李子軒　劉德華

摘????? 要：為解決高溫下水泥石韌性不足問題，通過以聚丙烯纖維協同膠乳的方式實現對水泥石的韌性化改造，分析不同聚丙烯纖維和膠乳加量下的膠乳/聚丙纖維水泥石綜合性能。結果表明：膠乳的摻入對水泥的抗壓強度會有一定影響，但對于提高水泥石的彈韌性則表現出積極作用;適量的纖維混入能在一定程度上解決膠乳水泥石強度降低問題，且能進一步強化水泥漿漿體穩(wěn)定性，起到有效的互補增強作用。

關? 鍵? 詞：固井;增韌;封隔;聚丙烯纖維;膠乳

中圖分類號：TE256 ???????文獻標識碼： A? ????文章編號： 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

固井是指鉆井作業(yè)中根據具體要求鉆至預定層段時下放套管，隨后通過套管泵注一定量的固井水泥漿于地層環(huán)空間隙上返，待其在施工期內快速凝結固化后，最終形成封固嚴密、完整有效的固井水泥環(huán)的過程^[1-4]。在過去，對固井工作者而言，認為只需要將水泥漿有效泵入環(huán)空中而不引起事故、測井合格即可滿足要求，然而事實上，即使是抗壓強度滿足要求的固井水泥石，出于水泥材料本體性質的影響，隨著生產作業(yè)年限的不斷增加，在后期依然會存在不同程度的水泥環(huán)失效情況^[5]。為此，我們在固井水泥漿的設計環(huán)節(jié)中，不僅要保證水泥石具有一定的抗壓強度，還需要考慮水泥環(huán)的長效密封完整性^[6]。這其中，通過添加聚合物外加劑能有效改善水泥基材料的性能。聚合物外加劑（膠乳、可再分散聚合物粉末、水溶性聚合物、液體樹脂和單體）被引入水泥砂漿中后，能有效降低水泥石的原生脆性，提高其長效耐久性。在這些添加劑中，由于乳膠乳液成本低廉、使用極具便利性，且能均勻分散于水泥漿中，故而是目前水泥石外摻聚合物體中使用最為常見的一種^[7-9]。膠乳外摻劑通過在水泥石基體內部形成相互連接的網狀聚合物基質，對水泥石內部孔隙進行有效填充，能有效降低水泥石的氣、液滲透性，并改善水泥漿體與儲層或套管之間的黏結效果^[10-16]。此外，膠乳聚合物水泥石還具有良好的抗凍融性、較高的抗彎強度以及一定的耐腐蝕性，廣泛應用于建筑、橋梁、國防等領域^[17-24]。本文即是在膠乳基礎上，對高溫作業(yè)環(huán)境下外摻纖維時，油井水泥整體性能變化、影響因素以及具體的作用機理進行了分析研究，旨在為固井領域中水泥石增韌方式的選擇提供新的思路和一定參考。

1 ?試驗

1.1? 原料

G級油井水泥，四川嘉華特種水泥股份有限公司;羥基苯乙烯-丁二烯膠膠乳，固體質量分數50%，杭州拓目科技有限公司;膠乳穩(wěn)定劑，山東富舜新材料科技有限公司;分散劑Z-21、降失水劑BS103L，江蘇海安石油化工廠;聚丙烯纖維，中鼎經濟發(fā)展有限責任公司;有機硅消泡劑，中山市鼎勝新材料有限公司;膨脹劑，萍鄉(xiāng)眾大高新材料有限責任公司。

1.2? 儀器

六速旋轉黏度計，常壓養(yǎng)護儀，高溫高壓失水儀，恒混養(yǎng)護水浴鍋，高溫高壓稠化儀，萬能力學試驗機。

1.3? 配方構建

本文試驗進行的一系列評測均建立在基礎配方體系下，其中配方各組成均是以G級水泥為基礎的質量百分比，維持恒定液固比0.44，基礎配方組成如下。

1^#： G級水泥+35%硅粉+降濾失劑BS103L+分散劑+1%有機硅消泡劑+1.5%膨脹劑。

2^#：G級水泥+35%硅粉+降濾失劑BS103L+分散劑+1%有機硅消泡劑+1.5%膨脹劑+5%膠乳。

3^#：G級水泥+35%硅粉+降濾失劑BS103L+分散劑+1%有機硅消泡劑+1.5%膨脹劑+10%膠乳。

4^#：G級水泥+35%硅粉+降濾失劑BS103L+分散劑+1%有機硅消泡劑+1.5%膨脹劑+10%膠乳+1%聚丙烯纖維。

5^#：G級水泥+35%硅粉+降濾失劑BS103L+分散劑+1%有機硅消泡劑+1.5%膨脹劑+10%膠乳+2%聚丙烯纖維。

6^#：G級水泥+35%硅粉+降濾失劑BS103L+分散劑+1%有機硅消泡劑+1.5%膨脹劑+10%膠乳+3%聚丙烯纖維。

7^#：G級水泥+35%硅粉+降濾失劑BS103L+分散劑+1%有機硅消泡劑+1.5%膨脹劑+10%膠乳+4%聚丙烯纖維。

1.4? 方案

本實驗所有評測項目均依據《油井水泥石試驗方法》（GB/T 19139-2003）執(zhí)行，其中流變測試和失水測試均在90 ℃下完成，水泥石養(yǎng)護則均在120 ℃下完成。

2? 評測與討論

2.1? 水泥漿漿體穩(wěn)定性測試

水泥漿漿體穩(wěn)定性評測是考察漿體工程應用效果優(yōu)劣的重要參數，直接決定著水泥漿在井筒內能否順利泵送至目標儲層形成穩(wěn)固的封隔層，若漿體過稠，則需要增大泵壓，提高能耗，不利于節(jié)能增效;漿體過稀，則易造成沉降穩(wěn)定性差，水泥漿失水，靜液柱壓力難以平衡地層壓力，進而使得水泥漿失重，若是氣層則極易引起氣竄及環(huán)空帶壓問題的產生。為此，分別對設計的各加量水泥漿體系流變及濾失性能進行了系統的評價研究，結果如圖1所示。

由圖1可知，與水泥凈漿相比，隨著膠乳加量的提升，水泥漿濾失量呈逐漸降低趨勢，而黏度則緩慢上升;當聚丙烯纖維逐量摻入時，水泥漿濾失量下降明顯，同時水泥漿體系黏度增長也較膠乳摻量下提升明顯。究其原因，在膠乳加量逐漸提升的情況下，由于膠乳聚合物的成膜性，在升溫養(yǎng)護后的流變和失水評測中，膠乳粒子包覆于水泥顆粒表面，一方面因提高顆粒粒徑而增大滾動摩擦提高水泥漿體系黏度，另一方面則通過覆蓋和填堵于濾餅孔隙中從而實現降低滲透率、減少失水量的作用。在膠乳體系之上加入纖維時，由于纖維的分散性相對較差，故而導致漿體黏度上升明顯，同時，由于纖維搭橋和穿插作用，能有效配合膠乳搭橋覆蓋濾餅大孔隙，致使水泥漿失水量保持在較低值。

此外，為進一步考察漿體穩(wěn)定性，分別對所制試樣進行流動度和層間密度差評測，結果如表1所示。

由表1可知，隨著膠乳和纖維的加入，水泥漿漿體流動度會受到輕微影響，但不影響水泥漿整體工作性能，且能大大降低上下層間密度差，具有較好的維穩(wěn)效果。

2.2? 水泥漿稠化測試

水泥漿稠化性能同樣是水泥漿漿體設計中需要重視的一環(huán)，直接決定著水泥漿漿體在泵送至井筒內進行環(huán)空上返時，能否在指定時間指定位置進行準確封固。為此，通過統一120 ℃和50 MPa下對各水泥漿配方體系進行稠化時間和稠化過渡時間測定，結果如圖2所示。

由圖2可知，隨著膠乳摻量的增加，水泥漿稠化時間緩慢減少，轉換時間則較水泥凈漿出現輕微波動，總體影響不大。但隨著膠乳外摻基礎上聚丙烯纖維的摻入，水泥漿稠化時間下降減緩，但轉化時間明顯降低。究其原因，在膠乳摻入后，為保證恒定固液比，膠乳占據一定需水量，使得稠化時間縮短，但此過程中，由于膠乳的成膜而包覆水泥顆粒，致使水化進程受阻，故而出現稠化時間在膠乳持續(xù)增加后出現異常增加現象。而聚丙烯纖維的摻入則因為降低水泥漿流動性，致使水泥漿初始稠度值增加， 降低稠化杯中漿體的攪拌速率，致使稠化時間縮短，而轉化時間的減少也是該原因所致。

2.3? 抗壓強度測試

抗壓強度作為評價水泥石性能優(yōu)劣最重要的指標，直接決定了固井水泥石能否有效實現壓穩(wěn)地層、進行套管懸掛，是實現油井長效穩(wěn)定生產的關鍵所在。為此，室內對水泥石進行了120 ℃、21 MPa恒溫增壓養(yǎng)護，分別對1、7、14 d后取出試樣進行抗壓強度測試，結果如圖3所示。

由圖3可知，相比較凈漿水泥石，隨著膠乳摻量的增加，水泥石抗壓強度逐漸降低，而在10%膠乳水泥漿基礎上逐漸摻入聚丙烯纖維下，所形成的水泥石抗壓強度逐漸增加。究其原因，這是因為膠乳摻入水泥漿體系中后，水泥石的水化受到一定程度抑制，所形成的C—S—H強度結構被膠乳固化膜阻止，造成強度下降。纖維的摻入起到一定分散壓應力作用，使得抗壓強度能得到一定提升，且會隨纖維加量提高而逐漸增強。就不同養(yǎng)護天數下的水泥石強度分析可知，水泥石的強度發(fā)展在前7 d內較為顯著，但后期則會由于水泥石內部漸趨完全水化，從而使得抗壓強度增長減緩。

2.4? 抗折強度測試

作為與抗壓強度配套的抗折強度，是判定固井水泥石對地層橫向壓應力承受能力的重要測試項目，在保持與抗壓強度測試同樣的測試條件基礎上，分別對1、7、14 d不同類型不同摻量水泥石試樣進行了抗折強度測試，結果如圖4所示。

由圖4可知，與抗壓強度測試結果不同的是，膠乳和纖維外摻下的水泥石試樣的抗折強度明顯高度凈漿水泥石，其中1d下膠乳摻量10%的水泥石試樣，其抗折強度較凈漿水泥石提高了1.6%，摻入聚丙烯纖維的7#試樣則較凈漿水泥石在1 d下的抗折強度提高了4.9%，表現出了較佳的增韌效果。究其原因，這是因為膠乳外摻下的水泥石內部所穿插的膠乳膜具有一定的彈韌性，能在一定程度上提高水泥石橫向形變極限，而在此基礎上摻入的聚丙烯纖維，則可通過“搭橋”“拉拔”方式進一步提高水泥石形變能力，實現對水泥石韌性的進一步提升。

3? 結 論

通過探究聚合物膠乳協同聚丙烯纖維韌性化改造對油井水泥石性能的影響可得到如下結論：膠乳的摻入對水泥的抗壓強度會有一定影響，但對于提高水泥石的彈韌性則表現出積極作用，且對水泥漿流變性影響較小，并起到提高水泥漿漿體穩(wěn)定性的作用。而在此基礎上通過摻入一定量聚丙烯纖維，則能有效解決膠乳外摻下對水泥石帶來的負面影響，一定程度上改善了水泥石的抗壓強度，降低水泥漿的失水量，且能協同膠乳對水泥石的彈韌性進一步加強。此次研究證明了以聚丙烯纖維混雜膠乳來提高油井水泥石性能具有顯著的改善效果和一定的工程應用價值。

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