胶乳水泥浆GWT-100L的研发与性能评价

魏继军

(中国石油集团长城钻探工程有限公司固井公司)

随着钻井技术的发展，为了更好地开发和最大程度地获取油气资源、降低生产成本，出现了大位移井、分支井、大斜度井、调整井和小井眼井等，这些井在钻井和开采过程中，既要求水泥浆具有良好的可施工性，同时又要求提高充填于地层和套管之间的封隔水泥环的力学性能质量。胶乳水泥浆是一类特殊的水泥浆体系，具有良好的抗冲击性能，改善成型水泥石质量，提高水泥石对外力的缓冲性能和抗开裂能力，较大程度地提高了水泥石的体积稳定性，有利于提高疑难复杂井的固井质量[1]。针对以上问题，研发了一种适用于油井水泥用的防窜增韧并具有良好抗温耐盐的胶乳GWT-100L，水泥浆综合性能优越，有助于提高固井质量。

一、实验准备

1. 实验材料

羧基丁苯胶乳JR-1、非离子表面活性剂FLZ-1、非离子表面活性剂FLZ-2、非离子表面活性剂FLZ-3、阴离子表面活性剂YLZ-1、AMPS类聚合物JS-1、硅氧共聚物YP-1、聚羧酸聚合物FS-1、抚顺G级水泥、抚顺G级加砂水泥、降失水剂GWF-200L、缓凝剂GWR-100L、消泡剂GWX-1L、抑泡剂GWX-2L。

2. 实验仪器

电子天平、泥浆搅拌器、恒温干燥箱、表面张力仪、酸度计、恒速搅拌器、增压稠化仪、静态失水仪、增压养护釜、压力试验机、六速旋转黏度计、超声波静胶凝强度抗压强度分析仪、气窜模拟分析仪、水泥石力学性能分析仪等。

3. 实验方法

按SH/T 1608-1995、SH/T 1151-1992、SH/T 1154-1992、SH/T 1152-1992、SH/T 1156-1992、SH/T 1150-1992分别测试胶乳的化学稳定性、机械稳定性、总固物质量分数、黏度、表面张力和pH值。

外加剂的加量按照水泥质量的百分数计算。各种外加剂直接配入水中,水灰比为0.44,试验水泥浆密度均为1.90 g/cm3，水泥浆配浆及性能试验按照API 10A标准进行。

二、物化性能

1.胶乳稳定剂的优选

在羧基丁苯胶乳里加入不同类型的表面活性剂，用20%的CaCl2溶液评价表面活性剂对羧基丁苯胶乳稳定性的影响，见表1。

表1 表面活性剂对羧基丁苯胶乳稳定性的影响

由表1看出，不加表面活性剂的胶乳在高钙离子浓度下是不稳定的，非离子表面活性剂FLZ-1对胶乳的稳定性无效果。非离子表面活性剂FLZ-2、FLZ-3和阴离子表面活性剂YLZ-1的加入可明显地提高胶乳的Ca2+稳定性,而且随着表面活性剂相对含量的提高,稳定性也提高了。将稳定后的胶乳加水稀释到适宜黏度后，其固相含量相应降低，但稳定性不受影响。

由表1看出配方10、配方11、配方12不仅稳定性好，其黏度和固相含量都较低，因此初步按照配方10、配方11、配方12来确定表面活性剂。

2. 胶乳水泥浆的稳定性

将配方10定为A液，配方11定为B液，配方12定为C液，使用增压稠化仪在不同温度下，依据胶乳水泥浆稠化影响确定最终胶乳配方，结果见表2。胶乳水泥浆基本配方：G+15%胶乳+0.02%GWX-1L+0.5%GWX-2L+39%水。

表2 胶乳水泥浆的稠化稳定性

由表2看出，助剂FS-1可以降低水泥浆初始稠度，JS-1对缩短过渡时间有积极作用。使用A液配方时，当温度升至75℃，水泥浆增稠迅速，稠化曲线不平稳；使用B液配方时，当温度升至120℃，水泥浆增稠迅速，稠化曲线不平稳；使用C液配方，实验温度从低温45℃至高温120℃，各温度段的稠化曲线平稳，过渡时间短。

分析其原因，为了在温度高于90℃环境中使用，采用浊点较高的非离子型表面活性剂FLZ-3，其浊点大于100℃。阴离子表面活性剂YLZ-1分子结构中含有C5-C14的烷基及其同分异构体增强了与羧基丁苯胶乳的匹配性和两种非离子表面活性剂相互之间的配伍性；同时，阴离子表面活性剂YLZ-1分子结构中含有的-C6H5可以增加其本身稳定性，引入的强亲水基团-SO3可以分布在胶粒表面，保证胶乳和无机类化合物的配伍性,提高胶乳的耐温抗盐能力[3]。通过大量实验和综合考虑各个因素，确定胶乳GWT-100 L的配方为: 100%JR-1+10%FLZ-2+10%FLZ-3+2.5%YLZ-1+5%FS-1+5%JS-1+0.002%YP-1+120%水。

三、GWT-100L胶乳水泥浆性能及应用

基本配方为：FSG+0～35%GWY-500S+5%～15%GWT-100 L+2%～3%GWF-200 L+0.1%～1%GWR-100 L+0.5%GWX-2L+0.2%GWX-1L+23%～36%水。

1.稠化性能

实验按照基本配方考察了不同的胶乳加量对水泥浆稠化性能的影响，结果见图1。

由图1可知，随GWT-100L加量的增大，稠化时间相应增加。温度在45℃～90℃范围内，GWT-100L加量每增加5%，稠化时间延长；温度在105℃～120℃范围内，GWT-100L加量增加，稠化时间变化不大；这是由于加入的胶乳稳定剂具有延长稠化时间的作用，当温度升高到一定值后，这种作用将会被削弱。同时，加入GWT-100L后的水泥浆在整个稠化过程中，稠度值基本稳定在10 Bc左右，且水泥浆过渡时间短，形成“直角稠化”。在羧基丁苯胶乳中加入稳定剂后，大量稳定剂能够对胶乳颗粒形成一层较好的保护隔离膜，在水泥颗粒与胶乳颗粒间进行填充、隔离[4]。

图1 GWT-100L对稠化时间的影响

2. 防窜性能

图2为胶乳水泥浆的静胶凝强度发展曲线。由实验得知，GWT-100L胶乳水泥浆的静胶凝强度发展时间为10 min，具有良好的防气窜性能。

图2 52℃胶乳水泥浆静胶凝强度发展曲线

利用7150型气窜模拟分析仪进行胶乳水泥浆防气窜性能室内实验，可以看出,当孔隙压力降至注入压力时,采集到的气窜量几乎为零,说明GWT-100L胶乳水泥浆体系具有良好的防气窜性能。

以上实验表明GWT-100 L胶乳水泥浆体系具有良好的防气窜性能，这是因为，胶乳水泥浆的低失水特性能保证水泥颗粒充分水化,有助于水泥孔隙结构的发育,增大环空的抗渗阻力；在水泥浆失重时，胶乳水泥浆胶凝强度迅速发展，环空的抗渗阻力迅速增大，正是由于环空抗渗阻力的增大，阻止了气体侵入水泥浆[5]。

3. 水泥石性能

将不同胶乳加量的水泥浆在60℃条件养护24 h后，分别使用压力试验机和水泥石机械性能分析仪测定水泥石的抗压强度和弹性模量，测试数据见表3。结果表明，水泥石的抗压强度和弹性模量均随着胶乳的加量增大而降低，结果表明掺有胶乳GWT-100 L的胶乳水泥石具有较好的韧性。

表3 水泥石抗压强度与弹性模量

胶乳水泥浆中，胶乳作为分散相大量分散在水泥浆中，影响水泥整个水化过程的微观机理，改善水泥石的性能。这是因为，胶乳的聚合物大分子链节可以自由旋转运动，使聚合物具有弹性和缩性，当水泥和胶乳混合时，聚合物胶粒即分散于水泥浆中[6]。研究结果表明，胶乳水泥浆体系水泥水化过程中，胶乳和水泥形成复合结构的过程分三个步骤：

(1)胶乳与水泥混合后，胶粒即分散在水泥浆中，随着水泥水化的进行，胶粒将部分地附着在水化水泥的表面。

(2)随着水泥水化凝胶结构的发育，胶乳中胶粒被封闭于毛细空隙中，当水泥进一步水化，毛细空隙中水份逐渐减少，胶粒就聚集在水化水泥颗粒表面并形成连续的薄膜，同时在水化凝胶较大的空隙中也充满了胶粒。

(3)随着水泥水化反应的进行，更多的水被消耗掉，在水化产物表面积聚的胶粒形成连续薄膜并和水化产物连接在一起，从而形成一种有聚合物和水化产物互相渗透复合的网状结构[7]。

同时，由于胶乳在水泥微缝隙间形成桥接并抑制了缝隙的发展从而增强了水泥石的弹性，提高了抗冲击性能，水泥石渗透率降低，提高了抗腐蚀的能力[8]。

4. 胶乳水泥浆综合性能

考虑水泥浆综合性能，确定胶乳GWT-100 L的加量范围在5%～15%，室内评价了5%胶乳加量的水泥浆在不同温度下的综合性能，见表4。

表4 不同温度下胶乳水泥浆的综合性能

由表4可知，GWT-100 L胶乳水泥浆具有稠化时间可调、过渡时间短、稠化曲线呈“直角”、失水量低、流变性能优越、游离液低、防气窜、水泥石抗压强度高、韧性好等优点。

5. 胶乳水泥浆体系现场应用

该胶乳水泥浆体系研发至今，在辽河油田、长庆苏里格气田、委内瑞拉东部气田已成功实施固井作业50余井次，固井24 h后进行固井质量检测，声幅显示固井质量一次合格率100%，有效解决了各油气田油气水窜的技术难题。

四、结论

(1)非离子表面活性剂和阴离子表面活性剂可以作为羧基丁苯胶乳的稳定剂，保证胶乳在受到极性离子的干扰、剧烈的机械搅拌或者较大的温度变化时能够稳定，不絮凝，不破乳。

(2)羧基丁苯胶乳中加入合适的稳定剂及其他助剂后，可以作为油井水泥外加剂，配合使用其他外加剂，即可配制出性能优越的胶乳水泥浆。

(3)胶乳水泥浆体系可显著降低水泥浆的失水量，提高水泥浆的流变性能，控制水泥浆的稠化时间，稠化曲线呈“直角”，具有防气窜和韧性性能，胶乳水泥浆综合性能满足固井要求。

[1]路俊刚, 郭小阳, 杨香艳, 等. 胶乳水泥体系的室内研究[J]. 西部探矿工程,2006,118(2): 78-80.

[2]张小红, 杨远光, 朱达江. 羧基丁苯胶乳在水泥浆中的分散稳定性研究[J]. 石油天然气学报(江汉石油学院报), 2010, 32(1):296-299.

[3]曲淑英. 丁苯胶乳在含Ca2+水泥浆体中的稳定性研究[J]. 烟台大学学报(自然科学与工程版), 1997,10(3): 222-225.

[4]李文建, 姚晓, 王太聪. 国外胶乳水泥固井技术[J]. 石油钻探技术, 1997, 25(2): 34-36.

[5]丁士东, 张卫东. 国内外防气窜固井技术[J]. 石油钻探技术, 2002, 30(5): 35-38.

[6]靳建洲, 孙富全, 侯薇, 等. 胶乳水泥浆体系研究及应用[J]. 钻井液与完井液, 2006, 23(2): 37-40.

[7]关富佳, 李云波, 黄志文. 丁苯胶乳水泥浆室内研究[J].海洋石油, 2003, 23(4): 83-86.

[8]刘崇建, 黄柏宗. 油气井注水泥浆理论与应用[M]. 北京: 石油工业出版社, 2001.