雷鑫宇，張直建，焦利賓，楊　武，齊志剛，王　林

(1. 中國科學(xué)院成都有機(jī)化學(xué)研究所，成都 610041； 2 .西南石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，成都 610500；3.中國石化勝利油田鉆井工藝研究院， 山東東營 257000； 4.中國石油長城鉆探鉆井液公司，遼寧盤錦 124010)

使用常規(guī)水泥漿對存在長封固井段和低壓易漏井段的復(fù)雜井進(jìn)行固井時，會出現(xiàn)固井水泥漿密度過高導(dǎo)致儲層破壞的問題[1]。解決這一難題的通常手段是使用低密度水泥漿固井。西南石油大學(xué)與勝利油田鉆井工藝研究院合作開發(fā)的實(shí)心低密度水泥漿體系[2]，具有密度穩(wěn)定，早期強(qiáng)度高和成本較低等優(yōu)點(diǎn)，但仍然存在以下問題：失水量偏大；體積略有收縮，膠結(jié)能力偏低。

本文報道了在對實(shí)心低密度水泥和塑性水泥等水泥漿體系的研究基礎(chǔ)上[3-4]，采用苯乙烯(ST)、甲基丙烯酸甲酯(MMA)和丙烯酸正丁酯(nBA)三元共聚得到了一種新型膠乳LB-1，并應(yīng)用于實(shí)心低密度水泥中。該膠乳LB-1通過高分子膠乳在水泥微觀間隙中的貫穿作用[5-6]，可以增強(qiáng)水泥漿體系對自由水的束縛能力以降低失水量，提高水泥石的塑性從而減少體積收縮，增強(qiáng)膠結(jié)能力。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1　儀器與試劑

API水泥實(shí)驗(yàn)全套裝置、DFC-0710B型增壓稠化儀，沈陽石油儀器研究所有限責(zé)任公司；恒溫養(yǎng)護(hù)釜，鞏義市英峪高科儀器廠；SD-75C型數(shù)顯抗折強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)、NYL-300型壓力機(jī)，中國建材技術(shù)裝備總公司；Quanta450型環(huán)境掃描電子顯微鏡，美國FEI公司。

嘉華G級高抗硫油井水泥、微細(xì)水泥，四川嘉華集團(tuán)股份有限公司；微硅JM-1，成都嘉茂化工有限實(shí)業(yè)公司；珍珠巖ZZY-1、硅藻土GZT-1，峨眉山市托陽油田工程技術(shù)有限公司；酮醛縮合型分散劑SWJZ-1、聚胺型降失水劑SWJ-4、酒石酸型緩凝劑SWH-1、改性纖維型增韌劑X-1，山東沃爾德油田技術(shù)有限公司；高活礦渣型激活劑KM-1，南京科瑞瑪科技有限公司；硅油型消泡劑D50，天津中油渤星工程科技有限公司；合成樹脂型減輕劑YW-1，研究室自制；苯乙烯(ST)、甲基丙烯酸甲酯(MMA)、丙烯酸正丁酯(nBA)等，均為分析純，成都科龍化工試劑廠。

1.2　實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.2.1膠乳LB-1的合成

向反應(yīng)瓶中依次加入一定量的ST,MMA,nBA和乳化劑十二烷基硫酸鈉(SDS)，高速攪拌使其分散均勻，氮?dú)獗Ｗo(hù)下升溫至52 ℃，緩慢滴加引發(fā)劑過硫酸銨水溶液，2.5 h內(nèi)滴畢，升溫到60 ℃，保溫30 min后出料。所得產(chǎn)品命名為LB-1。

1.2.2膠乳LB-1的紅外譜圖

圖1　膠乳LB-1的紅外光譜

1.2.3水泥漿性能

實(shí)驗(yàn)中使用的不同密度的實(shí)心低密度水泥漿(配方1)和膠乳-實(shí)心低密度水泥漿(配方2)可通過調(diào)整水灰比得到。

配方1：60%微細(xì)水泥+40%嘉華G級水+30% JM-1+5% ZZY-1+ 5% GZT-1+4% KM-1+ 2% SWJZ-1+ 2% SWJ-4+40% YW-1+1% X-1+ D50

配方2：60%微細(xì)水泥+40%嘉華G級水泥+30% JM-1+5% ZZY-1+5% GZT-1+4% KM-1+ 2% SWJZ-1+2% SWJ-4+40% YW-1+1% X-1+7% LB-1+D50

按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6544—2010《油井水泥漿性能要求》，測試實(shí)心低密度水泥漿和膠乳-實(shí)心低密度水泥漿體系的常規(guī)性能。

1.2.4水泥石性能

1)防竄能力

a)將水泥漿灌注入高度為H0的自制模具，養(yǎng)護(hù)相應(yīng)齡期后取出，脫模測量水泥試件高度H，利用公式η= (H0-H)/H0×100%，計算水泥試件的體積收縮率(η)。

b)用壓力機(jī)將養(yǎng)護(hù)至相應(yīng)齡期的水泥石試件頂替脫模，計算得到水泥試件的膠結(jié)強(qiáng)度(第一界面)。

2)力學(xué)性能

按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19139—2012《油井水泥試驗(yàn)方法》，測試水泥試件的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度。

2　結(jié)果與討論

2.1　兩種配方水泥漿性能比較

2.1.1流變性

以計算密度為1.40 g/cm3的水泥漿配方為例，測得兩種配方的流變性能如表1所示。

表1　兩種配方流變性能

配方1和配方2的流變參數(shù)均較好，但由于水灰比較大，配方1的漿體較稀，流動度達(dá)到25 cm，而密度更低的配方2由于膠乳高分子的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，對水泥漿產(chǎn)生了包被阻滯作用，流動度降低，漿體更加穩(wěn)定。

2.1.2失水量

在6.9 MPa，30 min，75 ℃的條件下，測得配方1和配方2的API失水量如表2所示。相同密度的實(shí)心低密度水泥漿的失水量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過膠乳-實(shí)心低密度水泥漿。密度為1.40 g/cm3的兩組水泥漿，配方2較之配方1，失水量降低29.1%。這是因?yàn)楦叻肿幽z乳加入實(shí)心低密度水泥漿后，增大了自由水在體系中的流動阻力，同時滲透填充于水泥顆粒之間的微間隙，形成不滲透層，阻止自由水向地層濾失。

表2　兩種配方失水量

2.1.3稠化曲線

實(shí)驗(yàn)測定了添加適量(0.03%，0.05%)緩凝劑SWH-1的膠乳-實(shí)心低密度水泥漿體系的稠化曲線。結(jié)果表明，水泥漿稠化過程平穩(wěn)，30～100 Bc基本呈直角稠化形態(tài)，稠化時間可通過緩凝劑SWH-1的加量調(diào)整。

2.2　兩種配方水泥石性能比較

以密度為1.40 g/cm3的配方1和配方2的水泥石在常壓，75 ℃，水浴養(yǎng)護(hù)1～28 d，進(jìn)行水泥石性能的比較。

2.2.1防竄性能

1)體積收縮率。表3為兩組配方水泥石養(yǎng)護(hù)一定齡期后的體積收縮率。配方1的水泥石試件在養(yǎng)護(hù)3 d后，即出現(xiàn)了0.001%的體積收縮；養(yǎng)護(hù)28 d后，體積收縮達(dá)到0.004%。配方2的試件在養(yǎng)護(hù)28 d后，體積收縮也僅為0.001%。

表3　兩種配方的體積收縮率

2)膠結(jié)強(qiáng)度。表4為兩組配方水泥石養(yǎng)護(hù)一定齡期后的膠結(jié)強(qiáng)度。由表4可見，兩組配方的膠結(jié)強(qiáng)度均隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長而增加，但在相同養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)，配方2的膠結(jié)強(qiáng)度均遠(yuǎn)高于配方1，以養(yǎng)護(hù)7 d為例，配方2較配方1高71.9%。

表4　兩種配方的膠結(jié)強(qiáng)度

2.2.2力學(xué)性能

將密度為1.40 g/cm3的配方1和配方2的水泥石在常壓，75 ℃，水浴養(yǎng)護(hù)1～28 d后進(jìn)行水泥石力學(xué)性能比較。結(jié)果見圖2和圖3。配方2水泥石的強(qiáng)度和韌性均優(yōu)于配方1。養(yǎng)護(hù)14 d，配方2的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度較配方1高9.6%和83.2%。

圖2　兩種配方的抗壓強(qiáng)度比較

圖3　兩種配方的抗折強(qiáng)度比較

2.3　SEM分析

圖4為配方2水泥石養(yǎng)護(hù)28 d后的SEM照片。水泥石整體結(jié)構(gòu)完整，分布均勻，無明顯孔洞，水泥石質(zhì)量較高。

圖4　配方2水泥石SEM照片

3　膠乳改善實(shí)心低密度水泥漿/石性能的機(jī)理分析

1)膠乳形成的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，起到容納和阻滯的作用，使高水灰比的實(shí)心低密度水泥漿體系變得更加穩(wěn)定，失水量大大降低，同時使水泥漿獲得一定的觸變性，具備更好的流變性。

2)膠乳的保水效應(yīng)和增韌作用，使水泥石的體積保持穩(wěn)定，大大減小了水泥石的體積收縮，提高了封固質(zhì)量。

3)減輕劑主要為實(shí)心剛性顆粒，其與水泥礦物的膠結(jié)方式類似于“接觸膠結(jié)”，這一膠結(jié)方式?jīng)Q定了該低密度水泥石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在缺陷；膠乳高分子加入該體系后，滲入微觀缺陷處，轉(zhuǎn)變膠結(jié)方式為“基底膠結(jié)”，大大改善了水泥石的微觀結(jié)構(gòu)，使力學(xué)性能提高。

[1]劉崇建等編著.油氣井注水泥理論與應(yīng)用[M].北京：石油工業(yè)出版社,2001.

[2]楊武,陳大鈞,李小可,等.新型高強(qiáng)復(fù)合材料減輕劑YW-1的室內(nèi)研究[J].鉆井液與完井液,2013,30(6):58-60.

[3]雷鑫宇,陳大鈞,張直建,等.纖維-自修復(fù)水泥改善固井質(zhì)量研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2013,13(19):5597-5599.

[4]陳大鈞,張直建,雷鑫宇,等.自愈合水泥在淺海固井中的應(yīng)用研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程.2013.13(24):7148-7151.

[5]胡君城,王疆寧,姚蘭,等.膠乳對水泥石韌性性能的影響[J].精細(xì)石油化工進(jìn)展,2010,11(4):25-27.

[6]趙林,周大林,馬超,等.低密度非滲透膠乳水泥漿防竄性能研究[J].天然氣勘探與開發(fā),2009,32(2):40-42.