固井水泥膨胀剂与增韧剂协同作用与应用分析

2021-07-18李云杰李黔徐建军

钻井液与完井液 2021年1期

李云杰，李黔，徐建军

（1.西南石油大学石油与天然气工程学院，成都 610500；2.大庆油田有限责任公司重庆分公司，重庆 402660）

近年来，随着大型体积压裂技术的发展，致密油气水平井、页岩油气水平井压裂完成后，套管外水泥环的密封失效引起的生产及安全隐患问题已经凸显，开展压裂井井筒外水泥环完整性方案研究已刻不容缓。目前，解决该问题的主要研究重点是提高固井水泥石的弹韧性，以抵抗多级大型压裂时套管内高压循环加载卸载对管外水泥环造成的损坏，防止水泥环破裂形成连续裂缝，进而为油气水上窜提供通道。在提高水泥石弹韧性方面，纤维、胶乳、橡胶颗粒等增韧材料先后被应用于固井水泥以增强其韧性，除此之外，研究者们也尝试采用体积更小的纳米维度的材料来提高水泥石韧性，其中碳纳米管（CNTs）由于其超高的抗拉伸强度和较高的弹性应变，成为研究的热点之一[1-3]。当前研究表明，增韧剂及增韧水泥对大型压裂后水泥环的完整性的保持具有较好的益处，但需要注意的是，上述水泥浆应用的工况为水平井固井，注水泥完成后水泥凝固过程中天然收缩亦极有可能在水平段形成连续的微间隙，造成油气水乱窜的严重后果。对于抑制水泥石收缩，主要采用加入膨胀剂的方式来实现，常用的膨胀剂有晶格型和发气型两种[4]，张清玉等[5]、李东旭等[6]、吴秀田等[7]分别研发了多种性能优越的固井水泥膨胀剂。但是，对于膨胀剂与增韧剂协同作用下的效果以及配伍性影响，目前的研究涉及较少，而水泥石收缩与脆性强是水泥环同时存在的两种天然属性。因此，研究膨胀剂与增韧剂的协同作用，对于多级大型压裂水平井、管内循环加载卸载的储气库井等特殊工况井固井水泥环的完整性具有很大的必要性。

1 实验部分

1.1 实验材料及方案设计

根据目前的研究进展[8]，分别选择常用的2 种膨胀剂，一种为晶格型膨胀剂A，另一种为发气型膨胀剂B；选用增韧效果较好的2 种增韧剂，一种为聚丙烯纤维（PVA），另一种为碳纳米管（CNTs）。为了探索不同膨胀剂与增韧剂之间的协同效果及影响，共设计9 组实验配方，膨胀剂与增韧剂加量依据文献研究成果[9-10]，选用实验配方如下（为更好地呈现配方差异，CNTs 和纤维加入的特效分散剂并未体现）。

1.2 实验方法

水泥浆失水、稠化时间等常规性能测试依据GB/T 19139 中的规定进行测试。力学性能测试中，抗压强度测试采用NB/T 14004.2—2016 中的方法，抗拉强度采用巴西劈裂法测试，抗冲击功采用简支梁冲击试验机进行测试。水泥石孔隙结构采用压汞法进行测试，流变特性采用流变仪进行测试。分别测试自由膨胀和三维约束条件下的水泥石膨胀性能。自由膨胀采用限定2 个维度尺寸保留单一维度膨胀的方法，膨胀测试采用比长仪测试，精度为0.01 mm；三维约束条件膨胀采用高温高压体积收缩/膨胀测试仪进行测试，温压条件为80 ℃×20 MPa。采用三点弯曲梁法研究水泥石断裂过程中的力学行为，测试试件尺寸为150 mm×150 mm×550 mm，养护条件为常温×常压×7 d，试件跨中距离为500 mm，缺口深度为25 mm，缺口宽度为4.0 mm。通过测试试件的载荷-裂缝嘴张开口位移（P-CMOD），计算材料断裂能以评价水泥石的增韧能力[11]，裂缝嘴张开口位移变化采用夹式引伸计测量，将比例极限强度和残余抗折强度fR,j作为弯曲韧性评价指标，公式如下。

2 结果与讨论

2.1 膨胀性能

2.1.1 自由膨胀

对二维约束条件下（自由膨胀）膨胀剂、增韧剂单剂及两者协同的膨胀效果进行了测试，结果见图1。

图1 自由膨胀条件下不同配方水泥石的膨胀率

由图1 可知，无膨胀剂水泥石（空白样）在养护过程中出现先微膨胀后大收缩的变化过程，部分文献也对这个过程有所描述，但水化反应初期水化产物表观体积的增加并不能抵消养护中后期的体积大收缩，总体水泥石体积收缩率较大。加入增韧剂后，收缩进程受到了一定的延缓，均匀分布在水泥石中的增韧材料增大了基体收缩的阻力[12]，整体收缩率减小。膨胀剂单剂作用时，胶凝基质有膨胀的趋势，且在水化早期有较强的膨胀效果，发气型膨胀率高于晶格型，这主要是自由膨胀条件下，发气型膨胀剂产生的大量气泡进入胶凝基质的受限压力较小，产生的膨胀压较晶格型的大，整体膨胀率高。当晶格膨胀水泥浆体系混入纤维后，无论是初始膨胀率还是后期膨胀率均出现了一定程度地降低。这与一些学者研究的结果类似[13]，主要原因是晶格型膨胀剂引起的膨胀被纤维部分或者完全抵消，该现象的理论支撑是当纤维与水泥浆紧密接触时，纤维与基体之间产生相互的界面应力，这种预应力会一定程度地抑制基体膨胀。但是对于发气型膨胀剂，由于气泡的膨胀能不受纤维黏滞的影响，其对膨胀效果的影响较小。相比于纤维，纳米级的增韧剂碳纳米管与晶格膨胀剂的协同膨胀效果更差，当增韧材料形成的网格结构细化至纳米级时，晶格膨胀剂水化膨胀受到了进一步的限制，整体膨胀率不高。而碳纳米管对发气型膨胀剂则影响较小，膨胀率小幅降低。

2.1.2 三维约束条件下的膨胀

固井水泥浆井下强度发展的实际工况为高温高压，即水泥浆处于一种三维约束条件，总体体积受维度尺寸的限制无法膨胀[14]，该条件下主要测试水泥石收缩比率表征材料的膨胀效果。不同组合水泥浆收缩比率测试结果见图2。

图2 高温高压条件下不同水泥石的收缩率

由图2 可知，随着养护的进行，无任何添加剂的空白样、增韧剂单剂作用的水泥石均出现了收缩，这和自由膨胀条件下结果一致。高温高压环境下，水泥石的体积收缩出现了明显的3 个阶段，此处暂命名为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。水泥浆养护处于第Ⅰ阶段时整体体积不变；当养护至4～5 h 之间时，体积快速收缩，此时进入第Ⅱ阶段，此阶段也是水泥浆内部水化的快速发展阶段[15]；在养护的中后期，水泥石整体体积收缩趋于平缓，此时为体积收缩的第Ⅲ阶段。加入增韧剂后上述三个阶段的体积变化进程并未有明显改变，只是第Ⅱ阶段开始时间略有延迟，增韧材料对水化产物收缩比率的抑制（常压下有效）受高压环境的限制，并未发挥明显的作用，整体收缩率仍然较大。进一步加入膨胀剂后，第Ⅱ阶段受到明显的抑制，收缩率降低。纤维与两种膨胀剂的组合均出现了较小的收缩，且晶格型效果优于发气型，说明高压对发气型膨胀剂气泡扩散影响较大，两剂协同作用发挥受限。而碳纳米管-膨胀剂组合的水泥浆在水化的各个阶段均未出现收缩，表明大量纳米材料的添加具有一定的抑制收缩功效，与膨胀材料的协同作用较好。

2.2 力学性能

2.2.1 抗压强度与抗拉强度

不同膨胀剂及增韧剂组合条件下水泥石的抗压强度和抗拉强度测试结果见图3、图4，图中数值为3 次测试的平均值，误差线为3 次测试结果与平均值差值的最大值，此处定义为测试强度离散度。

图3 水泥石抗压强度测试结果

图4 水泥石抗拉强度测试结果

由图3、图4 可以看出，加入膨胀剂后，水泥石的抗压强度降低，其中发气膨胀剂（EA-G）对水泥石的降低幅度更大，这与它常压下对水泥石较好的膨胀效果有关，大量气泡产生充斥在样品空间中，降低了水泥石的密实度，总体抗压强度降低，且结果的离散度较高，这主要是因为膨胀剂的发气并不是一种规律性的均匀作用，气泡在水泥石基体中存在空间差异性，导致强度测试结果离散度高。增韧剂单剂作用中，增韧材料一定程度上阻止了水泥石破型时的裂纹扩展阻力，水泥石强度增强，其中碳纳米管的效果优于纤维，强度幅度提高更多。两剂协同作用中，晶格型膨胀剂与CNTs 联合作用效果最好，发气型膨胀剂与CNTs 效果次之，纤维与2 种膨胀剂同时加入后对水泥石的强度影响不明显，且样品离散度较强，说明尺寸较大的纤维对膨胀剂作用水泥产生了定向抑制，不同方位水泥基体膨胀不一致导致样品之间差异性较大。抗拉强度测试结果与抗压强度结论类似，效果最好的仍然是CNTs 与晶格型膨胀剂的相互协同。略有不同的是，与空白样相比，纤维与晶格膨胀剂混合后也对水泥石抗拉强度略有提升，且各个样品测试结果较为稳定，离散度较小。总体来说，对于水泥石强度提升来说，晶格型膨胀剂与增韧剂相互协同作用效果较好，其中CNTs 与晶格型膨胀剂协同最好，抗拉强度较空白样提高27.6%。

2.2.2 抗断裂韧性评价

不同水泥石缺口梁三点弯曲试验的载荷-裂缝嘴张开位移曲线测试结果见图5。无论是空白样还是加入增韧剂或膨胀剂的对比样，全部水泥石样品的载荷-裂缝嘴张开位移曲线的变化趋势是相同的，都是在裂缝扩展早期即承受了极大的载荷，迅速达到极限载荷，之后在很短的裂缝嘴张开行程中载荷降至最低，展现出一定程度的脆性特征。加入膨胀剂后水泥石的载荷峰值降低，且峰值时的裂缝张开位移向后偏移，膨胀剂作用后水泥石基体中的膨胀材料或气泡对裂纹扩展具有一定的偏转作用，吸收了一定的能量[16]，发气型膨胀剂样品达到载荷峰值时裂缝张开的扩大程度更大。而加入增韧剂后，水泥石的载荷峰值均得到一定的提升，其中碳纳米管的载荷峰值最高，这与其强度最高也是一致的；纤维水泥样品达到载荷峰值时的裂缝张开位移是最大的，这与其在水泥内部交错架桥、提高拔出耗能的增韧方式不无关系，止裂作用较为明显。两剂共同作用时，发气型膨胀剂与2 种增韧剂的协同作用较好，载荷峰值较高。

图5 载荷-裂缝张开嘴位移测试曲线

测试样品的极限强度及残余强度结果见表1。由残余强度计算结果可知，加入膨胀剂与增韧剂后，0.1 mm、0.2 mm 裂缝位移的残余强度均高于空白样，且均出现了0.3 mm 裂缝位移残余强度（空白样为0），可见2 种外加剂都可不同程度的提高水泥石的抗裂纹扩展能力。从两剂相互协同作用测试结果来看，虽然发气型膨胀剂与增韧剂混合后水泥石的极限强度略小于晶格膨胀剂（几乎相当），但其裂纹扩展中后期的残余强度均高于晶格膨胀剂样品30%以上。就残余强度来说，发气型膨胀剂混杂纤维的协同作用最好，与空白样相比，0.1 mm、0.2 mm 裂缝位移对应残余强度分别提高94%和280%；就极限强度来说，晶格膨胀剂混杂碳纳米管的协同作用最好，与空白样相比提高了15.7%。整体来说，混入膨胀剂后对增韧材料的增韧止裂效果影响较小，水泥石抗断裂韧性较好。

表1 测试样品极限强度及残余强度

2.3 孔隙结构

据张嘉新等[17]研究，孔径大于0.1 μm 以上的孔是对水泥石强度影响较大的“有害孔”，而大于1 μm 的孔过多则会极大程度地降低水泥石的耐腐蚀性[18]。对不同组合水泥石的孔径分布进行测试，对小于0.1 μm（暂定义为微孔）、介于0.1～1 μm之间（暂定义为中孔）、大于1 μm 的孔（暂定义为大孔）进行统计，统计结果见图6。

图6 不同水泥石孔隙体积分布

由图6 可知，不同水泥石中不同尺寸孔隙占比相差极大，很难将这种差异归结于水化程度的不同，可以认为添加材料的不同是造成上述结果的最重要的原因。加入膨胀剂后，水泥石孔隙体积增大，晶格膨胀剂主要增大了基体的微孔，而发气膨胀剂在水泥石基体中产生了大量的大孔；增韧剂单剂作用时，整体的孔隙体积都是降低的，纤维加入后中孔体积减小而大孔体积略有增大，应是部分未分散均匀的纤维与纤维之间接触时的不整合面造成的接触孔隙，而CNTs 由于尺寸较小，经分散后相互之间接触点与接触面极小，因此材料内部接触造成的孔隙较少，同时由于CNTs 的充填和架桥作用[19]，水泥石整体的孔隙度较小，孔径分布以微孔为主，这也揭示了其强度较高的内在机理。增韧剂的加入对发气膨胀剂在水泥基体中产生大孔的抑制效果有限，大孔占比仍然较高。晶格膨胀剂与增韧剂的协同效果好于发气膨胀剂，特别是与CNTs 联合作用后，水泥石整体孔隙度、中大孔占比均最低，两者协同作用后改善了水泥基质的压实度，孔隙进一步细化，以微孔为主。

2.4 常规性能

分别测试空白样和两剂协同作用后水泥浆的常规性能，包括失水、析水、沉降稳定性、流变特性、稠化时间等，测试时所有配方均加入1.5%降失水剂+0.3%分散剂，结果见表2。

表2 水泥浆常规性能测试结果

增韧剂与膨胀剂同时混入，浆体失水降低，其中发气膨胀剂与纤维组合的失水最低，但总体上失水可控。得益于膨胀剂形成的内部膨胀压，四种组合的析水均为0，但沉降稳定性（水泥柱上下密度差）差异较大，CNTs 与2 种膨胀剂组合的浆体稳定性较好，主要是2 种组合塑性黏度较大，CNTs在浆体内部通过吸附和缠结形成网状结构[20]，与膨胀剂能够很好的协作，增大颗粒沉降的拖曳力，浆体不易分层，适用于水平井段固井。另一方面，CNTs 与膨胀剂组合浆体的动切力较大，触变性较强，具有一定的防漏防窜作用。但是，需要引起重视的是，增韧剂与膨胀剂的加入均延长了水泥浆的稠化时间，在进行固井设计时，应依据工程需要，对稠化时间进行调节设计。

2.5 应用分析

依据以上实验结论和不同工况井对水泥石的要求，对不同膨胀剂与增韧剂的组合进行应用分析。对于非三维受限封固段，如井口段水泥石或双层套管内层套管封固水泥石（页岩气水平井大多数为此类井），采用发气膨胀剂与CNTs 或纤维组合可提高其膨胀率。对于三维受限环境水泥石（如水平段），应选用CNTs 与晶格膨胀剂组合，可最大限度降低其收缩率。对于大型压裂水平井，水泥环承受极强的内压载荷，极易造成周向断裂破坏，晶格膨胀剂协同CNTs 可提高水泥石的断裂韧性，另一方面降低颗粒沉降提高了水平井水泥环周向均匀度，同时具有一定的触变性，可达到降低收缩率、提高密封能力、防止水泥环内部受力不均匀、防止水气窜的四重目的。对于反复循环加载卸载井筒（如储气库井），发气膨胀剂混杂纤维是较好的一种解决方案，多次循环承压破坏后仍具有较高的残余强度，可延长井筒的寿命。对耐腐蚀要求较高的井或对水泥环渗透率要求较高的井（如地热井固井），可采用晶格膨胀剂与CNTs 组合，降低水泥石的孔隙度，减小大孔占比，通过增加密实度来提高抗腐蚀或抗渗透效果。