丁苯聚合物超细水泥的研究与应用

何 磊

（大港油田石油工程研究院，天津 300280）

在油气田开发过程中，由于层间地质情况的差异，普通的水泥浆固化后水泥石的孔隙大，油气可能通过这些孔隙上窜，同时普通水泥石韧性差，在射孔及地层应力等外应力的作用下容易破裂，形成油气上窜的通道，严重影响油气井的正常生产[1，2]。超细水泥固化后水泥石的结构相对比较致密，孔隙较小，超细水泥的防气窜性能应好于普通水泥，但由于超细水泥的韧性与普通水泥一致，在外应力作用下容易发生破裂。提高超细水泥的韧性，防止超细水泥石在外力的作用下破裂，能显著提高超细水泥石的抗气窜性能。实验研究发现，在水泥浆中加入一定量的丁苯聚合物可提高水泥石的韧性，提高水泥石的防气窜性能[3]。本文研究了丁苯聚合物与超细水泥的配伍性，并对配伍性能好的配方进行性能评价，实验证明，丁苯聚合物超细水泥具有优良的性能，弥补了超细水泥性能上的不足，并成功应用于现场。

1 配伍性评价实验

经过前期的配伍实验，优选了性能较好的丁苯聚合物，将优选出的丁苯聚合物与超细水泥进行配伍实验，结果如下。

在室温下，保持水灰比为2，稳定剂相对丁苯聚合物的含量保持15 %不变的情况下，对中温缓凝剂、分散剂、丁苯聚合物等3 组因素从3 个不同的水平采用正交实验来优化，设计了L9（33）正交表，根据以上的条件，制得正交实验因素水平表（见表1、表2）。

表1 正交实验因素水平表

表2 正交实验结果

由正交实验结果可知，第4、6 号实验结果较好，配制后6 h 内流动性好，24 h 固化，既能保证充足的安全施工时间，又能在合适的时间内凝固，保证施工的效果。为了进一步优选出最优的实验配方，对第4、6 号实验的水泥石进行了抗压强度和抗折强度实验，结果（见表3）。

表3 抗压强度和抗折强度实验

由抗压强度和抗折强度实验结果可知，4 号抗折强度要显著高于6 号，虽然随着丁苯聚合物含量的上升，抗压强度有些许下降，但抗压强度降幅较小，能满足现场的需要，所以4 号配方是最优配方。

通过配伍性实验可知，丁苯聚合物与超细水泥之间的配伍性较好，在此基础上，对丁苯聚合物超细水泥的性能进行评价。

2 丁苯聚合物超细水泥性能评价

配伍实验优选出丁苯聚合物超细水泥的配方，对普通油井水泥、超细水泥、丁苯聚合物超细水泥的性能进行评价。

2.1 稠化性能评价

稠化性能是评价水泥浆的一个重要指标，由于温度、压力和地层应力的影响，丁苯聚合物在水泥浆中失稳，导致丁苯聚合物在超细水泥浆中发生破乳，超细水泥浆的稠化性能受影响。80 ℃时丁苯聚合物超细水泥的稠化曲线[3，4]（见图1）。

从图1 稠化曲线可以看出，丁苯聚合物超细水泥浆的初始稠度低，在360 min 内，稠度小，流动性能较好，能满足现场对安全施工的要求。360 min 后，水泥浆开始稠化，稠化较快，24 h 能最终固化。丁苯聚合物超细水泥浆的稠化性能优异，能满足现场施工的要求。

图1 稠化曲线

2.2 抗压强度评价

抗压强度是评价固井水泥石的一个重要指标，水泥浆凝固后形成水泥环，分隔地层，保护套管。80 ℃条件下，油井水泥、超细水泥、丁苯聚合物超细水泥凝固后的水泥石的抗压强度曲线（见图2）。

从抗压强度曲线可知，抗压强度的顺序为：超细水泥>丁苯聚合物超细水泥>油井水泥，丁苯聚合物超细水泥的抗压强度小于超细水泥，但是丁苯聚合物超细水泥的抗压强度仍高达40 MPa，完全能满足现场对水泥抗压强度的要求。

图2 抗压强度曲线

2.3 抗折强度评价

固井水泥石在外力反复作用下发生破裂，这就需要固井水泥石具有良好的柔韧性。抗折强度是评价固井水泥石柔韧性的一个重要指标，抗折强度越大，固井水泥石的柔韧性越好[5，6]（见图3）。

图3 抗折强度对比实验

从抗折强度对比实验可知，抗折强度的顺序为：丁苯聚合物超细水泥>超细水泥>油井水泥，所以丁苯聚合物超细水泥的韧性最好，丁苯聚合物增强了固井水泥石的变形能力和柔韧性，降低了弹性模量，增强了固井水泥石抵抗外应力破坏的能力。

2.4 防气窜性能评价

图4 静胶凝强度曲线

固井水泥浆在候凝时，胶凝强度为45 Pa～230 Pa时，易发生气窜，此阶段的时间越短，越不容易发生气窜。为了评价丁苯聚合物超细水泥的防气窜性能，在80 ℃时，对丁苯聚合物超细水泥浆的静胶凝强度进行测试[7，8]（见图4）。

从图4 中可以看出，丁苯聚合物超细水泥浆的静胶凝强度跨过45 Pa～230 Pa 所需时间短，所以在候凝时，丁苯聚合物超细水泥浆可有效防止气窜。

2.5 X 射线衍射

为了分析丁苯聚合物在超细水泥浆凝固过程中所起的作用，对油井水泥、超细水泥、丁苯聚合物超细水泥石分别进行了SEM 微观分析。结果显示，油井水泥石存在较大的孔隙。超细水泥石存在较小的孔隙。丁苯聚合物均匀分布在超细水泥石中，在超细水泥凝固过程中，丁苯聚合物充填了超细水泥凝固过程中所形成的孔隙，同时覆盖在超细水泥水化物的表面，减少了超细水泥石内部的孔隙，丁苯聚合物所形成的薄膜密实，韧性好，改善了超细水泥石的力学性能[1，7，8]。

3 现场试验

港东油田某油井，由于固井质量不佳，形成了窜流通道，含水率达到99.3 %。2017 年采用丁苯聚合物超细水泥对油水井间窜流通道进行封堵，堵剂用量13 m3，最高施工压力9 MPa。措施后油井恢复正常采油，含水率降至73 %，成功封堵了窜槽。

4 结论

室内实验标明丁苯聚合物与超细水泥有较好的配伍性能。性能评价实验表明，丁苯聚合物超细水泥浆的稠化性能优异，能保证安全施工，其凝固后的水泥石抗压强度高，抗折强度要明显高于普通水泥石和超细水泥石。防气窜实验表明，候凝时，丁苯聚合物超细水泥浆可阻止气窜发生。X 射线衍射实验表明，丁苯聚合物超细水泥石的孔隙要明显少于普通水泥和超细水泥。