油井水泥自修复剂L－1的制备与评价

雷鑫宇，于小荣，郑 勇，杨世杰，王 林，陈 爽

(1.中国科学院成都有机化学有限公司，成都 610041;2.西南石油大学化学化工学院，成都 610500;3.中海油田服务股份有限公司油田化学事业部，天津 塘沽 300452;4.中国石油长城钻探钻井液公司，辽宁 盘锦 124010)

长期的油井建设与油气开采经验表明，固井水泥环在外力作用下受损是导致封隔质量降低的主要原因。常规的解决方案有挤水泥，补注水泥或二次固井，但其成本极高，严重影响生产进度，且成功率十分有限［1－2］。低风险，低成本，且无需关井停产的水泥环自修复技术研究，成为近年来固井行业关注的热点［3－4］。

MgO是常用的微膨胀材料。其在水泥水化过程中与水反应可转变为体积更大的Mg(OH)2，抵消水泥环的体积收缩［5］。根据这一特点，可制备响应膨胀型的自修复剂，利用微膨胀的晶格扩张作用，修复水泥环损伤。然而，目前市售的单膨胀MgO响应速度过快，仅能在水泥水化反应早期反应，不能在水泥环受损后也同样发挥效果。因此，需对单膨胀MgO进行适当改进，使其部分钝化，避免在水泥水化早期全部反应，达到水泥环受损后再响应渗入水而释放膨胀应力的目的。

笔者曾用溶剂蒸发法制备了微胶囊型自修复剂和缓释膨胀剂，效果较好［6－7］。为避免使用有机溶剂，降低成本，现改用物理的方法改性膨胀剂，即高温煅烧镁盐，钝化其活性，再经复配得油井水泥自修复剂。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

菱镁盐M－1，南京科瑞玛科技有限公司;嘉华G级油井水泥，四川嘉华集团股份有限公司;微硅JM－1，成都嘉茂化工有限公司;酮醛缩合型分散剂SXY、改性纤维素型降失水剂SZ1－2，西南石大金牛石油科技有限公司;膨胀剂SWP－1，山东沃尔德油田技术有限公司。所用试剂均为工业品。

X’Pert MPD PRO型X－射线衍射仪，荷兰PANalytical公司;NYL－300型压力实验机，中国建材技术装备总公司;XTA－7000型岩心流动仪，江苏海安石油科研仪器有限公司;LX－88型高速离心机，江苏省金坛市医疗仪器厂;OWC－2250B型常压稠化仪，沈阳石油仪器研究所有限责任公司;马弗炉等。

1.2 自修复剂L－1的制备

1.2.1 二次微膨材料YT的制备

在养护釜中于90℃、常压下，用去离子水搅拌蒸煮菱镁盐12 h，待蒸煮的悬浊液冷却、离心和沉淀后，滤除上层液体，将剩余物用去离子水洗涤，于90℃烘干得到预处理微膨材料Y。取适量预处理微膨材料，分别于 750，800，850，900，950，1000℃煅烧，得到轻烧镁盐微膨材料YT(750～1000℃)，加入水泥浆，常压下于90℃养护1～28 d，测试线性膨胀率［8］。

1.2.2 自修复剂Lx的复配

根据1.2.1中的实验结果，按质量比为3∶7，5∶5和 7∶3复配微膨材料 Y800和 Y900，得自修复剂Lx，按照文献［9］方法测试造缝后继续养护相应龄期的抗压强度，得出最优的自修复剂配方。

1.3 自修复性能评价

渗透率参照文献［7］进行。刮取造缝养护7 d后水泥石人造裂缝表面的水泥粉末，用X射线衍射(XRD)分析其组成。

2 结果与讨论

2.1 自修复剂配方的优化

2.1.1 二次微膨材料YT的优选

按1.2.1 制得YT，加入水泥浆，其配方:嘉华G 级水泥 +5%WG+1.2%SXY+1.5%SZ1 －2+2%YT;水灰比:0.46，常压下于90℃养护1～28 d，测试线性膨胀率见表1。

表1 YT的线性膨胀率

由表1可见，YT的线性膨胀率受温度影响较大，随着温度逐渐升高，YT的活性逐渐钝化，Y750和Y800的活性较高，宜作为快速微膨材料。其余几种微膨材料膨胀率适中，且均是在3 d后解除钝化效果，可作为二次微膨材料。其原因是:随着温度升高，镁盐热分解形成的MgO立方晶格的晶格畸变变小，晶粒度变大，活性降低［10］。

自修复材料既需快速微膨提高早期强度，又需解除钝化二次膨胀时活性不可太低，综合考虑，复配选用Y800和Y900可得到比较理想的自修复剂。

2.1.2 自修复剂最优配方

不同质量比Y800和Y900复配，加入水泥浆，其配方为:嘉华G级水泥+5%WG+1.2%SXY+1.5%SZ1－2+2%(YT或 SWP－1);水灰比为0.46，常压下于90℃养护1～28 d，测试造缝后继续养护相应龄期的抗压强度，结果见表2。

表2 自修复剂对抗压强度的影响

由表2可见，不加微膨材料的净浆水泥石强度始终较低;加入膨胀剂SWP－1的水泥石在其早期膨胀作用下强度发育较快，但7 d后强度几乎不再增加;复配的YT由于二次微膨材料的内向作用，抗压强度在造缝后继续增加。调整YT的比例，可得到各种自修复剂。选用强度较高且强度发育均匀的Y2作自修复剂，代号L－1。

2.2 自修复性能评价

2.2.1 渗透率

由于L－1的二次微膨作用，造缝水泥石的裂缝出现受到挤压而部分闭合，渗透率明显降低。渗透率测试方法参照文献［7］进行，嘉华G级水 +5%WG+1.2%SXY+1.5%SZ1 － 2+2%(L－1或 SWP －1);水灰比为 0.46，常压下于90℃养护1～28 d，自修复剂对人造裂缝后水泥石渗透率的影响见表3。

表3 自修复剂对人造裂缝后水泥石渗透率的影响

由表3可见，净浆水泥石的渗透率始终＞100 mD，表明其裂缝无闭合现象;加入SWP－1的水泥石的裂缝仅仅在其早期膨胀性的作用下有轻微闭合;加入L－1的水泥石的渗透率在养护7 d后下降至67.94 mD，渗透率降低率超过30%，自修复效果较为显著。

2.2.2 用XRD分析其膨胀机理

加入不同自修复剂的水泥石造缝后水化反应产物的物相组成有一定差异。通过刮取造缝养护7 d后水泥石人造裂缝表面的水泥石粉末，用XRD分析其组成，可分析膨胀机制不同的原因。不同水泥石人造裂缝表面刮取的水泥粉末的XRD见图1～图2。

图1 加入SWP－1的水泥石XRD光谱

图2 加入自修复剂L－1的水泥石XRD光谱

由图1可见，其中只有Mg(OH)2，已无可提供膨胀应力的膨胀源;而图2中还有未反应的MgO存在，即为其产生自修复现象的原因。

3 结论

1)通过高温煅烧和复配，制备了油井水泥自修复剂 L －1，m(Y800)∶m(Y900)为5∶5，其自修复性能最好。

2)L－1通过二次微膨的内向作用，可挤压闭合微裂缝，降低水泥石渗透率。

3)XRD分析表明，钝化的MgO是产生自修复现象的原因。

［1］杨振杰，马成云，朱海涛，等.自修复固井前置液实验研究［J］.钻井液与完井液，2013，30(2):55 －58.

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