楊寬才，孔二偉

（1.河南省第四地質(zhì)勘查院有限公司，河南 鄭州 450001；2.河南省小口徑鉆探工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450001）

0 引言

鉆探過(guò)程中，由于地層存在天然孔隙、裂縫及溶洞，會(huì)發(fā)生不同程度的漏失，淡水水泥漿體系被廣泛地用于各種堵漏作業(yè)中［1-5］。如應(yīng)用于松軟煤層的加固用泡沫水泥漿，針對(duì)固井過(guò)程中不能泵送大的堵漏顆粒材料而研究的溫敏堵漏水泥漿體系，以及針對(duì)地?zé)峋┦а邪l(fā)的基于壓力平衡條件下“戴帽”固井注水泥技術(shù)等，利用水泥漿進(jìn)行封堵解決鉆進(jìn)過(guò)程中的漏失問(wèn)題［6-8］。我國(guó)青海、新疆等地的礦區(qū)常年干旱缺水，水資源分布不均，施工用水需要從偏遠(yuǎn)水源地運(yùn)輸，且部分礦區(qū)供水多為鹽（鹵）水，嚴(yán)重影響鉆探施工進(jìn)度。對(duì)夾雜高壓鹽水層的鹽膏地層，導(dǎo)致固井質(zhì)量差的主要原因是石膏蠕變和鹽水侵入，破壞水泥漿性能，進(jìn)而影響固井質(zhì)量［9］。針對(duì)這種淡水資源難以獲取的情況，必須設(shè)計(jì)研發(fā)相應(yīng)的鹽水水泥漿堵漏體系。有研究證實(shí)，鹽類對(duì)水泥有雙重作用，當(dāng)鹽濃度＜10%時(shí)，表現(xiàn)為一定的促凝現(xiàn)象，特別是鹽的含量＜5%時(shí)有明顯的早強(qiáng)作用；當(dāng)鹽濃度＞10%，有一定的緩凝作用，濃度越大，稠化時(shí)間越長(zhǎng)［10-13］。

目前，國(guó)內(nèi)鹽水水泥漿多用于鹽膏層、鹽水層固井，對(duì)通過(guò)鹽類提高堵漏效果的研究相對(duì)較少。張弛等［14］通過(guò)膠乳增強(qiáng)水泥的彈性形變、增強(qiáng)韌性，開發(fā)了鹽水濃度15%的低溫膠乳鹽水水泥漿體系，適用于淺層鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)井固井；羅剛等［15］通過(guò)優(yōu)選抗鹽抗高溫的緩凝劑和降失水劑，提出了NaCl 濃度18%的高溫鹽水水泥漿體系，可抗140 ℃高溫；丹美涵［16］優(yōu)選出一套以25%NaCl 和5%KCl 高鹽混合水配制水泥漿，同時(shí)配套抗鹽降失水劑、分散劑、緩凝劑等外加劑，解決了因高鹽混合水配漿可能帶來(lái)的水泥漿增稠、觸變等問(wèn)題；陳良等［17］利用鹽對(duì)粉質(zhì)泥巖抑制水化膨脹作用，構(gòu)建了以10%KCl 鹽水的聚合物KCl 鹽水水泥漿體系，適用于粉質(zhì)泥巖地層固井；Niu 等［18］研究了氯鹽和表面活性劑對(duì)納米二氧化硅在水泥漿分散狀況的影響，結(jié)果表明表面活性劑和氯鹽的協(xié)同作用可以改善納米材料在水泥漿液中的分散情況。

在國(guó)外，Campos 等［19］設(shè)計(jì)出12%MgCl2的鹽水水泥漿來(lái)克服凝膠化問(wèn)題，同時(shí)利用較高的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行堵漏；Al Moajil 等［20］設(shè)計(jì)以5%CaCl2配 合Mn3O4來(lái)實(shí)現(xiàn)3 h 內(nèi)速凝的高密度水泥漿體系用于深井鉆探，但對(duì)于外加劑的加量要求偏高；Kang等［21］研究了硫鋁酸鈣水泥與淡水和鹽水結(jié)合對(duì)比強(qiáng)度變化的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明與鹽水結(jié)合的硫鋁酸鈣水泥容易形成更為致密的水泥基體，從而提高水泥力學(xué)性能；Reddy 等［22］發(fā)現(xiàn)8%濃度以內(nèi)的NaCl 和Na2SO4可明顯縮短水泥的誘導(dǎo)期，提供堵漏效率。

基于此，筆者從控制水泥漿凝結(jié)時(shí)間、稠化時(shí)間和堵漏性能的角度出發(fā)，優(yōu)選抗鹽性能優(yōu)良的外加劑以克服鹽的負(fù)面影響，研制了一套滿足地質(zhì)鉆探裂縫性地層堵漏作業(yè)要求的鹽水水泥漿體系，以期提高地質(zhì)鉆探工作效率。

1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1 分散劑

氯化鈉（NaCl）屬于強(qiáng)電解質(zhì)，它的電解會(huì)抑制水泥顆粒在水中的溶解，且含鹽的水泥漿一般流動(dòng)性較差［14］，必須選用合適的分散劑來(lái)改善水泥漿的流變性，十二烷基硫酸鈉（SDS）屬陰離子親水性表面活性劑，與陰離子配伍性良好，可以使水泥漿懸浮液中水化產(chǎn)物的表面保持較高的親水性，吸附在水泥顆粒表面而形成雙電層，抑制水泥表面產(chǎn)生薄膜，降低水泥顆粒的表面張力，從而使結(jié)構(gòu)粘度降低、需水量減少［23］。表面活性劑可以保持水泥顆粒與水分子之間的連接，有助于減少水泥顆粒自身間的吸附作用，使絮凝水泥顆粒間包裹的水釋放出來(lái)，促進(jìn)水泥在鹽水中充分溶解，改善水泥顆粒的分散均勻性，提高體系的化學(xué)穩(wěn)定性，因此采用SDS 作為分散劑。

1.1.2 穩(wěn)定劑

微硅粉是水泥漿中常用的穩(wěn)定懸浮劑，微硅分散后會(huì)形成較為穩(wěn)定的溶膠，使得水泥顆粒不易發(fā)生沉降，優(yōu)選的微硅粒徑集中在1～10 μm，可以起到滾珠、充填、懸浮增強(qiáng)的作用，同時(shí)達(dá)到緊密堆積的目的。

1.1.3 增粘劑

在水泥漿泵送的過(guò)程中，水泥漿的粘度、切力過(guò)大或過(guò)小都會(huì)帶來(lái)不利的影響，NaCl 抑制了水泥的溶解，使得水泥漿粘度偏低，需要加入適量的增粘劑，提高水泥漿的抗離析能力，提高漿液粘度和懸浮穩(wěn)定性。因此，對(duì)幾種地質(zhì)鉆探現(xiàn)場(chǎng)常用的增粘劑HV-CMC、PAM、HV-PAC、XC 進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表1 所示，可以看出在鹽水水泥漿中，XC 的抗鹽性能最好、提粘效果最佳。

表1 幾種增粘劑的性能對(duì)比Table 1 Performances comparison of various viscosifiers

1.1.4 降失水劑

普通的降失水劑多為線性高分子化合物，線性高分子遇鹽后會(huì)發(fā)生卷曲并互相纏繞，無(wú)法形成控制失水所要求的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因此選擇抗鹽性能好的降失水劑尤為重要。RK-14S 是一種新型水溶性聚合物，通過(guò)吸附和聚水泥顆粒的雙重作用，在水泥漿中形成弱膠聯(lián)的膠體，可穩(wěn)定的嵌入泥濾餅，減小孔隙尺寸，有效地通過(guò)提高水相粘度和降低濾餅滲透率來(lái)降低水泥漿濾失量。

1.1.5 堵漏材料

采用聚丙烯纖維（長(zhǎng)度6～13 mm）作為主要的堵漏材料，纖維作為惰性材料，加量較少時(shí)基本不影響水泥漿的常規(guī)性能（如流動(dòng)性），同時(shí)能夠提升水泥的抗壓、抗折強(qiáng)度，在地層裂縫處可以起到網(wǎng)格化和拉筋作用。同時(shí)，采用高固相堵漏材料Strata-vanguard 作為橋塞封堵劑，其顆粒級(jí)配豐富（有片狀，也有粗顆粒和細(xì)顆粒），適用于各種縫寬裂縫的封堵，其外觀如圖1 所示。

圖1 高固相堵漏材料Strata-vanguardFig.1 Strata-vanguard high solid loading plugging materials

通過(guò)復(fù)配實(shí)驗(yàn)，確定所用水泥漿配方為（相對(duì)水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)）：

1 號(hào)鹽水水泥漿：P.O 42.5 普通硅酸鹽水泥+水+5% NaCl+0.6% SDS+3.3% 微硅粉+0.3%XC+2% RK-14S，水灰比為0.6。

2 號(hào)淡水水泥漿：P.O 42.5 普通硅酸鹽水泥+水+0.6% SDS+3.3%微硅粉+0.3% XC+2% RK-14S，水灰比為0.6，用于對(duì)比。

3 號(hào)堵漏用鹽水水泥漿：P.O 42.5 普通硅酸鹽水泥+水+5% NaCl+0.6% SDS+3.3% 微硅粉+0.3% XC+2% RK-14S+0.3% 聚丙烯纖維+3% Strata-vanguard 高固相堵漏材料，水灰比為0.6，用于評(píng)價(jià)堵漏性能。

筆者通過(guò)在青海某地采取鹵水樣，其礦化度為151.16 g/L，但前期研究發(fā)現(xiàn)，直接用其配制鹵水水泥漿時(shí)，由于礦化度較高、鹽類較多（如NaCl、KCl、CaCl2、MgCl2），水泥漿性能難以調(diào)控。室內(nèi)采用5%NaCl 溶液（pH 值7）來(lái)模擬鹽水，此時(shí)可起促凝作用，可避免NaCl 濃度較高（如超過(guò)10%）時(shí)對(duì)水泥漿的緩凝作用。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器與實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)儀器：OWC-9360 型恒速攪拌器、OWC-9480A 型增壓稠化儀、YH-40B 型標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱、ZCYA-300C 型微機(jī)控制抗壓抗折試驗(yàn)機(jī)、ZNN-D6 型六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)、NLD-3 型水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定儀、維卡儀、ZNS-5A 型中壓堵漏儀。

實(shí)驗(yàn)方法：按照《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢驗(yàn)方法》（GB/T 1346—2011）對(duì)水泥漿的流變特性、力學(xué)性能、凝結(jié)時(shí)間、稠化時(shí)間等性能進(jìn)行測(cè)試，參考石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鉆井液用橋接堵漏材料室內(nèi)試驗(yàn)方法》（SY/T 5840—2007）對(duì)水泥漿的堵漏性能進(jìn)行測(cè)試。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 常規(guī)性能

1 號(hào)、2 號(hào)水泥漿的常規(guī)性能如表2 所示，其中沉降穩(wěn)定性Δρ是在常溫下靜置2 h 后水泥漿的上下密度差。裂縫性地層的承壓能力普遍偏低，需要控制水泥漿的密度為較低水平。該鹽水水泥漿的密度為1.66 g/cm3，可避免由于水泥漿密度過(guò)高，將地層“壓漏”的情況。由表2 可以看出，鹽水與淡水水泥漿在流變參數(shù)方面差異不大，說(shuō)明NaCl 對(duì)該體系的流變性影響很?。畸}水水泥漿在降濾失性和沉降穩(wěn)定性方面與淡水水泥漿相差不大，說(shuō)明水泥與所選擇的外加劑之間配伍、兼容性良好，其流動(dòng)度≥23 cm，鉆探現(xiàn)場(chǎng)易于配置，可滿足現(xiàn)場(chǎng)施工泵送的要求。

表2 水泥漿的常規(guī)性能Table 2 Regular performances of cement slurries

2.2 力學(xué)性能

將配置好的1 號(hào)、2 號(hào)水泥漿倒入模具中，在養(yǎng)護(hù)箱中25 ℃條件下恒溫養(yǎng)護(hù)3 天、7 天，脫模后通過(guò)ZCYA-300C 型微機(jī)控制抗壓抗折試驗(yàn)機(jī)測(cè)得水泥試塊的抗壓、抗折強(qiáng)度，如表3 所示?？梢钥闯?，在抗壓和抗折強(qiáng)度方面，鹽水水泥漿都優(yōu)于淡水水泥漿，原因是5%的NaCl 具有明顯的早強(qiáng)作用，加入NaCl 后會(huì)使水泥漿中的游離Cl-和物理吸附Cl-的比例提高（比例會(huì)隨著水化齡期的延長(zhǎng)而降低），水泥中會(huì)不斷形成氯鋁酸鈣，提高水泥的早期強(qiáng)度［24］；同時(shí)，NaCl 在一定程度上可以抑制水泥內(nèi)部的孔隙發(fā)育，提高水泥的致密性，使鹽水水泥試塊強(qiáng)度發(fā)展更快，其初期的抗壓強(qiáng)度＞10 MPa/3 d，滿足地質(zhì)鉆探堵漏作業(yè)中對(duì)水泥強(qiáng)度的要求。

表3 水泥試塊的抗壓、抗折強(qiáng)度Table 3 Compressive strength and flexural strength of testing cement blocks

2.3 凝結(jié)時(shí)間

在堵漏作業(yè)中，由于水泥凝結(jié)時(shí)間過(guò)早導(dǎo)致來(lái)不及施工或凝結(jié)時(shí)間過(guò)遲導(dǎo)致施工周期長(zhǎng)而影響施工進(jìn)度的情況屢見不鮮，因此研究水泥漿的凝結(jié)時(shí)間從而確定合適時(shí)間泵入水泥漿具有重要意義。采用維卡法測(cè)定1 號(hào)、2 號(hào)水泥漿在常溫條件下的初凝、終凝時(shí)間如表4 所示。從3 組平行數(shù)據(jù)可以看出，NaCl 的存在對(duì)于水泥漿的初凝時(shí)間影響較小，但明顯縮短了水泥漿的終凝時(shí)間，說(shuō)明低濃度的鹽可以有效促進(jìn)水泥的凝結(jié)，從而縮短堵漏時(shí)間，提高堵漏效率。

表4 水泥漿的初凝與終凝時(shí)間Table 4 Initial and final setting time of cement slurries

2.4 稠化時(shí)間

1 號(hào)水泥漿的稠化時(shí)間通過(guò)OWC-9480A 型增壓稠化儀測(cè)得，其在30 MPa、45～75 ℃梯度下的稠化時(shí)間如表5 所示。圖2 為水泥漿在65 ℃下的稠化曲線，可以看到，該稠化曲線接近直角稠化，上升過(guò)程較為平穩(wěn)，沒(méi)有出現(xiàn)包心、上臺(tái)階等現(xiàn)象。在初始稠度結(jié)束后，過(guò)渡時(shí)間短，上升快，水泥漿的固-液狀態(tài)時(shí)間短，有利于水泥漿的防竄性能［25］。水泥漿在稠化過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生因NaCl 帶來(lái)的閃凝、超緩凝現(xiàn)象，說(shuō)明該體系克服了鹽的負(fù)面影響，具有易于控制的稠化特性。

圖2 鹽水水泥漿在30 MPa、65 ℃下的稠化曲線Fig.2 Thickening curve of saltwater cement slurry at 30MPa and 65℃

表5 鹽水水泥漿在不同條件下的稠化時(shí)間Table 5 Thickening time of saltwater slurry under different conditions

2.5 封堵性能

模擬裂縫性地層的漏失，采用靜態(tài)測(cè)試法，通過(guò)ZNS-5A 型中壓堵漏儀評(píng)價(jià)3 號(hào)水泥漿對(duì)孔板1～3 mm 和縫板3 mm 的封堵能力，在壓力0.69 MPa 的條件下，記錄15 min 內(nèi)漏失的水泥漿體積，結(jié)果如表6、表7 所示。圖3 所示為水泥漿對(duì)3 mm 孔板的封堵情況，圖4 為封堵形成的泥餅干燥取下后的局部效果。

圖3 3 mm 孔板的封堵效果Fig.3 Plugging effect of 3mm orifice plate

圖4 干燥后的局部泥餅Fig.4 Partial dried mud cake

表6 1～3 mm 孔板的封堵實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 6 Plugging test results of 1～3mm orifice plate

表7 1～3 mm 縫板的封堵實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 7 Plugging test results of 1～3mm seam plate

由表6、表7 可見，鹽水水泥漿的封堵效果明顯。對(duì)于 1～2 mm 的孔板和縫板，當(dāng)水泥和Strata-vanguard 顆粒進(jìn)入裂縫中時(shí)，在壓力作用下迅速脫水而有效堆積堵塞裂縫；對(duì)于3 mm 的孔板和縫板，由于裂縫相對(duì)更大，顆粒不足以封堵裂縫，此時(shí)聚丙烯纖維在裂縫附近交織形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，將裂縫通道由大變小，堵漏顆粒繼續(xù)在裂縫中架橋堆積，同時(shí)水泥漿會(huì)形成致密的濾餅，完全封堵裂縫界面［26］。

3 結(jié)論

（1）研制的水泥漿體系具有良好的流變性、降失水性和沉降穩(wěn)定性，與相應(yīng)的淡水水泥漿相比差異不大，易于配制，可滿足現(xiàn)場(chǎng)施工泵送要求。同時(shí)，本文僅基于5%氯化鈉提出鹽水水泥漿體系，如在其他地區(qū)應(yīng)用，應(yīng)對(duì)水泥漿體系進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

（2）NaCl 對(duì)于水泥漿有明顯的早強(qiáng)、促凝作用，與淡水水泥漿相比，鹽水水泥漿早期的抗壓、抗折強(qiáng)度更大，終凝時(shí)間更短，可提高堵漏效率。

（3）該體系在30 MPa、45～75 ℃下的稠化時(shí)間為110～170 min，漿體穩(wěn)定，稠化特性良好，便于堵漏作業(yè)。

（4）該體系可有效封堵1～3 mm 的孔板、縫板，這是因?yàn)榫郾├w維材料具有網(wǎng)格化和拉筋作用，同時(shí)高固相堵漏材料Strata-vanguard 級(jí)配豐富，這些特點(diǎn)有助于提高水泥漿在較復(fù)雜漏失地層中的堵漏作業(yè)成功率。