幸雪松，孫 翀，許明標(biāo)，王曉亮，楊曉榕，彭石峰

（1.中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028；2.長江大學(xué)非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北武漢 430100；3.荊州嘉華科技有限公司，湖北荊州 434000）

0 前言

固井施工質(zhì)量的好壞直接影響油氣井的壽命。在復(fù)雜井和水平井固井施工過程中，低密度水泥漿水泥凝固后，水泥石表現(xiàn)為脆性，其抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和抗沖擊性能較差［1-2］。水泥環(huán)在套管試壓、射孔壓裂及地層溫度升高等情況下會出現(xiàn)細(xì)微的裂縫。當(dāng)受到大量頻繁的物理和機(jī)械作用時(shí)，裂縫逐漸變大，造成水泥環(huán)破碎及密封質(zhì)量下降，導(dǎo)致固井失效，從而發(fā)生套管損壞等一系列嚴(yán)重的問題［3-4］，直接影響油氣田的產(chǎn)能和高效開發(fā)［5］。國內(nèi)學(xué)者的研究表明，導(dǎo)致層間封隔失效的主要原因之一是水泥石彈性形變能力差，其次是彈韌性材料能否與水泥石共同承受沖擊力，阻止裂紋的擴(kuò)張，保證水泥石的整體性能［6-7］。目前，常用的方法是在水泥漿中加入纖維、膠乳及橡膠材料，改善水泥漿的抗拉、抗折等性能，降低水泥石的彈性模量，使水泥石具有更好的形變能力。

在提高水泥石彈性形變能力方面，李文蕾等［8］提出的玄武巖纖維是一種無污染的材料，在纖維增強(qiáng)混凝土工程中得到了應(yīng)用，技術(shù)已較為成熟。羅洪文等［9］對玄武巖纖維改性油氣井水泥石的力學(xué)性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維在小加量范圍內(nèi)對水泥漿的流動度影響不大，且玄武巖纖維和聚丙烯纖維均在一定加量范圍內(nèi)可以提高水泥石的抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。除此之外，玄武巖纖維改善水泥石韌性的效果好于聚丙烯纖維。孫建磊等［10］發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維具有較高的拉伸強(qiáng)度和彈性模量，但由于純天然玄武巖熔體導(dǎo)熱性能差，析晶上限溫度較高容易析晶，使得玄武巖纖維制備過程中有著成纖難度大、工藝控制條件嚴(yán)格和設(shè)備適應(yīng)性高等技術(shù)難點(diǎn)，同時(shí)使用成本也較高。譚春勤［11］和張清［12］等通過在水泥漿中摻入膠乳、纖維和有機(jī)顆粒來提高水泥石的彈塑性。當(dāng)加入彈塑材料后，水泥石抗折強(qiáng)度變大、脆度系數(shù)變小、彈性模量和體積模量降低。但該方法僅對常規(guī)密度水泥漿具有降低彈性模量等效果，沒有針對低密度水泥漿進(jìn)行研究。王濤等［13］在水泥漿中加入纖維、膠乳等形成高韌性、高彈性水泥漿。但該類水泥漿在增強(qiáng)水泥石彈韌性的同時(shí)，也會相應(yīng)地降低水泥石的強(qiáng)度，且膠乳加量大、易破乳、成本高。李早元等［14］將彈性顆粒橡膠加入水泥漿以實(shí)現(xiàn)油井水泥降脆增韌的效果。但橡膠顆粒表面為疏水性，影響了其在漿體內(nèi)的均勻分布，且過多的橡膠摻量會增大水泥石孔隙，對水泥石抗壓強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)的影響較大。王銀東等［15］采用焦炭粉來改性水泥石彈性形變能力，但焦炭粉顆粒對水泥石彈性參數(shù)的影響與橡膠粉相似。將焦炭粉加入水泥漿中，整個(gè)體系強(qiáng)度分布不均，且焦炭粉的抗壓強(qiáng)度低于水泥顆粒強(qiáng)度，導(dǎo)致整個(gè)水泥石體系抗壓強(qiáng)度明顯下降。孫坤忠等［16］優(yōu)選了新型彈性材料SEP-1 和SEP-2，對耐高溫水泥漿體系采用C—S—H 凝膠相塑化和增孔方法改造水泥石的脆性。但該彈性材料憎水，導(dǎo)致顆粒界面與水泥水化產(chǎn)物間存在膠結(jié)強(qiáng)度較低的界面，進(jìn)而影響水泥石力學(xué)性能。

為了滿足低密度水泥石具有良好彈韌性的同時(shí)，又能提高水泥石的強(qiáng)度，室內(nèi)將固化劑與環(huán)氧樹脂按照一定比例混合制備膠液彈性劑（RES-1）。在制備過程中選用二羥甲基丁酸（DMBA）親水?dāng)U鏈劑引入一種特殊親水基團(tuán)，使得彈性劑RES-1 具有親水性。然后，將彈性劑RES-1加入水泥漿中，研究了RES-1的性能及其與相關(guān)添加劑協(xié)同作用對水泥漿性能的影響規(guī)律。由于RES-1膠液中含有環(huán)氧基等極性基團(tuán)，使環(huán)氧凝膠產(chǎn)物具有很高的黏結(jié)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)水泥石增韌增彈的效果。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

嘉華G 級油井水泥，四川嘉華特種水泥廠；淡水（自來水）；丙酮甲醛縮聚物分散劑（CF44L）、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）、聚合物類降失水劑（CG88L）、有機(jī)磷酸鹽類緩凝劑（H21L）、聚丙烯酰胺類增強(qiáng)劑（STR）、改性有機(jī)硅類消泡劑（CX601L）、無機(jī)鹽類促進(jìn)劑（CN-R）、酸酐類固化劑（ST）、活性硅類納米液體減輕劑（C60L，由硅酸鈉、納米微孔活性硅粉、無水乙醇、羧酸鹽類表面活性劑制得）、液體纖維、環(huán)氧樹脂、膠乳，荊州嘉華科技有限公司；彈性劑（RES-1），自制。

DFC-0708型恒速攪拌器，沈陽金歐科石油儀器技術(shù)開發(fā)有限公司；ZNN-D6B 六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，青島海通達(dá)專用儀器有限公司；TG-8040DA增壓稠化儀、TG-71高溫高壓失水儀，沈陽泰格石油儀器設(shè)備制造有限公司；HY-20080 型萬能材料試驗(yàn)機(jī)，上海衡翼精密儀器有限公司；TAW-2000 巖石三軸試驗(yàn)機(jī)，長春市朝陽試驗(yàn)儀器有限公司；高溫高壓固井水泥環(huán)氣密完整性評價(jià)儀、高溫高壓固井壁面驗(yàn)竄儀，自制；SU8010冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡，日本日立公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

（1）彈性劑RES-1 的制備。室溫下將環(huán)氧樹脂和ST固化劑按照一定比例混合后，放入模具用烘箱（65～120 ℃）烘烤，固化約20 min 后得到高溫的凝膠試樣，然后將高溫凝膠體放入冷水中水浴約2 min，即得到膠液彈性試樣RES-1。

（2）水泥漿常規(guī)性能評價(jià)。按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB 10238—2005《油井水泥》和GB/T 19139—2012《油井水泥試驗(yàn)方法》評價(jià)水泥漿的性能。采用六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測定水泥漿的流變性，測定條件為90 ℃×20 min；采用高溫高壓失水儀測定水泥漿的失水量，測定條件為90 ℃×8 MPa×30 min；采用高溫高壓稠化儀測定水泥漿的稠化時(shí)間，測定條件為90 ℃×45 MPa×45 min。

（3）水泥石力學(xué)性能評價(jià)。水泥石配方為：100%水泥+20% STR+52%淡水+2.5% CG88L+1.5% CF44L+0.4% H21L+1% CX601L+液體纖維。水泥石養(yǎng)護(hù)條件為90 ℃×24 h。采用萬能材料試驗(yàn)機(jī)測試RES-1的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、抗沖擊強(qiáng)度等力學(xué)性能。

（4）水泥石應(yīng)力應(yīng)變測試。將彈性密封水泥漿體系按配方制作成直徑25 mm、長度50 mm 的巖心，然后用巖石三軸試驗(yàn)機(jī)測量巖心的三軸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

（5）水泥石抗竄性能測試。將配好的水泥漿緩慢注入模擬地層與套管的環(huán)空中，避免環(huán)空起泡，制作地層-水泥環(huán)-套管耦合膠結(jié)模型。然后，將含有水泥漿的模型吊入比地層巖心外徑更大的水泥環(huán)氣密完整性評價(jià)裝置的釜體中養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)條件為溫度90 ℃、壓力20～40 MPa。達(dá)到養(yǎng)護(hù)齡期24 h后，從釜蓋上給釜內(nèi)加壓，記錄釜內(nèi)壓力突然減小時(shí)的峰值（最大壓力值）作為抗竄的壓力。

2 結(jié)果與討論

2.1 低密度彈性密封水泥漿組分優(yōu)選

2.1.1 增韌劑

液體纖維是由具有表面活性的1 mm長度碳纖維與1.5 mm碳纖維按質(zhì)量比3∶1混合，再經(jīng)特殊液化工藝處理得到的液體增韌防漏材料。液體纖維加量對水泥基漿抗壓強(qiáng)度、柔韌性及膠結(jié)性的影響如表1 所示。與未加液體纖維相比，加入了液體纖維的水泥石柔韌性明顯提高。加入2%液體纖維后，水泥石各項(xiàng)力學(xué)性能最好，抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度及抗沖擊強(qiáng)度分別提高了25%、43%、85%。與固體纖維相比，液體纖維具有良好的水分散性，能均勻分散于配漿水中；在荷載作用下，可橫跨裂縫承受拉應(yīng)力并可使液化纖維材料具有一定的延性，提高固井水泥漿的韌性和抗壓強(qiáng)度。加入液體纖維水泥石的剪切強(qiáng)度均大于3 MPa、拉伸強(qiáng)度均大于200 kPa，表明液體纖維提高了水泥石的膠結(jié)性能。因此，選擇液體纖維作為增韌材料加入水泥漿中，推薦加量為1%。

表1 液體纖維加量對水泥石力學(xué)性能的影響

2.1.2 納米液體減輕劑

水泥漿密度的降低一般通過摻入低密度材料（如粉煤灰）來實(shí)現(xiàn)，但常規(guī)粉煤灰低密度水泥漿沉降嚴(yán)重［17-18］。納米液體減輕劑C60L的密度為0.2～0.3 g/cm3，粒徑小于50 μm。將該材料與液體纖維復(fù)配使用，以提高水泥漿的性能。不同低密度減輕劑材料對水泥漿性能的影響如表2所示。在低密度（1.5 g/cm3）水泥漿體系中，相比于粉煤灰，納米液體減輕劑配制的水泥漿的抗壓強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，且水泥漿上下密度差為0，說明水泥漿的懸浮穩(wěn)定性好。這是由于納米液體減輕劑主要成分為納米活性硅。該納米粒子具有束水和吸附功能，可吸附于水泥顆粒表面，并與水泥水化產(chǎn)物反應(yīng)產(chǎn)生H—Si—H凝膠結(jié)構(gòu)［19］。該結(jié)構(gòu)可起到懸浮水泥顆粒、穩(wěn)定水泥漿體的作用。

表2 減輕劑對水泥漿性能的影響

2.1.3 彈性劑RES-1

（1）RES-1的微觀結(jié)構(gòu)

由圖1可見，RES-1為連續(xù)無間的產(chǎn)膠結(jié)構(gòu)，骨架結(jié)構(gòu)致密，基本不存在孔洞，因此RES-1固化體具有很高的黏結(jié)強(qiáng)度。另外，RES-1 固化體表面有許多纖維狀凝膠顆粒，粒徑在5～50 nm之間。該納米顆粒具有較高活性，可以吸附水中的陰、陽離子，使得固化產(chǎn)物RES-1具有較好的親水性。RES-1的粒徑微小，可有效充填到水泥顆粒間，降低水泥石的滲透率，提高水泥石的強(qiáng)度。

圖1 RES-1的掃描電鏡圖像

（2）RES-1對水泥漿性能的影響

彈性劑RES-1加量對水泥漿性能的影響如表3所示。RES-1 分散于水中與水泥的級配良好。RES-1的加量在0～15%時(shí)，對水泥漿的流變性沒有明顯影響，延長了水泥漿的稠化時(shí)間。RES-1 可明顯增大水泥石的抗壓強(qiáng)度，降低水泥石的彈性模量。這是由于RES-1 能較好地分散于水泥中，凝膠顆粒與水泥水化產(chǎn)物有效黏結(jié)，使得水泥漿與骨料間形成具有高黏結(jié)力的膜，實(shí)現(xiàn)了水泥石增彈增韌的效果，從而改善水泥石的形變能力，有利于提高水泥環(huán)的密封完整性。

表3 RES-1加量對水泥漿性能的影響

（3）RES-1對抗竄性能的影響

室內(nèi)采用高溫高壓固井壁面驗(yàn)竄儀測試了RES-1對水泥環(huán)的抗竄能力。RES-1質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0、5%、10%、15%時(shí)，水泥漿的抗竄強(qiáng)度分別為7.5、13.9、15.7、12.6 MPa/m2。加入RES-1 后，水泥漿的抗竄強(qiáng)度均大于10 MPa/m2，說明RES-1 具有良好的抗竄性能。當(dāng)RES-1 加量為10%時(shí)，水泥石的抗竄性能最強(qiáng)，抗竄強(qiáng)度是未加RES-1的2.09倍，因此推薦彈性劑RES-1的加量為10%。

2.2 低密度彈性密封水泥漿的綜合性能

在優(yōu)選了液體纖維增韌劑、納米液體減輕劑C60L和彈性劑RES-1的基礎(chǔ)上，對與其相容性良好的外加劑（如增強(qiáng)劑、降濾失劑等）進(jìn)行了評價(jià)，優(yōu)化得到性能良好的低密度彈性密封水泥漿體系，體系配方如下。（1）普通低密度水泥漿：100%水泥+9%粉煤灰+30% STR+57%淡水+2.5% CG88L+1%CF44L+0.8%H21L+1.0%CX601L+5%膠乳；（2）低密度彈性密封水泥漿：100%水泥+20% STR +52%淡水+2.5% CG88L+1.5% CF44L+0.4% H21L+1%CX601L+10% C60L+1%液體纖維+1.3% CN-R+10%RES-1。

2.2.1 低密度彈性密封水泥漿的常規(guī)性能

低密度彈性密封水泥漿和普通低密度水泥漿的性能對比如表4 所示。兩種水泥漿的流性指數(shù)（n）均大于0.7，稠度系數(shù)（K）均小于0.5 Pa·sn，說明兩種水泥漿的流變性均良好。相比于普通低密度水泥漿，低密度彈性密封水泥漿的失水量小于50 mL，水泥漿膨脹性更好，線性膨脹率達(dá)到0.45%，滿足固井基本要求。低密度彈性密封水泥漿的滲透率低于普通低密度水泥漿（降低69.5%），表明液體纖維增韌劑和彈性劑RES-1 能很好地分散于水泥中，水泥水化產(chǎn)物具有黏結(jié)和橋聯(lián)作用，調(diào)整了水泥試件內(nèi)的應(yīng)力分布，增加了水泥石結(jié)構(gòu)的密實(shí)性，可以有效防止水泥石微裂縫的產(chǎn)生。

表4 低密度彈性密封水泥漿的常規(guī)性能

2.2.2 低密度彈性水泥漿的彈性特征

在80 ℃、圍壓18 MPa的條件下，采用巖石三軸試驗(yàn)機(jī)測定水泥石的彈性模量。由圖2 可見，與普通低密度水泥石相比，低密度彈性密封水泥石的峰值應(yīng)力下降了20.4%，峰值應(yīng)變提高了98.8%，彈性模量下降78.4%。低密度彈性密封水泥石在受到外力壓縮時(shí)的彈性形變能力強(qiáng)，彈性模量低，有效改善了水泥石的密封性和彈韌性，提高水泥環(huán)層間封隔能力。同時(shí)，低密度彈性密封水泥漿的彈性極限應(yīng)力為39.5 MPa，適合復(fù)雜井固井的運(yùn)行壓力（10～36 MPa）。

圖2 水泥石單軸應(yīng)力-應(yīng)變測試曲線

2.2.3 低密度彈性密封水泥石的力學(xué)性能

室內(nèi)測得低密度彈性密封水泥石的抗壓強(qiáng)度為27.2 MPa，比普通低密度水泥漿的抗壓強(qiáng)度（16.9 MPa）提高了61%?？拐蹚?qiáng)度是指水泥石單位面積承受彎矩時(shí)的極限折斷應(yīng)力，又稱抗彎強(qiáng)度、斷裂模量，通常指水泥石材料受到彎曲負(fù)荷的作用而破壞時(shí)的極限應(yīng)力［20］。由圖3 可見，在一樣的外力作用時(shí)，低密度彈性密封水泥石的抗折強(qiáng)度達(dá)到了7.89 MPa，相比于普通水泥石提高了87.9%，說明低密度彈性密封水泥漿具有良好的韌性，水泥石力學(xué)性能得到改善，滿足施工要求。

圖3 水泥石抗折強(qiáng)度曲線

2.2.4 水泥環(huán)封隔與防竄能力

室內(nèi)采用自制的高溫高壓固井水泥環(huán)氣密完整性評價(jià)儀，通過模擬驗(yàn)竄來測試水泥漿的封隔能力，實(shí)現(xiàn)水泥環(huán)密封效果的檢測。室內(nèi)分別對兩種水泥漿模型進(jìn)行了交變壓力驗(yàn)竄測試，水泥環(huán)交變壓力范圍為20～40 MPa，升降壓力頻率5 次，90 ℃養(yǎng)護(hù)。水泥漿封隔與防竄能力測試結(jié)果如表5 所示。低密度彈性密封水泥漿在模擬封固中的抗竄強(qiáng)度均大于7 MPa/m2，表明該水泥漿的封固能力強(qiáng)。

表5 水泥漿封隔與防竄能力測試結(jié)果

3 結(jié)論

以環(huán)氧樹脂和酸酐類固化劑為原料制得的彈性劑RES-1 具有良好的親水性，能均勻分散于水泥顆粒間，與水泥水化產(chǎn)物形成緊密的網(wǎng)狀互穿交聯(lián)結(jié)構(gòu)。經(jīng)RES-1改性后的水泥基材料的彈性與變形能力大幅度提高，彈性模量最大降低51%，從而降低水泥石的脆性，10%的RES-1 可提高水泥石抗竄能力1.09 倍。將RES-1 與優(yōu)選的液體纖維、納米液體減輕劑復(fù)配，構(gòu)建的低密度（1.5 g/cm3）彈性密封水泥漿具有良好的彈韌性，水泥石的抗折強(qiáng)度為7.89 MPa、抗壓強(qiáng)度為27.2 MPa。與普通低密度水泥石相比，其線性膨脹率達(dá)到0.45%，滲透率和彈性模量降低，抗壓強(qiáng)度提高，實(shí)現(xiàn)了水泥石“高強(qiáng)度低彈性模量”的韌性轉(zhuǎn)變，提高了水泥的彈性形變能力，增強(qiáng)了水泥環(huán)在動態(tài)沖擊條件下的層間封隔能力。