提高水泥层间封隔能力的低密度弹性密封水泥浆性能评价*

幸雪松，孙 翀，许明标，王晓亮，杨晓榕，彭石峰

（1.中海油研究总院有限责任公司，北京 100028；2.长江大学非常规油气湖北省协同创新中心，湖北武汉 430100；3.荆州嘉华科技有限公司，湖北荆州 434000）

0 前言

固井施工质量的好坏直接影响油气井的寿命。在复杂井和水平井固井施工过程中，低密度水泥浆水泥凝固后，水泥石表现为脆性，其抗压强度、抗折强度和抗冲击性能较差［1-2］。水泥环在套管试压、射孔压裂及地层温度升高等情况下会出现细微的裂缝。当受到大量频繁的物理和机械作用时，裂缝逐渐变大，造成水泥环破碎及密封质量下降，导致固井失效，从而发生套管损坏等一系列严重的问题［3-4］，直接影响油气田的产能和高效开发［5］。国内学者的研究表明，导致层间封隔失效的主要原因之一是水泥石弹性形变能力差，其次是弹韧性材料能否与水泥石共同承受冲击力，阻止裂纹的扩张，保证水泥石的整体性能［6-7］。目前，常用的方法是在水泥浆中加入纤维、胶乳及橡胶材料，改善水泥浆的抗拉、抗折等性能，降低水泥石的弹性模量，使水泥石具有更好的形变能力。

在提高水泥石弹性形变能力方面，李文蕾等［8］提出的玄武岩纤维是一种无污染的材料，在纤维增强混凝土工程中得到了应用，技术已较为成熟。罗洪文等［9］对玄武岩纤维改性油气井水泥石的力学性能进行了研究，发现玄武岩纤维在小加量范围内对水泥浆的流动度影响不大，且玄武岩纤维和聚丙烯纤维均在一定加量范围内可以提高水泥石的抗拉强度、抗折强度和抗压强度。除此之外，玄武岩纤维改善水泥石韧性的效果好于聚丙烯纤维。孙建磊等［10］发现玄武岩纤维具有较高的拉伸强度和弹性模量，但由于纯天然玄武岩熔体导热性能差，析晶上限温度较高容易析晶，使得玄武岩纤维制备过程中有着成纤难度大、工艺控制条件严格和设备适应性高等技术难点，同时使用成本也较高。谭春勤［11］和张清［12］等通过在水泥浆中掺入胶乳、纤维和有机颗粒来提高水泥石的弹塑性。当加入弹塑材料后，水泥石抗折强度变大、脆度系数变小、弹性模量和体积模量降低。但该方法仅对常规密度水泥浆具有降低弹性模量等效果，没有针对低密度水泥浆进行研究。王涛等［13］在水泥浆中加入纤维、胶乳等形成高韧性、高弹性水泥浆。但该类水泥浆在增强水泥石弹韧性的同时，也会相应地降低水泥石的强度，且胶乳加量大、易破乳、成本高。李早元等［14］将弹性颗粒橡胶加入水泥浆以实现油井水泥降脆增韧的效果。但橡胶颗粒表面为疏水性，影响了其在浆体内的均匀分布，且过多的橡胶掺量会增大水泥石孔隙，对水泥石抗压强度和结构的影响较大。王银东等［15］采用焦炭粉来改性水泥石弹性形变能力，但焦炭粉颗粒对水泥石弹性参数的影响与橡胶粉相似。将焦炭粉加入水泥浆中，整个体系强度分布不均，且焦炭粉的抗压强度低于水泥颗粒强度，导致整个水泥石体系抗压强度明显下降。孙坤忠等［16］优选了新型弹性材料SEP-1 和SEP-2，对耐高温水泥浆体系采用C—S—H 凝胶相塑化和增孔方法改造水泥石的脆性。但该弹性材料憎水，导致颗粒界面与水泥水化产物间存在胶结强度较低的界面，进而影响水泥石力学性能。

为了满足低密度水泥石具有良好弹韧性的同时，又能提高水泥石的强度，室内将固化剂与环氧树脂按照一定比例混合制备胶液弹性剂（RES-1）。在制备过程中选用二羟甲基丁酸（DMBA）亲水扩链剂引入一种特殊亲水基团，使得弹性剂RES-1 具有亲水性。然后，将弹性剂RES-1加入水泥浆中，研究了RES-1的性能及其与相关添加剂协同作用对水泥浆性能的影响规律。由于RES-1胶液中含有环氧基等极性基团，使环氧凝胶产物具有很高的黏结强度，实现水泥石增韧增弹的效果。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

嘉华G 级油井水泥，四川嘉华特种水泥厂；淡水（自来水）；丙酮甲醛缩聚物分散剂（CF44L）、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）、聚合物类降失水剂（CG88L）、有机磷酸盐类缓凝剂（H21L）、聚丙烯酰胺类增强剂（STR）、改性有机硅类消泡剂（CX601L）、无机盐类促进剂（CN-R）、酸酐类固化剂（ST）、活性硅类纳米液体减轻剂（C60L，由硅酸钠、纳米微孔活性硅粉、无水乙醇、羧酸盐类表面活性剂制得）、液体纤维、环氧树脂、胶乳，荆州嘉华科技有限公司；弹性剂（RES-1），自制。

DFC-0708型恒速搅拌器，沈阳金欧科石油仪器技术开发有限公司；ZNN-D6B 六速旋转黏度计，青岛海通达专用仪器有限公司；TG-8040DA增压稠化仪、TG-71高温高压失水仪，沈阳泰格石油仪器设备制造有限公司；HY-20080 型万能材料试验机，上海衡翼精密仪器有限公司；TAW-2000 岩石三轴试验机，长春市朝阳试验仪器有限公司；高温高压固井水泥环气密完整性评价仪、高温高压固井壁面验窜仪，自制；SU8010冷场发射扫描电子显微镜，日本日立公司。

1.2 实验方法

（1）弹性剂RES-1 的制备。室温下将环氧树脂和ST固化剂按照一定比例混合后，放入模具用烘箱（65～120 ℃）烘烤，固化约20 min 后得到高温的凝胶试样，然后将高温凝胶体放入冷水中水浴约2 min，即得到胶液弹性试样RES-1。

（2）水泥浆常规性能评价。按照国家标准GB 10238—2005《油井水泥》和GB/T 19139—2012《油井水泥试验方法》评价水泥浆的性能。采用六速旋转黏度计测定水泥浆的流变性，测定条件为90 ℃×20 min；采用高温高压失水仪测定水泥浆的失水量，测定条件为90 ℃×8 MPa×30 min；采用高温高压稠化仪测定水泥浆的稠化时间，测定条件为90 ℃×45 MPa×45 min。

（3）水泥石力学性能评价。水泥石配方为：100%水泥+20% STR+52%淡水+2.5% CG88L+1.5% CF44L+0.4% H21L+1% CX601L+液体纤维。水泥石养护条件为90 ℃×24 h。采用万能材料试验机测试RES-1的抗压强度、抗折强度、抗冲击强度等力学性能。

（4）水泥石应力应变测试。将弹性密封水泥浆体系按配方制作成直径25 mm、长度50 mm 的岩心，然后用岩石三轴试验机测量岩心的三轴应力-应变曲线。

（5）水泥石抗窜性能测试。将配好的水泥浆缓慢注入模拟地层与套管的环空中，避免环空起泡，制作地层-水泥环-套管耦合胶结模型。然后，将含有水泥浆的模型吊入比地层岩心外径更大的水泥环气密完整性评价装置的釜体中养护。养护条件为温度90 ℃、压力20～40 MPa。达到养护龄期24 h后，从釜盖上给釜内加压，记录釜内压力突然减小时的峰值（最大压力值）作为抗窜的压力。

2 结果与讨论

2.1 低密度弹性密封水泥浆组分优选

2.1.1 增韧剂

液体纤维是由具有表面活性的1 mm长度碳纤维与1.5 mm碳纤维按质量比3∶1混合，再经特殊液化工艺处理得到的液体增韧防漏材料。液体纤维加量对水泥基浆抗压强度、柔韧性及胶结性的影响如表1 所示。与未加液体纤维相比，加入了液体纤维的水泥石柔韧性明显提高。加入2%液体纤维后，水泥石各项力学性能最好，抗压强度、抗折强度及抗冲击强度分别提高了25%、43%、85%。与固体纤维相比，液体纤维具有良好的水分散性，能均匀分散于配浆水中；在荷载作用下，可横跨裂缝承受拉应力并可使液化纤维材料具有一定的延性，提高固井水泥浆的韧性和抗压强度。加入液体纤维水泥石的剪切强度均大于3 MPa、拉伸强度均大于200 kPa，表明液体纤维提高了水泥石的胶结性能。因此，选择液体纤维作为增韧材料加入水泥浆中，推荐加量为1%。

表1 液体纤维加量对水泥石力学性能的影响

2.1.2 纳米液体减轻剂

水泥浆密度的降低一般通过掺入低密度材料（如粉煤灰）来实现，但常规粉煤灰低密度水泥浆沉降严重［17-18］。纳米液体减轻剂C60L的密度为0.2～0.3 g/cm³，粒径小于50 μm。将该材料与液体纤维复配使用，以提高水泥浆的性能。不同低密度减轻剂材料对水泥浆性能的影响如表2所示。在低密度（1.5 g/cm3）水泥浆体系中，相比于粉煤灰，纳米液体减轻剂配制的水泥浆的抗压强度明显增强，且水泥浆上下密度差为0，说明水泥浆的悬浮稳定性好。这是由于纳米液体减轻剂主要成分为纳米活性硅。该纳米粒子具有束水和吸附功能，可吸附于水泥颗粒表面，并与水泥水化产物反应产生H—Si—H凝胶结构［19］。该结构可起到悬浮水泥颗粒、稳定水泥浆体的作用。

表2 减轻剂对水泥浆性能的影响

2.1.3 弹性剂RES-1

（1）RES-1的微观结构

由图1可见，RES-1为连续无间的产胶结构，骨架结构致密，基本不存在孔洞，因此RES-1固化体具有很高的黏结强度。另外，RES-1 固化体表面有许多纤维状凝胶颗粒，粒径在5～50 nm之间。该纳米颗粒具有较高活性，可以吸附水中的阴、阳离子，使得固化产物RES-1具有较好的亲水性。RES-1的粒径微小，可有效充填到水泥颗粒间，降低水泥石的渗透率，提高水泥石的强度。

图1 RES-1的扫描电镜图像

（2）RES-1对水泥浆性能的影响

弹性剂RES-1加量对水泥浆性能的影响如表3所示。RES-1 分散于水中与水泥的级配良好。RES-1的加量在0～15%时，对水泥浆的流变性没有明显影响，延长了水泥浆的稠化时间。RES-1 可明显增大水泥石的抗压强度，降低水泥石的弹性模量。这是由于RES-1 能较好地分散于水泥中，凝胶颗粒与水泥水化产物有效黏结，使得水泥浆与骨料间形成具有高黏结力的膜，实现了水泥石增弹增韧的效果，从而改善水泥石的形变能力，有利于提高水泥环的密封完整性。

表3 RES-1加量对水泥浆性能的影响

（3）RES-1对抗窜性能的影响

室内采用高温高压固井壁面验窜仪测试了RES-1对水泥环的抗窜能力。RES-1质量分数为0、5%、10%、15%时，水泥浆的抗窜强度分别为7.5、13.9、15.7、12.6 MPa/m2。加入RES-1 后，水泥浆的抗窜强度均大于10 MPa/m2，说明RES-1 具有良好的抗窜性能。当RES-1 加量为10%时，水泥石的抗窜性能最强，抗窜强度是未加RES-1的2.09倍，因此推荐弹性剂RES-1的加量为10%。

2.2 低密度弹性密封水泥浆的综合性能

在优选了液体纤维增韧剂、纳米液体减轻剂C60L和弹性剂RES-1的基础上，对与其相容性良好的外加剂（如增强剂、降滤失剂等）进行了评价，优化得到性能良好的低密度弹性密封水泥浆体系，体系配方如下。（1）普通低密度水泥浆：100%水泥+9%粉煤灰+30% STR+57%淡水+2.5% CG88L+1%CF44L+0.8%H21L+1.0%CX601L+5%胶乳；（2）低密度弹性密封水泥浆：100%水泥+20% STR +52%淡水+2.5% CG88L+1.5% CF44L+0.4% H21L+1%CX601L+10% C60L+1%液体纤维+1.3% CN-R+10%RES-1。

2.2.1 低密度弹性密封水泥浆的常规性能

低密度弹性密封水泥浆和普通低密度水泥浆的性能对比如表4 所示。两种水泥浆的流性指数（n）均大于0.7，稠度系数（K）均小于0.5 Pa·sn，说明两种水泥浆的流变性均良好。相比于普通低密度水泥浆，低密度弹性密封水泥浆的失水量小于50 mL，水泥浆膨胀性更好，线性膨胀率达到0.45%，满足固井基本要求。低密度弹性密封水泥浆的渗透率低于普通低密度水泥浆（降低69.5%），表明液体纤维增韧剂和弹性剂RES-1 能很好地分散于水泥中，水泥水化产物具有黏结和桥联作用，调整了水泥试件内的应力分布，增加了水泥石结构的密实性，可以有效防止水泥石微裂缝的产生。

表4 低密度弹性密封水泥浆的常规性能

2.2.2 低密度弹性水泥浆的弹性特征

在80 ℃、围压18 MPa的条件下，采用岩石三轴试验机测定水泥石的弹性模量。由图2 可见，与普通低密度水泥石相比，低密度弹性密封水泥石的峰值应力下降了20.4%，峰值应变提高了98.8%，弹性模量下降78.4%。低密度弹性密封水泥石在受到外力压缩时的弹性形变能力强，弹性模量低，有效改善了水泥石的密封性和弹韧性，提高水泥环层间封隔能力。同时，低密度弹性密封水泥浆的弹性极限应力为39.5 MPa，适合复杂井固井的运行压力（10～36 MPa）。

图2 水泥石单轴应力-应变测试曲线

2.2.3 低密度弹性密封水泥石的力学性能

室内测得低密度弹性密封水泥石的抗压强度为27.2 MPa，比普通低密度水泥浆的抗压强度（16.9 MPa）提高了61%。抗折强度是指水泥石单位面积承受弯矩时的极限折断应力，又称抗弯强度、断裂模量，通常指水泥石材料受到弯曲负荷的作用而破坏时的极限应力［20］。由图3 可见，在一样的外力作用时，低密度弹性密封水泥石的抗折强度达到了7.89 MPa，相比于普通水泥石提高了87.9%，说明低密度弹性密封水泥浆具有良好的韧性，水泥石力学性能得到改善，满足施工要求。

图3 水泥石抗折强度曲线

2.2.4 水泥环封隔与防窜能力

室内采用自制的高温高压固井水泥环气密完整性评价仪，通过模拟验窜来测试水泥浆的封隔能力，实现水泥环密封效果的检测。室内分别对两种水泥浆模型进行了交变压力验窜测试，水泥环交变压力范围为20～40 MPa，升降压力频率5 次，90 ℃养护。水泥浆封隔与防窜能力测试结果如表5 所示。低密度弹性密封水泥浆在模拟封固中的抗窜强度均大于7 MPa/m2，表明该水泥浆的封固能力强。

表5 水泥浆封隔与防窜能力测试结果

3 结论

以环氧树脂和酸酐类固化剂为原料制得的弹性剂RES-1 具有良好的亲水性，能均匀分散于水泥颗粒间，与水泥水化产物形成紧密的网状互穿交联结构。经RES-1改性后的水泥基材料的弹性与变形能力大幅度提高，弹性模量最大降低51%，从而降低水泥石的脆性，10%的RES-1 可提高水泥石抗窜能力1.09 倍。将RES-1 与优选的液体纤维、纳米液体减轻剂复配，构建的低密度（1.5 g/cm3）弹性密封水泥浆具有良好的弹韧性，水泥石的抗折强度为7.89 MPa、抗压强度为27.2 MPa。与普通低密度水泥石相比，其线性膨胀率达到0.45%，渗透率和弹性模量降低，抗压强度提高，实现了水泥石“高强度低弹性模量”的韧性转变，提高了水泥的弹性形变能力，增强了水泥环在动态冲击条件下的层间封隔能力。