一种能改善盐岩层固井胶结质量的饱和盐水胶乳水泥浆体系的研制

2015-12-01许明标王晓亮

长江大学学报(自科版) 2015年2期

许明标，王晓亮

（长江大学石油工程学院，湖北武汉430100）

姜智博

（中海油研究总院，北京100028）

盐岩的性质决定了盐膏层固井作业的难点。引起盐岩层固井胶结质量问题的原因主要包含：①盐岩层的塑性变形和蠕变流动，易造成井眼不规则，套管下入、居中困难，水泥环厚薄不均，不利于界面胶结；②封固盐膏层特别是复合盐膏层时，盐的溶解不仅会对水泥浆的性能产生影响，且影响胶结面的稳定；③盐膏层中通常会含有一定量的石膏层和钙芒硝，其在注替水泥浆过程中会发生溶解膨胀，影响水泥浆胶结性能。针对盐岩层固井问题，构建一套能改善壁面胶结质量的饱和盐水水泥浆体系是解决问题的有效途径。胶乳能够有效改善水泥环与套管、地层间的胶结质量［1］，所以优选抗盐胶乳，构建一套饱和盐水胶乳水泥浆体系，有利于改善水泥浆与盐岩层的胶结强度，实现岩盐地层有效封固。

1 试验部分

1.1 试验材料

抗盐丁苯胶乳；H21L缓凝剂；CG88L聚合物降失水剂；MX空隙支撑剂；高抗硫G级油井水泥；淡水；CX601L消泡剂；CF44L分散剂。

1.2 试验设备

高温高压稠化仪；常压稠化仪；高温高压水泥浆失水仪；高温高压养护釜；多功能压力试验机；六速旋转黏度计；壁面剪切拉伸试验仪CK－Ⅱ。

1.3 试验方法

水泥浆评价试验按照ISO10426—2003标准；壁面剪切拉伸试验仪CK－Ⅱ为自制非标仪器，剪切强度与拉伸强度测试主要参照壁面剪切拉伸试验仪CK－Ⅱ操作标准进行。

2 抗盐胶乳水泥浆体系的构建

2.1 抗盐胶乳优选

胶乳是由粒径为0.05～0.5μm的微小聚合物粒子在乳液中形成的悬浮体系。在压差作用下，水泥浆中的胶乳粒子会在水泥颗粒间、胶结面上聚集成膜，一方面能够降低水泥石渗透率，另一方面能够有效提高界面的胶结质量［2］。

抗盐胶乳水泥浆主要应用于巨厚盐膏层固井，固井过程中，地层盐岩的盐溶将直接影响固井水泥浆的性能。从安全性能方面考虑，抗盐胶乳水泥浆体系须满足饱和盐水配浆要求。

收集了目前国内外性能良好的抗盐胶乳，展开筛选试验。筛选试验水泥浆配方：100%高抗硫G级油井水泥＋45%饱和盐水＋5%CG88L降失水剂＋3%抗盐胶乳＋0.4%H21L缓凝剂＋0.3%CF44L分散剂＋0.5%X66L消泡剂（密度1.90g／cm3）（配方中的百分数为质量分数，下同），评价结果如表1所示。在饱和盐水水泥浆中加入质量分数3%胶乳，除WH－1外均能配制成饱和盐水胶乳水泥浆，其中效果相对较好的是 D600L、SD－60L和 GRI－T。综合水泥浆抗压强度、失水量以及稠化性能比较，选择GR1－T抗盐胶乳。GR1－T抗盐胶乳加入聚合物水泥浆中后，能够进一步降低饱和盐水水泥浆失水而对水泥浆的稠化时间以及抗压强度基本无影响。分析其原因，GR1－T抗盐胶乳表现出良好的抗盐性，能够均匀分散于盐水水泥浆颗粒间，压差存在下，能够有效充填于颗粒间隙中，增加滤饼致密性，降低水泥浆失水量［2］。

表1 加入不同胶乳后水泥浆物理性能

表2 GR1－T胶乳与CG88L聚合物加量变化对水泥浆性能影响

表3 MX质量分数与水泥浆物理性能影响

2.2 聚合物降失水剂与抗盐胶乳复合使用对水泥浆性能影响

经过筛选评价，优选高碳链、带有磺酸结构单元的AMPS类聚合物CG88L作为水泥浆体系降失水剂，该聚合物具有溶液黏度高，抗盐、抗高温的特点。室内考察了聚合物降失水剂与抗盐胶乳复合作用下水泥浆的性能变化。试验结果如表2所示，对比研究发现：①CG88L聚合物降失水剂具有较好的抗盐性，能有效控制饱和盐水水泥浆体系的滤失性能。在质量分数为6%时，饱和盐水水泥浆失水量能够控制在50mL以下，自由液为零；②胶乳加入水泥浆中有利于降低水泥浆失水量和自由液量；③当聚合物降失水剂质量分数为6%时，胶乳质量分数超过5%配制出的过饱和盐水水泥浆稍稠，胶乳量不易继续增大；④随着聚合物降失水剂和胶乳质量分数的增大，水泥石的强度均有下降的趋势，考虑到巨厚盐膏层固井对水泥石早期强度要求较高，胶乳以及降失水剂的质量分数控制在6%以内较好。

2.3 MX空隙支撑剂对水泥浆性能影响

MX空隙支撑剂为超细二氧化硅与蒸馏水经特殊工艺1∶1混合而成的悬浊液，其平均粒径小于1μm，能分散于水泥颗粒间隙，有利于提高水泥石致密性和抗压强度。室内对MX质量分数与水泥浆强度性能的关系进行了评价，结果如表3所示。MX能够显著提高饱和盐水水泥浆的抗压强度，且质量分数超过3%时，MX具有辅助降失水作用。此外，随着MX质量分数的增大，水泥浆稠化时间明显缩短，水泥浆黏度呈增大趋势，为避免MX增稠水泥浆，其质量分数应控制在4%～6%。

2.4 分散剂对水泥浆性能影响

新配制饱和盐水水泥浆会表现较强的触变性，这需要添加分散剂来改善水泥浆流变性，通过选取适当的分散剂，能改善水泥结构的均匀性，使水泥浆体达到最佳分散效果。表4为分散剂质量分数与水泥浆流变性能变化表。可见看出，随CF44L质量分数的增大，水泥浆静凝胶强度逐渐减小，水泥浆黏度降低，说明CF44L有着良好的分散效果和抗盐性，能够满足饱和盐水水泥浆改善水泥浆流变性的要求。从试验数据上看，CF44L分散剂质量分数控制在1.0%较好，超过1.0%后对水泥浆流变性能改善效果有限。

表4 CF44L质量分数与水泥浆流变性变化

表5 缓凝剂质量分数与水泥浆稠化时间

2.5 缓凝剂质量分数对水泥浆稠化时间的影响

缓凝剂主要用来调节水泥浆的稠化时间，保证固井施工的安全性［3］。一种性能良好的缓凝剂其质量分数与延长稠化时间具有线性关系，一方面方便现场调节水泥浆稠化时间，另一方面能够避免复杂情况影响现场固井作业。试验结果如表5所示，随着缓凝剂质量分数增大，水泥浆稠化时间能够有效延长。

3 抗盐胶乳水泥浆体系性能评价

表6 温度对水泥浆稠化时间的影响

3.1 温度对水泥浆稠化性能影响

水泥浆配方：100%高抗硫G级油井水泥＋45%饱和盐水＋5%CG88L降失水剂＋3%抗盐胶乳＋H21L缓凝剂（根据需要添加）＋1%CF44L分散剂＋0.5%X66L消泡剂。试验结果如表6所示，同配方水泥浆在不同温度下，通过适当地调节缓凝剂质量分数都能获得适当的稠化时间，说明水泥浆体系具有广泛的温度适应性。

3.2 温度对水泥石与模拟地层胶结强度影响

水泥石与模拟地层（配方：100%硅酸盐水泥＋100%工业氯化钠（40～100目）＋适量淡水，固化成型后在相应的试验温度下养护48h。）胶结面以及水泥石与套管壁胶结面强度的大小直接关系到盐膏层固井质量。室内对水泥石的胶结性能测试主要通过长江大学自行研制的壁面剪切拉伸试验仪CK－Ⅱ来测定。胶结面的剪切强度和拉伸强度越大，胶结面的胶结质量越好（图1～4）。

图1 剪切试验模拟地层

图2 拉伸试验模拟地层

图3 水泥浆与模拟地层胶结情况

图4 胶结面被拉开后的情况

由表7试验结果可见：①加入胶乳后水泥石抗压强度有一定的下降，但水泥浆与模拟盐岩层的胶结强度是明显增大的，说明胶乳的加入能够有效提高壁面胶结强度；②随着养护温度升高，水泥石的抗压强度逐渐增大，相应水泥石与模拟地层的胶结面的剪切强度和拉伸强度都呈现明显增大趋势，说明养护温度越高，越有利于水泥浆与模拟盐岩层的胶结。

表7 不同养护温度下水泥石强度及其与模拟地层胶结强度

3.3 养护时间对水泥石胶结性能影响

由表8可见：①随着养护时间延长，水泥石的抗压强度呈增大趋势，养护7d后，水泥石的抗压强度增幅变缓；②随着养护时间延长，水泥石与模拟地层胶结面的剪切强度和拉伸强度都呈增大趋势，养护时间越长胶结强度越大。良好的胶结强度完全能够保证水泥浆对巨厚盐膏层的封固效果。

表8 养护时间与水泥石抗压强度和胶结强度

表9 水泥石抗压强度和胶结强度对比

3.4 水泥石力学性能与常规水泥浆性能对比

以现场水泥浆配方作为参照对象，进行了水泥石力学性能对比，结果如表9所示。在水泥浆稠化时间和抗压强度相差不大的情况下，对2种配方水泥浆进行了胶结剪切强度和拉伸强度测试，测试结果显示2＃饱和盐水胶乳水泥浆的胶结剪切强度较1＃配方增加了22.5%，剪切强度增加了23.7%。说明饱和盐水胶乳水泥浆具有较好的胶结强度。