储气库固井用油井水泥增韧材料的优选与应用

王秀玲， 任文亮， 周战云， 刘卫军， 孙丽， 侯平（中石化中原石油工程有限公司固井公司，河南濮阳457001）

储气库固井用油井水泥增韧材料的优选与应用

王秀玲， 任文亮， 周战云， 刘卫军， 孙丽， 侯平
（中石化中原石油工程有限公司固井公司，河南濮阳457001）

王秀玲， 任文亮， 周战云， 等.储气库固井用油井水泥增韧材料的优选与应用[J].钻井液与完井液， 2017， 34（3）：89-93， 98.

WANG Xiuling, REN Wenliang, ZHOU Zhanyun, et al.Selection and application of toughening agent used in cementing gas storage well[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid，2017，34（3）：89-93，98.

针对储气库生产对水泥石韧性的特殊要求，优选了粒径为0.15～0.18 mm经表面改性的橡胶粉作为弹性材料，聚丙烯纤维作为增韧材料，通过实验确定弹性材料和增韧材料的最佳加量分别为3.0%和0.1%，并配合使用PVA胶乳类降失水剂，改善水泥石脆性，提高耐冲击能力及抗折能力，满足水泥环频繁高压注采条件下的长期密封性。综合评价了增韧水泥石的弹性模量、抗折强度、抗压及胶结强度、渗透率及应力条件下水泥环密封性，与净浆水泥石相比，弹性模量降低了43%，抗折强度增加了84.6%，渗透率小于0.05 mD，能够满足35 MPa压力、35 ℃温差下的水泥环密封性要求，适用于储气库固井。

储气库；固井；增韧低渗水泥浆； 增韧材料； 长期密封性

目前国内外在用的增韧材料主要有弹性颗粒，包括橡胶粉、沥青[1-5]；纤维类材料，包括玻璃纤维、聚丙烯纤维和碳纤维等[3，6]；大分子聚合物材料，包括胶乳、树脂类[7-8]。中油渤星公司开发了一种增韧防窜剂，主要成分为环氧树脂，中石化工程院主要采用纤维+胶乳[9]，国外采用橡胶较多。据研究，降低弹性模量最好的是橡胶，其次是树脂材料，胶乳、纤维对弹性模量的影响较小；对抗压强度影响最大的是树脂和胶乳，对水泥石抗拉强度提高最明显的是纤维，这几种材料对渗透率影响均不明显。韧性材料对流变性和现场的混配也会产生一定影响：橡胶对流动度影响较大，树脂也会引起浆体变稠；纤维类材料会发生结团现象，对混配产生一定影响；环氧树脂使用时需单独使用固化剂，对现场施工造成不便[10-11]。根据以上认识，选择弹性增韧颗粒、纤维材料作为储气库的增韧材料，通过优选类型、尺寸，确定单剂，并评价了不同加量组合对水泥浆性能的影响，确定最佳加量，与PVA胶乳类降失水剂一起协同作用，提高水泥石完整性。

1 增韧材料的优选

1.1 弹性增韧材料

将橡胶进行粉碎研磨之后形成不同粒径的橡胶粉，通过表面改性使其颗粒表面由疏水转为亲水。研究表明，橡胶粉足量掺入水泥浆后可增大油井水泥石受压前期塑性变形能力和受压后期变形能力，当水泥石受冲击力作用时，橡胶粉粒子发生弹性变形并吸收冲击能，从而提高油井水泥石抗冲击性能。粒径过大会影响渗透率，过小则无效果，因而适宜粒径为 0.15～0.18 mm。

1.1.1 弹性材料对强度及破形情况的影响

选择粒径为0.180 mm的丁苯橡胶粉A（M91S）和粒径为0.125 mm的丁腈橡胶粉B（M93S）加入G级水泥净浆中，进行60 ℃和100 ℃的24、48 h抗压强度实验，观察破形情况，结果见表1。

表1 弹性材料对G级水泥净浆强度的影响

从表1可以看出，净浆水泥石脆性大，破形后破裂严重；加入弹性材料会降低强度，当A加量在3.0%以内时，降低不多，加量为2.0%与3.0%时强度值相近，3.0%脆性改善效果明显，破形后依然保持试块完整；加量为4.0%时，脆性改善明显，但强度损失严重；B加量为2.0%时，强度影响不大，脆性依然很大，当加量为3.0%时，脆性改善，但强度损失严重。为此，选择A（M91S）作为增韧剂中的弹性材料。

为进一步验证实验结果，进行了抗冲击实验，结果见表2。由表2可以看出，当弹性材料A加量为2.0%时，抗冲击功增加了17.2%，再增加加量，改善有限。

表2 弹性材料加量对水泥石抗冲击功的影响

1.1.2 弹性材料对稠度及稠化时间的影响

将不同加量的弹性材料加入G级净浆中，在79 ℃、40 MPa、30 min条件下测试稠化时间及初始稠度，评价弹性材料加量对水泥浆产生的影响。随弹性材料加量的增加，水泥浆稠化时间和稠度呈增加趋势，当加量在2.0%以内时，稠化时间变化不大，但初始稠度增加明显，稠度为40 Bc的可泵时间缩短；当加量在2.0%以上时，稠化时间、稠度均呈明显增加趋势，见表3。

表3 弹性材料加量对水泥浆稠化时间的影响

从表1～表3可以看出，加量为2.0%～3.0%的弹性材料A加入水泥浆中，可提高水泥石抗冲击能力，但同时抗压强度降低，稠化时间延长，浆体稠度增加，但都在可接受的范围。为此，将其确定为增韧剂的主要成分，加量定为3.0%。

1.2 纤维材料

纤维材料种类很多，有合成纤维和天然植物纤维，其中合成纤维性能稳定，耐酸耐碱，成为目前使用的主要产品。选择碳纤维C和聚丙烯纤维D，加入水泥浆中， 评价纤维材料对水泥石抗压强度和破形情况的影响， 见表4。从表4可以看出， 加入0.1%纤维D，可有效阻裂；加入0.5%纤维C，强度增加，脆性有一定改善， 加量为1.0%时韧性很好，但强度又损失较多，故将纤维C的加量定为0.8%。

将3.0%弹性材料M91S加入G级水泥中，配成密度为1.90 g/cm3的水泥浆， 分别加入0.8%纤维C和0.1%纤维D，测试其对稠化时间和稠度的影响，结果见表5。可以看出，纤维C、D均缩短了稠化时间，增加了初始稠度。考虑到经济性，选择D作为水泥增韧材料。将弹性材料M-91S与纤维D作为水泥石的增韧材料，2者互相补充，共同作用，改善水泥石脆性，增加耐冲及阻裂能力，提高水泥环的完整性。

表5 纤维对水泥浆稠化时间的影响

2 增韧材料应用及水泥浆性能评价

为更好地提高水泥浆韧性及综合性能，将PVA胶乳类降失水剂M-89L与弹性材料、纤维配合使用，起到控制失水、提高浆体稳定性、填充颗粒空隙、增加水泥浆弹性的作用。在G级高抗硫油井水泥中加入分散剂、弹性材料、纤维、增强剂、调凝剂等形成增韧低渗水泥浆体系，按文23储气库设计条件对水泥浆性能进行评价。

2.1 水泥浆常规性能

按API规范对增韧低渗水泥浆体系的浆体性能进行评价，实验温度为70 ℃，见表6和图1。该水泥浆配方如下。

1#G级水泥+0.6%USZ+6.0%M-89L+0.1%纤维B+3.0%M-91S+1.5%M-100S 2#1#+ 0.3%缓凝剂M-61L 3#1#+ 0.4%M-61L

表6 低渗增韧水泥浆体系常规性能评价

图1 增韧低渗水泥浆稠化曲线

由表6可知，增韧低渗水泥浆的各项性能良好，稠化时间可调，浆体稳定，失水量小于25 mL，零游离液，SPN值小于3，防窜性能良好。由图1可以看出，该水泥浆呈近似直角稠化。

2.2 水泥石抗压强度与胶结强度

对水泥石进行常压和增压养护48 h；采用界面胶结强度试模进行胶结强度的成型和测试，养护条件为60 ℃、常压、24 h，见表7。由表7可以看出，与净浆水泥石相比，增韧低渗水泥石强度未过多损失，胶结强度明显增加，增加幅度为24%，降低了水泥环被拉应力拉脱、形成微环隙的风险。

表7 水泥石抗压及胶结强度评价

2.3 水泥石韧性

将增韧低渗水泥浆和G级净浆在80 ℃养护48 h，利用Toni多功能水泥石力学实验机开展评价，测试弹性模量和抗折强度，结果见表8。由表8可以看出，增韧低渗水泥石韧性良好，与净浆相比，弹性模量降低了43%，抗折强度增加了84.6%。

表8 不同配方水泥石的韧性评价

2.4 水泥石气体渗透率及SEM分析

2.4.1 水泥石气体渗透率

将增韧低渗水泥浆和净浆分别倒入模具，在70 ℃、21 MPa 及100 ℃、21 MPa条件下养护48 h，采用ULTRA-PERM 500气体渗透仪测试水泥石渗透率，结果见表9。由表9可知，增韧低渗水泥石渗透率明显改善，与净浆水泥石相比，70和100 ℃下分别降低了93.25%和94.2%。

表9 水泥石气测渗透率

2.4.2 水泥石SEM分析

对增韧低渗水泥石进行SEM分析，微观形貌见图2。微观形貌显示掺入的胶乳、弹性颗粒及纤维未对水化产物产生影响，主要的水化产物为絮状的C—S—H凝胶和片状的Ca（OH）2及少量针状钙矾石（AFt）或单硫型水化硫铝酸钙（AFm）。孔隙结构表明，胶乳中颗粒微小的胶粒有效地填充了水泥水化产生的孔隙及微裂缝，且细化了孔径。微观形貌显示，胶乳在水化产物表面积聚成连续薄膜的胶粒，和水化产物一起形成互相渗透复合的立体网状结构；在水泥微缝隙间形成桥接，抑制微缝隙发展，分散水泥石的应力集中。掺入弹性粒子后，增加了水泥石的孔隙率，粗化了孔径；当水泥石受荷载作用时，水化产物颗粒作为水泥石的骨架结构，是应力的传递介质，将应力传递到均匀分布于其间的弹性粒子上，弹性粒子起到缓冲作用，可以提高水泥石的形变能力，降低其弹性模量。

图2 增韧低渗水泥石微观形貌

2.5 应力疲劳下的水泥环密封性

利用TNM-1型天然气水泥环长期密封性模拟评价装置，模拟文23储气库井运行时井内压力和温度变化规律，模拟注采条件对增韧低渗水泥石进行密封性评价，分析水泥环应力状态和密封能力。

对水泥石进行35 MPa压力疲劳实验，套管内最大压力为35 MPa，恒载一定时间后卸压，卸压至0后保持规定时间，然后加压，如此循环加载100次，测定压力变化与出气量，结果见图3。由图3可以看出，套管与水泥环的界面以及水泥环与外筒的界面均没有发生气窜现象，水泥环密封完整性保持完好。

对水泥环进行35 MPa、35 ℃温差下压力、温度变化与出气量实验，结果见图4。图4结果显示，水泥环保持密封性，没有发生气窜现象。水泥环在套管内压及温度变化下，所受应力增加，但水泥环本体仍然没有发生强度破坏，出现裂缝，或水泥环发生较大的塑性变形，未出现微环隙。从密封性评价结果来看，增韧水泥浆体系形成的水泥环对注采产生的交变应力及井筒内温度变化有着良好的适应性，抗疲劳能力强，能够满足周期性注采需要。

图3 增韧低渗水泥环在35 MPa交变应力下的压力变化与出气量

图4 增韧低渗水泥环在35 MPa和35 ℃温差下压力、温度变化与出气量

3 现场应用

文23储气库目前已完成二开固井5口，全部采用增韧低渗水泥浆体系，其中3口井，初步评定全部为优良井。

文23储4-8井二开完钻井深为2 890 m，使用φ320 mm钻头下入φ273.1+φ282.58 mm套管，钻遇位于2 302～2 798 m的文23盐层，采用外径为282.58 mm、壁厚为17.32 mm、钢级为G125V的加厚气密封扣套管，使用密度为1.49 g/cm3饱和盐水钻井液，常规一次性注水泥，全井封固。

该井钻遇巨厚盐层，厚度为496 m，井径不规则，加之井况复杂，固井前经多方协商，未下扶正器，顶替效率难以保证；一次封固段长，裸眼段地层薄弱，多方决定不做承压试验，固井中存在井漏风险；加之水泥浆滤液对盐层产生溶蚀影响界面胶结，而储气库运行对气库盖层质量要求严格，固井面临非常大的困难。

采取的主要技术措施为下套管前认真通井，保证井眼畅通；采用强弹性双作用浮鞋和浮箍，确保密封效果；下套管后单凡尔顶替井眼后逐渐增大排量，排量最大为25 L/s，泵压不大于6 MPa；冲洗型隔离液占环空200 m；采用双密度双凝水泥浆固井，使用密度为1.52 g/cm3非渗透高强低密度+使用密度为1.90 g/cm3增韧低渗水泥浆体系，低密度返至地面，高密度返至井深2 100 m。

在华银G级高抗油井水泥中加入分散剂、弹性材料、纤维、增强剂、缓凝剂组成增韧低渗水泥浆体系，在73 ℃、48 MPa、30 min实验条件下，稠化时间为230 min，初始稠度为10 Bc，失水量为22 mL，游离液为0，上下密度差为0，顶、底部抗压强度分别为29.4 MPa、30.8 MPa。

实际施工中注入低密度水泥浆100 m3、高密度水泥浆30 m3，水泥浆返出地面约10 m3，关井72 h候凝，候凝期间不得进行任何作业。72 h后测井结果为优质。

4 认识及结论

1.粒径为0.15～0.18 mm经表面改性的橡胶粉加量在2%～3%时可有效降低水泥石弹性模量，同时不过多损失强度。

2.弹性材料、聚丙烯纤维、PVA胶乳类降失水剂协同作用，可有效改善水泥石脆性，提高耐冲击及阻裂能力。

3.增韧水泥石与净浆水泥石相比，弹性模量降低了43%，抗折强度增加了118%，渗透率小于0.05 mD，能够满足35 MPa压力、35 ℃温差下的水泥环密封性要求，适用于储气库固井。

4.经二开固井现场应用，增韧低渗水泥浆体系满足储气库盖层固井需要，目的层固井拟继续采用该体系。

[1]姚晓， 吴叶成， 黎学年.国内外固井技术难点及新型水泥外加剂特性评析[J].钻井液与完井液， 2005， 22（2）：11. YAO Xiao，WU Yecheng，LI Xuenian. The technical difficulties of cementing at home and abroad and the characteristics of new type of cement admixture[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid，2005，22（2）：11.

[2]姚晓，樊松林，吴叶成，等.油井水泥纤维增韧材料的研究与应用[J].西安石油大学学报：自然科学版，2005，20（2）：39-42. YAO Xiao， FAN Songlin， WU Yecheng， et al. Research and application of oil well cement fiber reinforced material[J]. Journal of Xi'an Petroleum University：Natural Science Edition， 2005，20（2）：39-42.

[3]杨元意.一种储气库固井增韧水泥浆体系的研究[D].成都：西南石油大学，2014. YANG Yuanyi. Study on cement slurry system for cementing and toughening of gas storage[D]. Chengdu：Southwest Petroleum University，2014.

[4]杨智.影响固井水泥石韧性强度的因素研究[D].成都：成都理工大学，2011. YANG Zhi. Study on the factors influencing the toughness of cement mortar[D]. Chengdu：Chengdu University of Technology，2011

[5]邓启刚，席慧智，刘爱东，等.材料化学导论[M].哈尔滨工业大学出版社，1999：253. DENG Qigang， XI Huizhi， LIU Aidong， et al. Introduction to materials chemistry[M].Harbin Institute of Technology press， 1999：253.

[6]何维帅.路用柔性水泥基复合材料制备与性能研究[D].武汉：武汉理工大学，2008. HE Weishuai. Flexible cement based composite material preparation and properties research[D]. Wuhan： Wuhan University of Technology， 2008.

[7]华苏东，姚晓.油井水泥石脆性降低的途径及其作用机理[J].中国石油大学学报（自然科学版），2007，31（1）：108-112. HUA Sudong， YAO Xiao.Reduction in friability ofwell cement stone and its function mechanism[J].Journal of China University of Petroleum（Edition of Natural Science），2007，31（1）：108-112.

[8]刘萌.固井水泥浆用自修复材料的探索研究[D].成都：西南石油大学，2015. LIU Meng. Research on self repairing material for well cementation cement slurry[D]. Chengdu：Southwest Petroleum University， 2015.

[9]谭春勤， 刘伟， 丁士东， 等.SFP弹韧性水泥浆体系在页岩气井中的应用[J].石油钻探技术， 2011， 39（3）：53-56. TAN Chunqin， LIU Wei， DING Shidong， et al. Application of SFP elastic cement slurry system in shale gas wells [J]. Petroleum Drilling Technology， 2011， 39（3）：53-56.

[10]张幸，覃毅，李海伟，等. 平顶山盐穴储气库固井技术[J].石油钻采工艺，2017，39（1）：61-65. ZHANG Xing， QIN Yi， LI Haiwei， et al. Cementing technology suitable for Pingdingshan salt cavern gas storage[J].Oil Drilling & Production Technology， 2017，39（1）： 61-65.

[11]覃毅，党冬红，刘晓贵，等.盐穴储气库楚资1 井φ244.5 mm 套管固井技术[J].石油钻采工艺，2015，37（2）：51-53. QIN Yi， DANG Donghong， LIU Xiaogui， et al. φ244.5 mm casing cementing technology on Well Chuzi-1 in salt-cavern gas storage[J].Oil Drilling & Production Technology， 2015，37（2）：51-53.

Selection and Application of Toughening Agent Used in Cementing Gas Storage Well

WANG Xiuling, REN Wenliang, ZHOU Zhanyun, LIU Weijun, SUN Li, HOU Ping
(Cementing Branch of Zhongyuan Petroleum Engineering Ltd., Sinopec, Puyang, Henan 457001)

A toughness-enhanced cement slurry was formulated to cement gas storage wells which have special requirements for the toughness of set cement. A surface modified rubber powder (particle size between 0.15 mm and 0.18 mm) and a polypropylene fiber were used in the cement slurry as an elastic enhancer and a toughening agent, respectively. The optimum concentrations of the elastic enhancer and the toughening agent were determined to be 3.0% and 0.1%, respectively, through laboratory experiments. PVA latex was used as a filter loss reducer to minimize the brittleness of the set cement, improving its impact resistance and antibreaking performance, and satisfying the needs of cement sheath for long-term airtightness under frequent high-pressure injection and production. Laboratory experiments were done to evaluate the toughness-enhanced set cement for its elastic modulus, anti-breaking strength, compressive strength, bonding strength, permeability, and the airtightness of the cement sheath under stress. Compared with the set cement formed with base cement slurry, the elastic modulus of the toughness-enhanced cement slurry was reduced by 43%, the anti-breaking strength was increased by 118%, and the permeability of the set cement was less than 0.05 mD. These data indicated that the toughness-enhanced cement slurry was able to satisfy the needs for airtightness of the cement sheath under 35 MPa and 35 ℃temperature difference, suitable for cementing gas storage wells.

Gas storage; Set cement; Toughness-enhanced cement slurry;Toughening agent; Long-term airtightness

TE256

A

1001-5620（2017）03-0089-05

2016-12-5；HGF=1702M1；编辑 马倩芸）

10.3969/j.issn.1001-5620.2017.03.018

中国石油化工集团公司研究项目“枯竭砂岩气田改建储气库钻完井关键技术研究”（JP14028）。

王秀玲，高级工程师，1973年生， 1994年毕业于西北大学，现在主要从事固井水泥浆体系的研究工作。电话 13939361820；E-mail：13939361820@163.com。