萬浩東 楊遠光

西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室

在國外自愈合水泥漿已得到了廣泛應(yīng)用［1-4］，如斯倫貝謝公司開發(fā)的Futur自愈合水泥漿［5］、哈里伯頓公司推出的LifeSeal自愈合水泥漿［6］等。然而國內(nèi)有關(guān)自愈合水泥漿的研究尚處于起步階段［7-10］，仍然存在一些問題尚未解決：水泥石的硬脆性導(dǎo)致其抗沖擊、應(yīng)力循環(huán)能力較弱；自愈合程度的評價方法眾多，但對哪一種評價方法最優(yōu)尚未達成共識［11］；自愈合材料自修復(fù)機理尚不明確［12］。儲氣庫作為一種應(yīng)急調(diào)峰氣源，其井筒水泥石在工作時要承受周期注采產(chǎn)生的交變載荷與較大的注采壓力，導(dǎo)致水泥環(huán)易產(chǎn)生微環(huán)隙、微裂紋甚至大裂縫，使得水泥環(huán)密封完整性失效［13-14］。針對這些問題，優(yōu)選了一種自愈合評價方法，研究選擇了一種結(jié)晶型自愈合材料JHR-1，同時為了改善水泥石力學(xué)性能，加入塑性劑JX46-12和丁苯膠乳PLT-100，并添加其他外加劑研制出了密度1.89 g/cm3的彈性自愈合水泥漿體系。該水泥漿體系性能評價實驗表明，其在儲氣庫井口壓力為13～39 MPa條件下仍能保持水泥石完整性，在載荷超過了水泥石彈性極限應(yīng)力并產(chǎn)生了微裂縫情況下能夠修復(fù)微裂縫，防止其繼續(xù)產(chǎn)生及擴展。

1 實驗材料與實驗方法

1.1 實驗材料和儀器

結(jié)晶型自愈合材料JHR-1，高分子聚合物，白色固體粉末狀，具有輕微刺激氣味，美孚公司；塑性劑JX46-12，復(fù)配型，西南石油大學(xué)；嘉華G級油井水泥，四川嘉華特種水泥有限公司；丁苯膠乳增韌劑PLT-100、降失水劑BS100L，四川弘晟石油工程技術(shù)服務(wù)有限公司；分散劑SXY-2、消泡劑XP-1，成都川峰化學(xué)工程有限責(zé)任公司。

裂縫愈合程度評價裝置，西南石油大學(xué)；DZE-300數(shù)字型抗折抗壓實驗機，無錫雙牛建材儀器設(shè)備廠；RTR-1000三軸巖石測試系統(tǒng)，美國GCTS公司；XL30掃描電子顯微鏡（SEM），荷蘭飛利浦公司；X'Pert MPD PRO X射線衍射儀，荷蘭帕納科公司；ZBC2302-D擺錘沖擊儀，美特斯工業(yè)系統(tǒng)有限公司。

1.2 自愈合評價方法優(yōu)選

目前油氣行業(yè)水泥環(huán)愈合程度評價方法按其評價目標(biāo)主要分為兩類：（1）直接法，即直接對水泥石自愈合行為進行評價，并不涉及其他性能；（2）間接法，通過對水泥石其他性能進行評價，從而側(cè)面反映出水泥石的愈合程度。大多數(shù)方法都只能對水泥石的愈合效果進行定性的或一定條件下定量的評價，存在一定的不足［15］：如直接法中的滲透率評價方法，對水泥石自愈合程度的定量評價是在定性的條件之下，且其造縫存在不可預(yù)知性；而間接法中的膠結(jié)強度恢復(fù)程度評價方法和黏接強度評價方法，雖然也能對水泥石進行定性的愈合程度描述，但因其破壞性的實驗性質(zhì)導(dǎo)致其重復(fù)性差、數(shù)據(jù)離散。參考裂縫愈合程度評價方法［16-18］測定水泥石自愈合能力。使用固定尺寸造縫工具對水泥石進行造縫處理，然后使其通孔充滿電解質(zhì)溶液，利用儀器得到電解質(zhì)溶液中離子的電導(dǎo)后，再根據(jù)電導(dǎo)率計算公式換算水泥石通孔的有效截面積減少量作為自愈合程度，通過電導(dǎo)率轉(zhuǎn)換公式能夠定量評價水泥石自愈合程度。電導(dǎo)率轉(zhuǎn)換公式為

式中，G為水泥石通孔中溶液的電導(dǎo)，S；L為水泥石通孔長度，mm；σ為電解質(zhì)溶液電導(dǎo)率，S/mm；A為水泥石試件通孔有效截面積，mm2；A1為剛造完縫時水泥石試件通孔的有效截面積，mm2；A2為對應(yīng)養(yǎng)護凝期水泥石試件通孔有效截面積，mm2；K為裂縫愈合程度，無量綱。

使用幾種自愈合評價方法對相同養(yǎng)護齡期的水泥石進行自愈合程度評價，其結(jié)果取偏差值后如圖1所示。由圖1可以看出，裂縫愈合程度評價方法不僅偏差值小，而且其曲線上下浮動小，數(shù)據(jù)收束好，體現(xiàn)了其實驗可重復(fù)性。

圖1 評價方法結(jié)果偏差值對比Fig.1 Comparison of deviation between different evaluation methods

1.3 水泥石性能測試方法

（1）抗沖擊韌性測試。將水泥漿注入160 mm×40 mm×40 mm長方體鋼模中，養(yǎng)護不同齡期后脫模，用擺錘沖擊儀測試抗沖擊韌性。

（2）三軸壓縮實驗。將水泥漿注入?30 mm×50 mm圓柱銅模中，養(yǎng)護7 d后用取心工具取出巖心，用三軸巖石測試系統(tǒng)測試水泥三軸力學(xué)性能。

（3）水泥石電鏡掃描實驗。將水泥漿注入?30 mm×50 mm圓柱銅模中，取養(yǎng)護不同齡期的水泥石干燥后噴金，在工作電壓20 kV下，用SEM放大一定倍數(shù)觀察水泥石微觀形貌。

（4）水泥石X衍射實驗。將水泥漿注入?3 cm×5 cm圓柱銅模中，取養(yǎng)護不同齡期的水泥石磨粉制樣，用X射線衍射儀進行X衍射實驗。

（5）其余油井水泥漿及水泥石養(yǎng)護及性能測試按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19139—2012進行。

2 彈性自愈合水泥漿體系組分優(yōu)選

2.1 自愈合材料JHR-1

（1）加量對自愈合程度的影響。對不同自愈合材料JHR-1加量的純G級水泥漿在90 ℃常壓水浴養(yǎng)護至終凝后，采用1 mm造縫工具進行造縫，繼續(xù)養(yǎng)護不同齡期后，采用裂縫愈合評價方法對水泥石進行評價，其結(jié)果如圖2所示?？梢钥闯觯琂HR-1加量在0～4%之間，隨JHR-1加量增加水泥石的自愈合能力提高；加量超過4%后自愈合能力出現(xiàn)一定降低，如養(yǎng)護28 d后，4%JHR-1加量下水泥石自愈合程度比2%和6% JHR-1加量下分別提高21%和8%。同時，在較早養(yǎng)護齡期，加入JHR-1對自愈合程度的提高不算明顯，如在養(yǎng)護3 d時，4%JHR-1加量下的水泥石自愈合程度較純G級水泥石僅提高10%左右。隨著養(yǎng)護時間延長，加入JHR-1的水泥石較純G級水泥石的自愈合程度有大幅度提高，如在養(yǎng)護28 d時，4%JHR-1加量下的水泥石自愈合程度較純G級水泥石提高了50.6%。

圖2 JHR-1 加量對裂縫自愈合程度的影響Fig.2 Effect of JHR-1 dosage on the self-healing degree of cracks

（2）水泥石微觀形貌。對加入4%JHR-1的G級水泥漿與純G級水泥漿在90 ℃常壓水浴條件下進行養(yǎng)護，3 d后對裂縫處的表面結(jié)構(gòu)進行1000倍電鏡掃描，其結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯觯尤隞HR-1的水泥石表面產(chǎn)生了更多的Ca(OH)2晶體，并且其裂縫處能觀察到球形及橢球形CaCO3晶體沉淀。因此，可以判斷其修補裂縫的機理是Ca(OH)2與水中HCO3-反應(yīng)形成CaCO3結(jié)晶沉淀。

圖3 水泥石掃描電鏡圖Fig.3 Scanning electron photomicrograph of set cement

（3）水泥石礦物分析。對純G級水泥漿與加入4%JHR-1的G級水泥漿養(yǎng)護1 d后進行X衍射實驗，其結(jié)果如圖4所示。可以看出，加入JHR-1后的G級水泥其C4AF與C3A等前期反應(yīng)較快，組分衍射峰幾乎消失，表明C4AF與C3A等組分在4%加量下一天即消耗完，同時也可看出加入JHR-1后的G級水泥Ca（OH）2衍射峰明顯高于純G級水泥。因此，JHR-1的加入加速了水泥前期的水化反應(yīng)，由此也促進了Ca（OH）2的生成。

圖4 水泥石X衍射實驗曲線Fig.4 X-diffraction experiment curve of set cement

2.2 其他材料

（1）塑性劑JX46-12。為了增加水泥石彈性性能，以適應(yīng)儲氣庫井下交變載荷，加入JX46-12。JX46-12是由4 cm與6 cm長的改性聚酯纖維以1∶2比例混配而成，由于其不同比例和不同長度，使得其可以在水泥石內(nèi)部混合“織網(wǎng)”，在水泥石受力時可以被拉扯和吸收大量能量，限制了微裂縫的發(fā)生和發(fā)展，同時提高了水泥石抗拉、抗折、抗沖擊等能力［19，9］。

（2）膠乳PLT-100。膠乳作為一種性能良好的外加劑已經(jīng)被廣泛用于各種水泥漿體系之中，其通過在水泥石內(nèi)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使其具有很好的柔韌性、黏結(jié)力與形變能力，同時能將水泥石的受力分散開，避免了應(yīng)力集中［20-21］。

（3）其他外加劑及外摻料選擇。為保證體系的失水控制，選擇配伍性較好的聚合物類降濾失劑BS100L；為了加強漿體的穩(wěn)定性，加入懸浮穩(wěn)定劑微硅；為了保證漿體的可泵性，加入磺化酚醛羧合物類分散劑SXY-2。

3 彈性自愈合水泥石性能評價

按照下列基本配方進行水泥漿配制，密度均為1.89 g/cm3，養(yǎng)護后對水泥石進行各項性能測試。

常規(guī)水泥漿：嘉華G級油井水泥+5%微硅+4%降濾失劑BS100L+5%緩凝劑BS200+0.8%分散劑SXY-2+0.1%消泡劑XP-1+水。

彈性自愈合水泥漿：嘉華G級油井水泥+4%降濾失劑BS100L+5%緩凝劑BS200+0.8%分散劑SXY-2+0.35%增韌劑JX46-12+12%膠乳PLT-100+4%自愈合材料JHR-1+0.1%消泡劑XP-1+水。

3.1 自愈合性能

兩種水泥漿在90 ℃常壓水浴養(yǎng)護至終凝，使用1 mm造縫工具進行造縫，接著以相同條件繼續(xù)養(yǎng)護，使用裂縫愈合評價方法對不同養(yǎng)護齡期水泥石進行自愈合評價，結(jié)果如表1所示。可以看出，彈性自愈合水泥石在養(yǎng)護14 d時其自愈合程度達150 μm以上，28 d達到234.3 μm，具有明顯的增強裂縫愈合作用。圖5是彈性自愈合水泥石（圖5a）及常規(guī)水泥石（圖5b）養(yǎng)護40 d后裂縫處放大2 000倍掃描電鏡圖像，可以看出，彈性自愈合水泥石相比常規(guī)水泥石含有大量用于修復(fù)裂縫的CaCO3與Ca(OH)2結(jié)晶體。因此，彈性自愈合水泥石可以快速對儲氣庫固井中出現(xiàn)的微環(huán)隙、微裂縫進行修復(fù)，避免其繼續(xù)擴展。

表1 不同水泥石裂縫愈合縫寬Table 1 Healing width of cracks in set cement

3.2 韌性與膠結(jié)強度

圖5 水泥石造縫處剖面電鏡掃面圖Fig.5 Scanning electron photomicrograph of the section at the cracking position of set cement

表2是90 ℃常壓水浴條件下，不同養(yǎng)護齡期水泥石韌性（可由壓折比與抗沖擊韌性綜合評價）與膠結(jié)強度測試結(jié)果。彈性自愈合水泥石1 d養(yǎng)護齡期抗壓強度較常規(guī)水泥石提高了34.5%，7 d養(yǎng)護齡期抗壓強度則提高不大；1 d、7 d養(yǎng)護齡期抗折強度提高了51.4%、41%，導(dǎo)致其壓折比分別降低了11%、23%，同時抗沖擊韌性分別提高1倍和74%，表明彈性自愈合水泥石具有較強的韌性，可以承受儲氣庫井下產(chǎn)生的沖擊載荷，能有效減少微裂縫的產(chǎn)生及擴展。1 d和7 d膠結(jié)強度較常規(guī)水泥石分別提高了51%和74%，可使水泥石減少因第一界面被“拉脫”而產(chǎn)生微環(huán)隙的幾率。

表2 自愈合水泥石與常規(guī)水泥石力學(xué)性能參數(shù)對比Table 2 Comparison of mechanical parameters between selfhealing set cement and conventional set cement

3.3 彈性模量和泊松比

表3是彈性自愈合水泥石與常規(guī)水泥石的三軸應(yīng)力應(yīng)變對比數(shù)據(jù)，養(yǎng)護溫度為90 ℃，圍壓取18 MPa。

表3 水泥石三軸應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)Table 3 Triaxial stress and strain data of set cement

從表3可以看出，彈性自愈合水泥石的彈性模量較常規(guī)水泥石低35.9%。低的彈性模量使水泥石“柔軟”又能夠吸收大量的能量，從而不會輕易因儲氣庫產(chǎn)生的循環(huán)載荷而破裂，減少微裂縫的產(chǎn)生。同時彈性自愈合水泥石彈性極限應(yīng)力為39 MPa，適用于國內(nèi)大部分儲氣庫的運行壓力（13～35 MPa），可使水泥石受力后能處于相對“低應(yīng)力”狀態(tài)、可恢復(fù)變形的彈性階段，相應(yīng)的彈性應(yīng)變極限也僅為0.67%，在受載荷時又不會發(fā)生太大應(yīng)變，降低了因形變過大而產(chǎn)生微裂縫的幾率。

3.4 彈性恢復(fù)率

對水泥石進行三軸循環(huán)加載測試，模擬水泥石承受儲氣庫交變應(yīng)力時的彈性恢復(fù)情況。根據(jù)黃海鴻對水泥環(huán)受力計算分析研究結(jié)果［22］，以井口壓力13～35 MPa計算，確定實驗條件為：最大應(yīng)力6 MPa，最小應(yīng)力2 MPa，實驗圍壓18 MPa，實驗溫度90 ℃，單循環(huán)周次時間12 min，加載用時6 min，卸載用時6 min。對數(shù)據(jù)處理后彈性恢復(fù)率數(shù)據(jù)對比結(jié)果如圖6所示，其中彈性恢復(fù)率［23］計算公式為

式中，Er為彈性恢復(fù)率，無量綱；εe為彈性恢復(fù)應(yīng)變，m；εmax為單次循環(huán)中的最大應(yīng)變值，m。

圖6 循環(huán)加載過程中水泥石試件的彈性恢復(fù)率Fig.6 Elastic recovery rate of set cement specimen at each cycle of cyclic loading

從圖6可以看出，在前兩次循環(huán)加載過程中常規(guī)水泥石與彈性自愈合水泥石的彈性恢復(fù)率差別不大，而后，隨著循環(huán)周次的增加，差距逐漸拉大，第5周次應(yīng)力應(yīng)變循環(huán)測試中，彈性自愈合水泥石的彈性恢復(fù)率較常規(guī)水泥石提高了29.78個百分點，表明了其在三軸循環(huán)加載下并沒有被完全壓實，具有較高抗疲勞強度，力學(xué)性能保持較好，彈性恢復(fù)能力高，能有效適應(yīng)儲氣庫交變載荷。

4 結(jié)論

（1）通過對自愈合評價方法的優(yōu)選分析，認為裂縫愈合評價方法可以對水泥石自愈合程度進行定量評價，同時使用該方法進行的實驗具有非破壞性、連續(xù)性、可重復(fù)性。

（2）純G級水泥漿加入結(jié)晶型自愈合材料JHR-1后，可以明顯提高水泥石的自愈合能力，2%～6%JHR-1加量下，養(yǎng)護3 d以內(nèi)對自愈合程度的提高率均小于20%，在28 d以后，2%加量就可以將水泥石自愈合程度提高32%。其原理是：結(jié)晶型自愈合材料JHR-1加入水泥漿后會加速水泥漿前期水化速度，促使其產(chǎn)生更多的Ca(OH)2晶體，該Ca(OH)2晶體在水泥石內(nèi)遇水后發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成的CaCO3沉淀可用來修補裂縫。

（3）彈性自愈合水泥石14 d、40 d愈合縫寬超過150 μm與231 μm；7 d壓折比與抗沖擊韌性分別為4.52、3.87J/cm2，韌性較好，7 d膠結(jié)強度達到6.76 MPa；彈性模量僅5 018 MPa，彈性應(yīng)力與應(yīng)變極限分別為39 MPa、0.67%，彈性表現(xiàn)好；循環(huán)應(yīng)力加載第5周即可恢復(fù)58%以上，彈性恢復(fù)性能好，水泥石疲勞強度高。該自愈合水泥漿體系可滿足儲氣庫固井要求。