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

鉆探過程中，由于地層存在天然孔隙、裂縫及溶洞，會發(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，針對固井過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，利用水泥漿進行封堵解決鉆進過程中的漏失問題［6-8］。我國青海、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水源地運輸，且部分礦區(qū)供水多為鹽（鹵）水，嚴重影響鉆探施工進度。對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，進而影響固井質(zhì)量［9］。針對這種淡水資源難以獲取的情況，必須設(shè)計研發(fā)相應(yīng)的鹽水水泥漿堵漏體系。有研究證實，鹽類對水泥有雙重作用，當鹽濃度＜10%時，表現(xiàn)為一定的促凝現(xiàn)象，特別是鹽的含量＜5%時有明顯的早強作用；當鹽濃度＞10%，有一定的緩凝作用，濃度越大，稠化時間越長［10-13］。

目前，國內(nèi)鹽水水泥漿多用于鹽膏層、鹽水層固井，對通過鹽類提高堵漏效果的研究相對較少。張弛等［14］通過膠乳增強水泥的彈性形變、增強韌性，開發(fā)了鹽水濃度15%的低溫膠乳鹽水水泥漿體系，適用于淺層鹽穴儲氣庫井固井；羅剛等［15］通過優(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的水泥漿增稠、觸變等問題；陳良等［17］利用鹽對粉質(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。

在國外，Campos 等［19］設(shè)計出12%MgCl2的鹽水水泥漿來克服凝膠化問題，同時利用較高的抗壓強度進行堵漏；Al Moajil 等［20］設(shè)計以5%CaCl2配 合Mn3O4來實現(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)合對比強度變化的實驗，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)時間、稠化時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 實驗材料與儀器

1.1 實驗材料

1.1.1 分散劑

氯化鈉（NaCl）屬于強電解質(zhì)，它的電解會抑制水泥顆粒在水中的溶解，且含鹽的水泥漿一般流動性較差［14］，必須選用合適的分散劑來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，促進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、懸浮增強的作用，同時達到緊密堆積的目的。

1.1.3 增粘劑

在水泥漿泵送的過程中，水泥漿的粘度、切力過大或過小都會帶來不利的影響，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，對幾種地質(zhì)鉆探現(xiàn)場常用的增粘劑HV-CMC、PAM、HV-PAC、XC 進行測試，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發(fā)生卷曲并互相纏繞，無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，有效地通過提高水相粘度和降低濾餅滲透率來降低水泥漿濾失量。

1.1.5 堵漏材料

采用聚丙烯纖維（長度6～13 mm）作為主要的堵漏材料，纖維作為惰性材料，加量較少時基本不影響水泥漿的常規(guī)性能（如流動性），同時能夠提升水泥的抗壓、抗折強度，在地層裂縫處可以起到網(wǎng)格化和拉筋作用。同時，采用高固相堵漏材料Strata-vanguard 作為橋塞封堵劑，其顆粒級配豐富（有片狀，也有粗顆粒和細顆粒），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

通過復(fù)配實驗，確定所用水泥漿配方為（相對水的質(zhì)量分數(shù)）：

1 號鹽水水泥漿：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，用于對比。

3 號堵漏用鹽水水泥漿：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，用于評價堵漏性能。

筆者通過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，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）來模擬鹽水，此時可起促凝作用，可避免NaCl 濃度較高（如超過10%）時對水泥漿的緩凝作用。

1.2 實驗儀器與實驗方法

實驗儀器：OWC-9360 型恒速攪拌器、OWC-9480A 型增壓稠化儀、YH-40B 型標準恒溫恒濕養(yǎng)護箱、ZCYA-300C 型微機控制抗壓抗折試驗機、ZNN-D6 型六速旋轉(zhuǎn)粘度計、NLD-3 型水泥膠砂流動度測定儀、維卡儀、ZNS-5A 型中壓堵漏儀。

實驗方法：按照《水泥標準稠度用水量、凝結(jié)時間、安定性檢驗方法》（GB/T 1346—2011）對水泥漿的流變特性、力學(xué)性能、凝結(jié)時間、稠化時間等性能進行測試，參考石油天然氣行業(yè)標準《鉆井液用橋接堵漏材料室內(nèi)試驗方法》（SY/T 5840—2007）對水泥漿的堵漏性能進行測試。

2 實驗結(jié)果及討論

2.1 常規(guī)性能

1 號、2 號水泥漿的常規(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，說明NaCl 對該體系的流變性影響很小；鹽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，說明水泥與所選擇的外加劑之間配伍、兼容性良好，其流動度≥23 cm，鉆探現(xiàn)場易于配置，可滿足現(xiàn)場施工泵送的要求。

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、2 號水泥漿倒入模具中，在養(yǎng)護箱中25 ℃條件下恒溫養(yǎng)護3 天、7 天，脫模后通過ZCYA-300C 型微機控制抗壓抗折試驗機測得水泥試塊的抗壓、抗折強度，如表3 所示。可以看出，在抗壓和抗折強度方面，鹽水水泥漿都優(yōu)于淡水水泥漿，原因是5%的NaCl 具有明顯的早強作用，加入NaCl 后會使水泥漿中的游離Cl-和物理吸附Cl-的比例提高（比例會隨著水化齡期的延長而降低），水泥中會不斷形成氯鋁酸鈣，提高水泥的早期強度［24］；同時，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，使鹽水水泥試塊強度發(fā)展更快，其初期的抗壓強度＞10 MPa/3 d，滿足地質(zhì)鉆探堵漏作業(yè)中對水泥強度的要求。

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

2.3 凝結(jié)時間

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

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

2.4 稠化時間

1 號水泥漿的稠化時間通過OWC-9480A 型增壓稠化儀測得，其在30 MPa、45～75 ℃梯度下的稠化時間如表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，上升過程較為平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)包心、上臺階等現(xiàn)象。在初始稠度結(jié)束后，過渡時間短，上升快，水泥漿的固-液狀態(tài)時間短，有利于水泥漿的防竄性能［25］。水泥漿在稠化過程中沒有發(fā)生因NaCl 帶來的閃凝、超緩凝現(xiàn)象，說明該體系克服了鹽的負面影響，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)測試法，通過ZNS-5A 型中壓堵漏儀評價3 號水泥漿對孔板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 孔板的封堵實驗結(jié)果Table 6 Plugging test results of 1～3mm orifice plate

表7 1～3 mm 縫板的封堵實驗結(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。對于 1～2 mm 的孔板和縫板，當水泥和Strata-vanguard 顆粒進入裂縫中時，在壓力作用下迅速脫水而有效堆積堵塞裂縫；對于3 mm 的孔板和縫板，由于裂縫相對更大，顆粒不足以封堵裂縫，此時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，同時水泥漿會形成致密的濾餅，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)場施工泵送要求。同時，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)對水泥漿體系進行適當調(diào)整。

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

（3）該體系在30 MPa、45～75 ℃下的稠化時間為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，這是因為聚丙烯纖維材料具有網(wǎng)格化和拉筋作用，同時高固相堵漏材料Strata-vanguard 級配豐富，這些特點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。