一种能有效保障井筒完整性的高强韧性水泥浆体系研究

许明标，李路

(长江大学石油工程学院，湖北 武汉 430100)

武志强

(中海石油(中国)有限公司北京研究中心，北京 100010)

王晓亮

(荆州嘉华科技有限公司，湖北 荆州 434000)



一种能有效保障井筒完整性的高强韧性水泥浆体系研究

许明标，李路

(长江大学石油工程学院，湖北 武汉 430100)

武志强

(中海石油(中国)有限公司北京研究中心，北京 100010)

王晓亮

(荆州嘉华科技有限公司，湖北 荆州 434000)

固井后套管-水泥环-地层会形成一个胶结体，即固井屏障。固井屏障在油气井生产过程中，要受到各种载荷的作用，会导致固井屏障密封系统失效。为保证井筒的完整性，目前主要的解决办法是使用胶乳水泥浆体系，但是该体系有一个较大的缺点就是用量大、费用高。室内通过优选增韧材料GBS-51，其质量分数在2%～5%变化时，水泥浆性能能够满足常规固井作业的要求。为了能够在有效保证固井屏障良好完整性的情况下，降低生产作业成本，将GBS-51与胶乳复配(其中胶乳仅起到偶联剂的作用，用量较少)，成功构建了一套高强韧性水泥浆体系，试验结果表明：该韧性水泥浆体系能够有效地控制成本，且适用温度范围广，可以满足不同井底温度的固井作业，形成的水泥石韧性以及其他物理特性优良，有利于保障井筒完整性。

固井屏障；增韧材料；胶乳；固井水泥浆

如何提高井壁与套管间水泥环的密封质量是固井工程长期关注的问题，固井水泥环的力学性能，关系到固井屏障的质量和油气井寿命。保证固井屏障完整性的关键是让高强高韧性的水泥浆与套管壁和地层形成良好的胶结性，且能够经受住地层复杂环境的影响。相关文献发现，在水泥浆中加入适量的增韧材料对提高Ⅰ、Ⅱ界面的胶结性能有积极的作用，如果将增韧材料与胶乳复配，对于提高水泥石的物理特性以及井壁与套管间水泥环的密封性效果更加明显。构建一套高强韧性水泥浆体系是有效提高固井屏障油气井Ⅰ、Ⅱ界面的胶结能力的关键。室内对固井屏障完整性高强韧性水泥浆体系进行了综合性能评价，研究表明该水泥浆体系适用温度范围广，可以满足不同井底温度的固井作业，且水泥石韧性以及其他物理特性优良，能够为生产作业者节省不少的经济成本，这也与各个油气田开发作业者降本增效经营理念更加契合。

1　水泥浆配方设计

1.1水泥浆设计思路

目前固井常用且效果较好的增韧材料主要为胶乳，胶乳中高分散性弹韧性乳液颗粒是良好的防气窜和增韧材料，然而当胶乳质量分数较大时才能使水泥石具有良好的韧性(质量分数通常要求10%以上)。如何在较低胶乳质量分数下让水泥浆获得良好的韧性是该研究的重点。笔者认为将胶乳作为偶联剂，然后与增韧材料复配对于提升水泥石的力学性能以及降低生产成本具有积极的作用。

在水泥浆体系中的偶联剂具有实时填充和封堵水泥石中细小孔隙与连通孔道的作用。在另外一种情况下，偶联剂具有联接和封闭水泥石中堆积颗粒之间的微细孔隙和缝隙的能力。普遍情况下，细小的物质可以对颗粒堆积的孔隙进行填充，但是颗粒解除面间的微细孔隙并没有颗粒物质可以进行有效的封闭，特别是在像胶乳这样的水泥浆体系中，常用胶乳一般由丁二烯和苯乙烯采用乳液聚合方式共聚而成，无论丁二烯还是苯乙烯或是由丁二烯与苯乙烯制备的聚丁二烯苯乙烯，都是亲油疏水的化合物，具有强烈的亲疏特征。在水泥浆的颗粒堆积中，与水泥颗粒具有不相容性，造成在2种物质的接触面上的明显界线，二相接触只是通过胶乳中稳定性的微弱兼容联接而产生作用，这严重地影响了胶乳性能的发挥；同时在这种情况下，还可能由于胶乳稳定剂的性能和质量分数的影响使得水泥石的性能产生变差的趋势，所以水泥浆体系中胶乳的质量分数应该给予控制，对于水泥石力学性能的提升必须另辟蹊径。

1.2增韧材料对水泥浆物理性能的影响

增韧材料赋予油井水泥石一种韧性形变能力，它能够增强水泥浆凝固后的胶结能力，同时增加水泥石抗冲击破碎能力，但不同的增韧材料对水泥浆性能的影响会有不同，为了确定一种合适的水泥浆增韧材料，室内对水泥浆基础配方中加入不同增韧材料的物理特性进行了综合评价，试验结果见表1。

表1　不同增韧材料对水泥浆物理性能的影响

从表1列出的数据可以看出，增韧材料的加入，从整体上将水泥浆稠化时间缩短了15min左右，同时把水泥石的强度减小了20%，而对水泥浆高温高压失水性能的影响呈不规律性，但都小于50mL。与所列出的其他几种增韧材料相比较，BS-12，CBS-5，GBS-51能够很好地改善水泥浆的高温高压失水性能，且对水泥浆稠化时间以及水泥石抗压强度的影响相比之下要小，所以增韧材料应在上述3种材料中挑选。

水泥浆的流变性能是注水泥流变学设计的基本参数，不仅能够通过它计算注水泥顶替过程的循环压耗，防止井眼出现蹩漏现象，更能够利用它计算注水泥顶替过程中最佳的流态，提高注水泥的质量，如果排量和流态计算合理，也可以消除井筒内部分屏障，比如残存的泥浆、泥饼等，对于提升水泥浆的胶结性有积极的作用。室内对于3种增韧材料对水泥浆流变性能影响作了评价，具体评价结果见表2，除了GBS-51以外，其他增韧材料都不同程度使水泥浆变稠。

表2　不同增韧材料对水泥浆流变性能的影响

注1：水泥石养护条件为90℃×24h；高温高压失水条件为6.9MPa×30min；Nφ600、Nφ300、Nφ200、Nφ100、Nφ6、Nφ3分别为六速旋转黏度计600、300、200、100、6、3r/min对应的读值。下同。

注2：水泥浆配方为100%G级水泥+31.25%淡水+0.5%消泡剂X60L+8.75%增韧材料+0.5%分散剂CF44L。

综合表1与表2可知，GBS-51对于提升固井水泥浆的性能效果最明显，水泥浆中加入GBS-51后，水泥石24h养护强度为18.3MPa(>15MPa)；与不加GBS-51的水泥浆相比，其能将水泥浆高温高压失水量减小29%，最大限度控制气窜的发生。对于其他材料而言，都不同程度地增大了水泥浆的稠度；而GBS-51对水泥浆的流变性影响不大。综合以上分析，水泥浆增韧材料的最佳选择应为GBS-51。

添加剂质量分数的不同对水泥浆性能的影响差别会很大，所以GBS-51的最优质量分数也是研究的重点，室内对其质量分数变化的试验结果见表3。

表3　GBS-51质量分数对水泥浆流变性能的影响

注：水泥浆配方为100%G级水泥+31.25%淡水+0.5%消泡剂X60L+增韧材料+1.0%分散剂CF44L。

由表3的数据可知，水泥浆中加入GBS-51，增大了水泥浆的稠度，减小了水泥浆的稠化时间以及水泥石的抗压强度，同时对水泥浆的高温高压失水性能有一定的提升。随着GBS-51质量分数的增加，水泥浆的流变读数不规律的增大，稠化时间不规则减小，抗压强度逐渐变小，当其质量分数在8%时，流变读数增大了将近25%；抗压强度减小了近50%。综合以上试验结果得出，GBS-51质量分数在2%～5%变化时，水泥浆性能能够满足常规固井作业的要求。

1.3GBS-51与胶乳复配对水泥浆力学性能的影响

为了控制成本减少水泥浆体系中胶乳的用量，仅将其作为偶联剂。室内研究了胶乳与GBS-51复配后对水泥浆力学性质的影响，研究结果见表4。

表4　胶乳与GBS-51复配对水泥石力学性能的影响

注：水泥浆配方为100%G级水泥+27.5%淡水+1%消泡剂X60L+1%胶乳稳定剂J20+胶乳+GBS-51+1.0%分散剂CF44L+0.5%缓凝剂H21L。

可以看出，当水泥浆只加入胶乳时，水泥石的弹性模量普遍较高，表明其显现出很大的脆性，这对于保障固井屏障的完整性是极为不利的；当水泥浆中只添加增韧材料时，水泥石的力学性能又略低，渗透率也较高，达不到防气窜的要求；当胶乳质量分数为2%，GBS-51质量分数为4%时，水泥石表现出很高的强度，其弹性模量达到最低，泊松比也较高，渗透率最低，此时对于提升水泥浆的力学性能最有利。

2　固井屏障完整性韧性水泥浆综合性能研究

2.1不同温度下固井屏障完整性韧性水泥浆的性能

根据第一部分的研究内容，确定固井屏障完整性韧性水泥浆体系的配方为：100%G级水泥+27.5%淡水+1%消泡剂X60L+0.5%胶乳稳定剂J20+2%胶乳+4%GBS-51+1.0%分散剂CF44L+0.5%缓凝剂H21L。由于地层深度的不同，地层温度也不尽相同，不同温度下水泥浆表现出来的物性是不同的。实验室对其在不同温度下的性能进行了评价，结果见表5。

表5　不同温度下固井屏障水泥浆体系的综合性能

可以看出，当温度在30℃时，水泥浆略稠，形成水泥石的强度不高，其他物理性能能够满足固井施工作业的要求，所以应适当调整水泥浆的流变性以及抗压强度；当温度在35～50℃内变化时，水泥浆流变读数偏大，应适量增大分散剂的量，改善水泥浆的流动性；固井屏障完整性韧性水泥浆体系具有较高的抗压强度，水泥石24h养护强度均大于15MPa，水泥浆高温高压滤失量均可以控制在50mL内，稠化时间满足正常施工作业要求。综上所述，固井屏障完整性韧性水泥浆体系适用温度范围广，性能优良，具有很好的应用价值。

2.2固井屏障完整性韧性水泥浆胶结性能评价

为了增加水泥浆与Ⅰ、Ⅱ界面之间的胶结性能，保证水泥环在井筒复杂环境下具有很好的密封性。实验室利用界面剪切拉伸试验机对固井屏障完整性增韧胶乳水泥浆、常规水泥浆以及胶乳水泥浆的地层胶结性能进行了评价，结果如表6所示。

表6　不同水泥浆体系与Ⅰ、Ⅱ界面的胶结强度对比

注：胶结强度试验数据由自制设备界面剪切拉伸试验机测试所得。试验所涉及Ⅰ界面模型为N80钢材，同时在Ⅰ界面涂上约1mm厚的现场泥浆，然后测试水泥浆与其胶结性；Ⅱ界面模型为水泥浆与室内模拟地层(建筑水泥-河沙=1/2固化后形成)的胶结面测试结果。

胶乳与GBS-51复配后所配制的水泥浆明显提升了Ⅰ、Ⅱ界面的胶结性能，与常规水泥浆比较，对于Ⅰ界面，将其剪切强度提升了14%，抗拉强度提升了6.6%；对于Ⅱ界面，将其剪切强度提升了13%，抗拉强度提升了8.4%；而胶乳水泥浆对于Ⅰ、Ⅱ界面的胶结性能介于常规水泥浆与增韧胶乳水泥浆之间，综合评价可知固井屏障完整性韧性水泥浆能够显著提高固井屏障界面的胶结质量。

3　结论

1)固井屏障完整性韧性水泥浆体系有效地控制了胶乳的加量，且水泥浆适用温度范围广，物理性能好，稠化时间也能满足常规作业的要求。

2)通过试验研究确定了增韧材料为GBS-51，当其质量分数在2%～5%变化时，水泥浆性能能够满足常规固井作业的要求。

3)当质量分数为2%的胶乳与质量分数为4%的GBS-51复配时，水泥石24h抗压强度可达23.5MPa，泊松比达到0.20，弹性模量为2.69GPa，渗透率也能够达到固井的要求，此时对于提升水泥浆的力学性能最有利。

4)与常规水泥浆、胶乳水泥浆对比，增韧胶乳水泥浆对于提升存在固井屏障的Ⅰ、Ⅱ界面的胶结性能最明显。

[1]张海山，王永松，宫吉泽,等.海上增韧防窜固井水泥浆体系研究及应用[J].钻井液与完井液，2015，32(4)：59～62.

[2]郭进忠,罗霄，华苏东，等.抗冲击防窜水泥浆体系性能研究[J].钻井液与完井液，2010，27(4)：59～65.

[3]许加星，邹建龙，朱海金.胶乳水泥浆的防气窜性能评价及应用[J].钻井液与完井液，2010，27(11)：20～22.

[4]罗长斌，李治，胡富源，等.韧性水泥浆在长庆储气库固井中的研究与应用[J].西部探矿工程，2016，28(1)：72～76.

[5]朱磊，耿亚楠，许明标，等.适合小井眼固井的韧性水泥浆体系室内研究[J].石油天然气学报(江汉石油学院学报)，2014，36(9)：106～108.

[6]许明标，文守成，黄文新，等.固井界面胶结性能影响因素[J].大庆石油学院学报,2007，31(3)：45～49.

[7]李彬.固井水泥石界面胶结性能改善方法研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2011.

[8]Dong F，Mingkai Z，Deyong J，et al. Investigation on the relationship between flexural strength, flexural toughness and impact toughness of styrene-butadiene rubber latex-modified cement concrete[J].Material Research Innovations，2015，19(8):849～854.

[9]Cowan K M，Hale A H. Conversion of drilling fluids to cements with blast furnace slag:performance properties and applications for well cementing[J].SPE24575，1992.

[10]Reddy.Emulsion admixtures for improving cement elasticity[P].US：6308777，2007-11-13.

[编辑]帅群

2015-12-10

许明标(1962-)，男，博士，教授，现主要从事钻井液、水泥浆及化学合成方面的研究工作，xmb62@163.com。

TE254

A

1673-1409(2016)17-0049-05

[引著格式]许明标，李路，武志强，等.一种能有效保障井筒完整性的高强韧性水泥浆体系研究[J].长江大学学报(自科版),2016,13(17):49～53.