井后套管-水泥環(huán)-地層會形成一個膠結(jié)體，即固井屏障。固井屏障在油氣井生產(chǎn)過程中，要受到各種載荷的作用，會導(dǎo)致固井屏障密封系統(tǒng)失效。為保證井筒的完整性，目前主要的解決辦法是使用膠乳水泥漿體系，但是該體系有一個較大的缺點就是用量大、費用高。室內(nèi)通過優(yōu)選增韌材料GBS-51，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2%～5%變化時，水泥漿性能能夠滿足常規(guī)固井作業(yè)的要求。為了能夠在有效保證固井屏障良好完整性的情況下，降低生產(chǎn)作業(yè)成本，將GBS-51與膠乳復(fù)配(其中膠乳僅起到偶聯(lián)劑的作用，用量較少)，成功構(gòu)建了一套高強(qiáng)韌性水泥漿體系，試驗結(jié)果表明：該韌性水泥漿體系能夠有效地控制成本，且適用溫度范圍廣，可以滿足不同井底溫度的固井作業(yè)，形成的水泥石韌性以及其他物理特性優(yōu)良，有利于保障井筒完整性。

固井屏障；增韌材料；膠乳；固井水泥漿

如何提高井壁與套管間水泥環(huán)的密封質(zhì)量是固井工程長期關(guān)注的問題，固井水泥環(huán)的力學(xué)性能，關(guān)系到固井屏障的質(zhì)量和油氣井壽命。保證固井屏障完整性的關(guān)鍵是讓高強(qiáng)高韌性的水泥漿與套管壁和地層形成良好的膠結(jié)性，且能夠經(jīng)受住地層復(fù)雜環(huán)境的影響。相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，在水泥漿中加入適量的增韌材料對提高Ⅰ、Ⅱ界面的膠結(jié)性能有積極的作用，如果將增韌材料與膠乳復(fù)配，對于提高水泥石的物理特性以及井壁與套管間水泥環(huán)的密封性效果更加明顯。構(gòu)建一套高強(qiáng)韌性水泥漿體系是有效提高固井屏障油氣井Ⅰ、Ⅱ界面的膠結(jié)能力的關(guān)鍵。室內(nèi)對固井屏障完整性高強(qiáng)韌性水泥漿體系進(jìn)行了綜合性能評價，研究表明該水泥漿體系適用溫度范圍廣，可以滿足不同井底溫度的固井作業(yè)，且水泥石韌性以及其他物理特性優(yōu)良，能夠為生產(chǎn)作業(yè)者節(jié)省不少的經(jīng)濟(jì)成本，這也與各個油氣田開發(fā)作業(yè)者降本增效經(jīng)營理念更加契合。

1　水泥漿配方設(shè)計

1.1水泥漿設(shè)計思路

目前固井常用且效果較好的增韌材料主要為膠乳，膠乳中高分散性彈韌性乳液顆粒是良好的防氣竄和增韌材料，然而當(dāng)膠乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大時才能使水泥石具有良好的韌性(質(zhì)量分?jǐn)?shù)通常要求10%以上)。如何在較低膠乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)下讓水泥漿獲得良好的韌性是該研究的重點。筆者認(rèn)為將膠乳作為偶聯(lián)劑，然后與增韌材料復(fù)配對于提升水泥石的力學(xué)性能以及降低生產(chǎn)成本具有積極的作用。

在水泥漿體系中的偶聯(lián)劑具有實時填充和封堵水泥石中細(xì)小孔隙與連通孔道的作用。在另外一種情況下，偶聯(lián)劑具有聯(lián)接和封閉水泥石中堆積顆粒之間的微細(xì)孔隙和縫隙的能力。普遍情況下，細(xì)小的物質(zhì)可以對顆粒堆積的孔隙進(jìn)行填充，但是顆粒解除面間的微細(xì)孔隙并沒有顆粒物質(zhì)可以進(jìn)行有效的封閉，特別是在像膠乳這樣的水泥漿體系中，常用膠乳一般由丁二烯和苯乙烯采用乳液聚合方式共聚而成，無論丁二烯還是苯乙烯或是由丁二烯與苯乙烯制備的聚丁二烯苯乙烯，都是親油疏水的化合物，具有強(qiáng)烈的親疏特征。在水泥漿的顆粒堆積中，與水泥顆粒具有不相容性，造成在2種物質(zhì)的接觸面上的明顯界線，二相接觸只是通過膠乳中穩(wěn)定性的微弱兼容聯(lián)接而產(chǎn)生作用，這嚴(yán)重地影響了膠乳性能的發(fā)揮；同時在這種情況下，還可能由于膠乳穩(wěn)定劑的性能和質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響使得水泥石的性能產(chǎn)生變差的趨勢，所以水泥漿體系中膠乳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)該給予控制，對于水泥石力學(xué)性能的提升必須另辟蹊徑。

1.2增韌材料對水泥漿物理性能的影響

增韌材料賦予油井水泥石一種韌性形變能力，它能夠增強(qiáng)水泥漿凝固后的膠結(jié)能力，同時增加水泥石抗沖擊破碎能力，但不同的增韌材料對水泥漿性能的影響會有不同，為了確定一種合適的水泥漿增韌材料，室內(nèi)對水泥漿基礎(chǔ)配方中加入不同增韌材料的物理特性進(jìn)行了綜合評價，試驗結(jié)果見表1。

表1　不同增韌材料對水泥漿物理性能的影響

從表1列出的數(shù)據(jù)可以看出，增韌材料的加入，從整體上將水泥漿稠化時間縮短了15min左右，同時把水泥石的強(qiáng)度減小了20%，而對水泥漿高溫高壓失水性能的影響呈不規(guī)律性，但都小于50mL。與所列出的其他幾種增韌材料相比較，BS-12，CBS-5，GBS-51能夠很好地改善水泥漿的高溫高壓失水性能，且對水泥漿稠化時間以及水泥石抗壓強(qiáng)度的影響相比之下要小，所以增韌材料應(yīng)在上述3種材料中挑選。

水泥漿的流變性能是注水泥流變學(xué)設(shè)計的基本參數(shù)，不僅能夠通過它計算注水泥頂替過程的循環(huán)壓耗，防止井眼出現(xiàn)蹩漏現(xiàn)象，更能夠利用它計算注水泥頂替過程中最佳的流態(tài)，提高注水泥的質(zhì)量，如果排量和流態(tài)計算合理，也可以消除井筒內(nèi)部分屏障，比如殘存的泥漿、泥餅等，對于提升水泥漿的膠結(jié)性有積極的作用。室內(nèi)對于3種增韌材料對水泥漿流變性能影響作了評價，具體評價結(jié)果見表2，除了GBS-51以外，其他增韌材料都不同程度使水泥漿變稠。

表2　不同增韌材料對水泥漿流變性能的影響

注1：水泥石養(yǎng)護(hù)條件為90℃×24h；高溫高壓失水條件為6.9MPa×30min；Nφ600、Nφ300、Nφ200、Nφ100、Nφ6、Nφ3分別為六速旋轉(zhuǎn)黏度計600、300、200、100、6、3r/min對應(yīng)的讀值。下同。

注2：水泥漿配方為100%G級水泥+31.25%淡水+0.5%消泡劑X60L+8.75%增韌材料+0.5%分散劑CF44L。

綜合表1與表2可知，GBS-51對于提升固井水泥漿的性能效果最明顯，水泥漿中加入GBS-51后，水泥石24h養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度為18.3MPa(>15MPa)；與不加GBS-51的水泥漿相比，其能將水泥漿高溫高壓失水量減小29%，最大限度控制氣竄的發(fā)生。對于其他材料而言，都不同程度地增大了水泥漿的稠度；而GBS-51對水泥漿的流變性影響不大。綜合以上分析，水泥漿增韌材料的最佳選擇應(yīng)為GBS-51。

添加劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的不同對水泥漿性能的影響差別會很大，所以GBS-51的最優(yōu)質(zhì)量分?jǐn)?shù)也是研究的重點，室內(nèi)對其質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化的試驗結(jié)果見表3。

表3　GBS-51質(zhì)量分?jǐn)?shù)對水泥漿流變性能的影響

注：水泥漿配方為100%G級水泥+31.25%淡水+0.5%消泡劑X60L+增韌材料+1.0%分散劑CF44L。

由表3的數(shù)據(jù)可知，水泥漿中加入GBS-51，增大了水泥漿的稠度，減小了水泥漿的稠化時間以及水泥石的抗壓強(qiáng)度，同時對水泥漿的高溫高壓失水性能有一定的提升。隨著GBS-51質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，水泥漿的流變讀數(shù)不規(guī)律的增大，稠化時間不規(guī)則減小，抗壓強(qiáng)度逐漸變小，當(dāng)其質(zhì)量分?jǐn)?shù)在8%時，流變讀數(shù)增大了將近25%；抗壓強(qiáng)度減小了近50%。綜合以上試驗結(jié)果得出，GBS-51質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2%～5%變化時，水泥漿性能能夠滿足常規(guī)固井作業(yè)的要求。

1.3GBS-51與膠乳復(fù)配對水泥漿力學(xué)性能的影響

為了控制成本減少水泥漿體系中膠乳的用量，僅將其作為偶聯(lián)劑。室內(nèi)研究了膠乳與GBS-51復(fù)配后對水泥漿力學(xué)性質(zhì)的影響，研究結(jié)果見表4。

表4　膠乳與GBS-51復(fù)配對水泥石力學(xué)性能的影響

注：水泥漿配方為100%G級水泥+27.5%淡水+1%消泡劑X60L+1%膠乳穩(wěn)定劑J20+膠乳+GBS-51+1.0%分散劑CF44L+0.5%緩凝劑H21L。

可以看出，當(dāng)水泥漿只加入膠乳時，水泥石的彈性模量普遍較高，表明其顯現(xiàn)出很大的脆性，這對于保障固井屏障的完整性是極為不利的；當(dāng)水泥漿中只添加增韌材料時，水泥石的力學(xué)性能又略低，滲透率也較高，達(dá)不到防氣竄的要求；當(dāng)膠乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%，GBS-51質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%時，水泥石表現(xiàn)出很高的強(qiáng)度，其彈性模量達(dá)到最低，泊松比也較高，滲透率最低，此時對于提升水泥漿的力學(xué)性能最有利。

2　固井屏障完整性韌性水泥漿綜合性能研究

2.1不同溫度下固井屏障完整性韌性水泥漿的性能

根據(jù)第一部分的研究內(nèi)容，確定固井屏障完整性韌性水泥漿體系的配方為：100%G級水泥+27.5%淡水+1%消泡劑X60L+0.5%膠乳穩(wěn)定劑J20+2%膠乳+4%GBS-51+1.0%分散劑CF44L+0.5%緩凝劑H21L。由于地層深度的不同，地層溫度也不盡相同，不同溫度下水泥漿表現(xiàn)出來的物性是不同的。實驗室對其在不同溫度下的性能進(jìn)行了評價，結(jié)果見表5。

表5　不同溫度下固井屏障水泥漿體系的綜合性能

可以看出，當(dāng)溫度在30℃時，水泥漿略稠，形成水泥石的強(qiáng)度不高，其他物理性能能夠滿足固井施工作業(yè)的要求，所以應(yīng)適當(dāng)調(diào)整水泥漿的流變性以及抗壓強(qiáng)度；當(dāng)溫度在35～50℃內(nèi)變化時，水泥漿流變讀數(shù)偏大，應(yīng)適量增大分散劑的量，改善水泥漿的流動性；固井屏障完整性韌性水泥漿體系具有較高的抗壓強(qiáng)度，水泥石24h養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度均大于15MPa，水泥漿高溫高壓濾失量均可以控制在50mL內(nèi)，稠化時間滿足正常施工作業(yè)要求。綜上所述，固井屏障完整性韌性水泥漿體系適用溫度范圍廣，性能優(yōu)良，具有很好的應(yīng)用價值。

2.2固井屏障完整性韌性水泥漿膠結(jié)性能評價

為了增加水泥漿與Ⅰ、Ⅱ界面之間的膠結(jié)性能，保證水泥環(huán)在井筒復(fù)雜環(huán)境下具有很好的密封性。實驗室利用界面剪切拉伸試驗機(jī)對固井屏障完整性增韌膠乳水泥漿、常規(guī)水泥漿以及膠乳水泥漿的地層膠結(jié)性能進(jìn)行了評價，結(jié)果如表6所示。

表6　不同水泥漿體系與Ⅰ、Ⅱ界面的膠結(jié)強(qiáng)度對比

注：膠結(jié)強(qiáng)度試驗數(shù)據(jù)由自制設(shè)備界面剪切拉伸試驗機(jī)測試所得。試驗所涉及Ⅰ界面模型為N80鋼材，同時在Ⅰ界面涂上約1mm厚的現(xiàn)場泥漿，然后測試水泥漿與其膠結(jié)性；Ⅱ界面模型為水泥漿與室內(nèi)模擬地層(建筑水泥-河沙=1/2固化后形成)的膠結(jié)面測試結(jié)果。

膠乳與GBS-51復(fù)配后所配制的水泥漿明顯提升了Ⅰ、Ⅱ界面的膠結(jié)性能，與常規(guī)水泥漿比較，對于Ⅰ界面，將其剪切強(qiáng)度提升了14%，抗拉強(qiáng)度提升了6.6%；對于Ⅱ界面，將其剪切強(qiáng)度提升了13%，抗拉強(qiáng)度提升了8.4%；而膠乳水泥漿對于Ⅰ、Ⅱ界面的膠結(jié)性能介于常規(guī)水泥漿與增韌膠乳水泥漿之間，綜合評價可知固井屏障完整性韌性水泥漿能夠顯著提高固井屏障界面的膠結(jié)質(zhì)量。

3　結(jié)論

1)固井屏障完整性韌性水泥漿體系有效地控制了膠乳的加量，且水泥漿適用溫度范圍廣，物理性能好，稠化時間也能滿足常規(guī)作業(yè)的要求。

2)通過試驗研究確定了增韌材料為GBS-51，當(dāng)其質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2%～5%變化時，水泥漿性能能夠滿足常規(guī)固井作業(yè)的要求。

3)當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的膠乳與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的GBS-51復(fù)配時，水泥石24h抗壓強(qiáng)度可達(dá)23.5MPa，泊松比達(dá)到0.20，彈性模量為2.69GPa，滲透率也能夠達(dá)到固井的要求，此時對于提升水泥漿的力學(xué)性能最有利。

4)與常規(guī)水泥漿、膠乳水泥漿對比，增韌膠乳水泥漿對于提升存在固井屏障的Ⅰ、Ⅱ界面的膠結(jié)性能最明顯。

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[編輯]帥群

2015-12-10

許明標(biāo)(1962-)，男，博士，教授，現(xiàn)主要從事鉆井液、水泥漿及化學(xué)合成方面的研究工作，xmb62@163.com。

TE254

A

1673-1409(2016)17-0049-05

[引著格式]許明標(biāo)，李路，武志強(qiáng)，等.一種能有效保障井筒完整性的高強(qiáng)韌性水泥漿體系研究[J].長江大學(xué)學(xué)報(自科版),2016,13(17):49～53.