聚合物胶乳协同聚丙烯纤维韧性化改造对油井水泥石性能的影响

李子轩　刘德华

摘      要：为解决高温下水泥石韧性不足问题，通过以聚丙烯纤维协同胶乳的方式实现对水泥石的韧性化改造，分析不同聚丙烯纤维和胶乳加量下的胶乳/聚丙纤维水泥石综合性能。结果表明：胶乳的掺入对水泥的抗压强度会有一定影响，但对于提高水泥石的弹韧性则表现出积极作用;适量的纤维混入能在一定程度上解决胶乳水泥石强度降低问题，且能进一步强化水泥浆浆体稳定性，起到有效的互补增强作用。

关  键  词：固井;增韧;封隔;聚丙烯纤维;胶乳

中图分类号：TE256        文献标识码： A      文章编号： 1671-0460（2020）07-1437-04

Effect of Polymer Latex and polypropylene

Fiber on the properties of oil well cement

LI Zi-xuan， LIU De-hua*

（School of Petroleum Engineering， Yangtze University， Wuhan Hubei 430100， China）

Abstract： In order to solve the problem of low toughness of cement under high temperature， the toughness transformation of the cement was carried out by adding polypropylene fiber and polymer latex，and the effect of different polypropylene fiber and polymer latex dosages on the comprehensive performance of latex/polypropylene fiber cement was analyzed. The results showed that the addition of latex had a certain negative effect on the compressive strength of cement， but it had positive effect on improving the elasticity and toughness of cement; Proper fiber mixing solved the problem of latex cement stone strength reduction to a certain extent， and further strengthened the stability of the cement paste slurry， playing an effective complementary enhancement role.

Key words： Cementing; Toughening; Sealing; Polypropylene fiber; Latex

固井是指鉆井作业中根据具体要求钻至预定层段时下放套管，随后通过套管泵注一定量的固井水泥浆于地层环空间隙上返，待其在施工期内快速凝结固化后，最终形成封固严密、完整有效的固井水泥环的过程^[1-4]。在过去，对固井工作者而言，认为只需要将水泥浆有效泵入环空中而不引起事故、测井合格即可满足要求，然而事实上，即使是抗压强度满足要求的固井水泥石，出于水泥材料本体性质的影响，随着生产作业年限的不断增加，在后期依然会存在不同程度的水泥环失效情况^[5]。为此，我们在固井水泥浆的设计环节中，不仅要保证水泥石具有一定的抗压强度，还需要考虑水泥环的长效密封完整性^[6]。这其中，通过添加聚合物外加剂能有效改善水泥基材料的性能。聚合物外加剂（胶乳、可再分散聚合物粉末、水溶性聚合物、液体树脂和单体）被引入水泥砂浆中后，能有效降低水泥石的原生脆性，提高其长效耐久性。在这些添加剂中，由于乳胶乳液成本低廉、使用极具便利性，且能均匀分散于水泥浆中，故而是目前水泥石外掺聚合物体中使用最为常见的一种^[7-9]。胶乳外掺剂通过在水泥石基体内部形成相互连接的网状聚合物基质，对水泥石内部孔隙进行有效填充，能有效降低水泥石的气、液渗透性，并改善水泥浆体与储层或套管之间的黏结效果^[10-16]。此外，胶乳聚合物水泥石还具有良好的抗冻融性、较高的抗弯强度以及一定的耐腐蚀性，广泛应用于建筑、桥梁、国防等领域^[17-24]。本文即是在胶乳基础上，对高温作业环境下外掺纤维时，油井水泥整体性能变化、影响因素以及具体的作用机理进行了分析研究，旨在为固井领域中水泥石增韧方式的选择提供新的思路和一定参考。

1  试验

1.1  原料

G级油井水泥，四川嘉华特种水泥股份有限公司;羟基苯乙烯-丁二烯胶胶乳，固体质量分数50%，杭州拓目科技有限公司;胶乳稳定剂，山东富舜新材料科技有限公司;分散剂Z-21、降失水剂BS103L，江苏海安石油化工厂;聚丙烯纤维，中鼎经济发展有限责任公司;有机硅消泡剂，中山市鼎胜新材料有限公司;膨胀剂，萍乡众大高新材料有限责任公司。

1.2  仪器

六速旋转黏度计，常压养护仪，高温高压失水仪，恒混养护水浴锅，高温高压稠化仪，万能力学试验机。

1.3  配方构建

本文试验进行的一系列评测均建立在基础配方体系下，其中配方各组成均是以G级水泥为基础的质量百分比，维持恒定液固比0.44，基础配方组成如下。

1^#： G级水泥+35%硅粉+降滤失剂BS103L+分散剂+1%有机硅消泡剂+1.5%膨胀剂。

2^#：G级水泥+35%硅粉+降滤失剂BS103L+分散剂+1%有机硅消泡剂+1.5%膨胀剂+5%胶乳。

3^#：G级水泥+35%硅粉+降滤失剂BS103L+分散剂+1%有机硅消泡剂+1.5%膨胀剂+10%胶乳。

4^#：G级水泥+35%硅粉+降滤失剂BS103L+分散剂+1%有机硅消泡剂+1.5%膨脹剂+10%胶乳+1%聚丙烯纤维。

5^#：G级水泥+35%硅粉+降滤失剂BS103L+分散剂+1%有机硅消泡剂+1.5%膨胀剂+10%胶乳+2%聚丙烯纤维。

6^#：G级水泥+35%硅粉+降滤失剂BS103L+分散剂+1%有机硅消泡剂+1.5%膨胀剂+10%胶乳+3%聚丙烯纤维。

7^#：G级水泥+35%硅粉+降滤失剂BS103L+分散剂+1%有机硅消泡剂+1.5%膨胀剂+10%胶乳+4%聚丙烯纤维。

1.4  方案

本实验所有评测项目均依据《油井水泥石试验方法》（GB/T 19139-2003）执行，其中流变测试和失水测试均在90 ℃下完成，水泥石养护则均在120 ℃下完成。

2  评测与讨论

2.1  水泥浆浆体稳定性测试

水泥浆浆体稳定性评测是考察浆体工程应用效果优劣的重要参数，直接决定着水泥浆在井筒内能否顺利泵送至目标储层形成稳固的封隔层，若浆体过稠，则需要增大泵压，提高能耗，不利于节能增效;浆体过稀，则易造成沉降稳定性差，水泥浆失水，静液柱压力难以平衡地层压力，进而使得水泥浆失重，若是气层则极易引起气窜及环空带压问题的产生。为此，分别对设计的各加量水泥浆体系流变及滤失性能进行了系统的评价研究，结果如图1所示。

由图1可知，与水泥净浆相比，随着胶乳加量的提升，水泥浆滤失量呈逐渐降低趋势，而黏度则缓慢上升;当聚丙烯纤维逐量掺入时，水泥浆滤失量下降明显，同时水泥浆体系黏度增长也较胶乳掺量下提升明显。究其原因，在胶乳加量逐渐提升的情况下，由于胶乳聚合物的成膜性，在升温养护后的流变和失水评测中，胶乳粒子包覆于水泥颗粒表面，一方面因提高颗粒粒径而增大滚动摩擦提高水泥浆体系黏度，另一方面则通过覆盖和填堵于滤饼孔隙中从而实现降低渗透率、减少失水量的作用。在胶乳体系之上加入纤维时，由于纤维的分散性相对较差，故而导致浆体黏度上升明显，同时，由于纤维搭桥和穿插作用，能有效配合胶乳搭桥覆盖滤饼大孔隙，致使水泥浆失水量保持在较低值。

此外，为进一步考察浆体稳定性，分别对所制试样进行流动度和层间密度差评测，结果如表1所示。

由表1可知，随着胶乳和纤维的加入，水泥浆浆体流动度会受到轻微影响，但不影响水泥浆整体工作性能，且能大大降低上下层间密度差，具有较好的维稳效果。

2.2  水泥浆稠化测试

水泥浆稠化性能同样是水泥浆浆体设计中需要重视的一环，直接决定着水泥浆浆体在泵送至井筒内进行环空上返时，能否在指定时间指定位置进行准确封固。为此，通过统一120 ℃和50 MPa下对各水泥浆配方体系进行稠化时间和稠化过渡时间测定，结果如图2所示。

由图2可知，随着胶乳掺量的增加，水泥浆稠化时间缓慢减少，转换时间则较水泥净浆出现轻微波动，总体影响不大。但随着胶乳外掺基础上聚丙烯纤维的掺入，水泥浆稠化时间下降减缓，但转化时间明显降低。究其原因，在胶乳掺入后，为保证恒定固液比，胶乳占据一定需水量，使得稠化时间缩短，但此过程中，由于胶乳的成膜而包覆水泥颗粒，致使水化进程受阻，故而出现稠化时间在胶乳持续增加后出现异常增加现象。而聚丙烯纤维的掺入则因为降低水泥浆流动性，致使水泥浆初始稠度值增加， 降低稠化杯中浆体的搅拌速率，致使稠化时间缩短，而转化时间的减少也是该原因所致。

2.3  抗压强度测试

抗压强度作为评价水泥石性能优劣最重要的指标，直接决定了固井水泥石能否有效实现压稳地层、进行套管悬挂，是实现油井长效稳定生产的关键所在。为此，室内对水泥石进行了120 ℃、21 MPa恒温增压养护，分别对1、7、14 d后取出试样进行抗压强度测试，结果如图3所示。

由图3可知，相比较净浆水泥石，随着胶乳掺量的增加，水泥石抗压强度逐渐降低，而在10%胶乳水泥浆基础上逐渐掺入聚丙烯纤维下，所形成的水泥石抗压强度逐渐增加。究其原因，这是因为胶乳掺入水泥浆体系中后，水泥石的水化受到一定程度抑制，所形成的C—S—H强度结构被胶乳固化膜阻止，造成强度下降。纤维的掺入起到一定分散压应力作用，使得抗压强度能得到一定提升，且会随纤维加量提高而逐渐增强。就不同养护天数下的水泥石强度分析可知，水泥石的强度发展在前7 d内较为显著，但后期则会由于水泥石内部渐趋完全水化，从而使得抗压强度增长减缓。

2.4  抗折强度测试

作为与抗压强度配套的抗折强度，是判定固井水泥石对地层横向压应力承受能力的重要测试项目，在保持与抗压强度测试同样的测试条件基础上，分别对1、7、14 d不同类型不同掺量水泥石试样进行了抗折强度测试，结果如图4所示。

由图4可知，与抗压强度测试结果不同的是，胶乳和纤维外掺下的水泥石试样的抗折强度明显高度净浆水泥石，其中1d下胶乳掺量10%的水泥石试样，其抗折强度较净浆水泥石提高了1.6%，掺入聚丙烯纤维的7#试样则较净浆水泥石在1 d下的抗折强度提高了4.9%，表现出了较佳的增韧效果。究其原因，这是因为胶乳外掺下的水泥石内部所穿插的胶乳膜具有一定的弹韧性，能在一定程度上提高水泥石横向形变极限，而在此基础上掺入的聚丙烯纤维，则可通过“搭桥”“拉拔”方式进一步提高水泥石形变能力，实现对水泥石韧性的进一步提升。

3  结 论

通过探究聚合物胶乳协同聚丙烯纤维韧性化改造对油井水泥石性能的影响可得到如下结论：胶乳的掺入对水泥的抗压强度会有一定影响，但对于提高水泥石的弹韧性则表现出积极作用，且对水泥浆流变性影响较小，并起到提高水泥浆浆体稳定性的作用。而在此基础上通过掺入一定量聚丙烯纤维，则能有效解决胶乳外掺下对水泥石带来的负面影响，一定程度上改善了水泥石的抗压强度，降低水泥浆的失水量，且能协同胶乳对水泥石的弹韧性进一步加强。此次研究证明了以聚丙烯纤维混杂胶乳来提高油井水泥石性能具有显著的改善效果和一定的工程应用价值。

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