胶乳粉固井水泥浆体系研究与应用*

宋建建，许明标，王晓亮，张 敏，胡 顺，杜佳琪

（1.长江大学石油工程学院，湖北武汉 430100；2.非常规油气省部共建协同创新中心，湖北武汉 430100；3.油气钻采工程湖北省重点实验室，湖北武汉 430100；4.荆州嘉华科技有限公司，湖北荆州 434000）

随着页岩气等非常规油气勘探开发的进行，油气井的地质工程状况越来越复杂，多级压裂完井技术在非常规页岩层中的引入，使得井眼环境产生了较极端的压力循环，容易发生水泥环密封失效的问题［1-2］。尽管波特兰水泥以相对低的成本实现了较高的无围压抗压强度，但它是一种天然脆性材料，直接用于固井不能对油气井形成长期有效的封固［3］。

针对水泥浆封固作用在井筒中失效的风险，研究表明弹韧性水泥浆体系是保障固井质量和水泥环长期封隔能力的关键［4-5］。胶乳水泥浆是在常规水泥浆基础上，加入胶乳类聚合物材料形成的水泥浆体系。张弛等［6］使用DRT-100L胶乳液和DRT-100LT胶乳稳定剂构建的低温胶乳盐水水泥浆体系综合性能优良，硬化后的水泥石的弹性模量比原浆水泥石低，有助于提高水泥石抗冲击破坏的能力。高辉等［7］使用胶乳和稳定剂构建胶乳水泥浆体系，硬化后水泥石的渗透率低，弹性和抗拉强度高，抗冲击能力强。靳建洲等［8］使用丁苯胶乳BCT-800L 和稳定剂BCT-830L 配制出防气窜韧性胶乳水泥浆，该水泥浆体系常规性能较好，硬化后水泥石的韧性增强，弹性模量较低。Pavlock等［9］使用了胶乳构建水泥浆体系应用在海恩斯维尔页岩气固井作业中，与纯水泥浆相比，该胶乳水泥浆所形成水泥石的抗压强度略有下降，弹性模量降低，加入的胶乳类材料可提高水泥石的韧性，有助于增强固井长期封固稳定性，现场应用效果好。

目前，应用在固井水泥浆体系中的胶乳类材料主要以胶乳液为主，胶乳液受到机械力及高温环境的影响，体系内分子运动加快，容易发生破乳现象，因此常常需要辅以胶乳稳定剂才能较好地使用。此外，液体胶乳在使用过程中容易受到应用环境的影响导致浆体不稳定。为了开发性能稳定且优异的胶乳水泥浆体系，室内研究了固体胶乳粉及水泥浆体系关键添加剂材料，构建了胶乳粉水泥浆体系，研究了胶乳水泥浆体系的性能及微观结构，并报道了该胶乳粉水泥浆体系在页岩气开发现场的应用情况。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

G 级油井水泥，葛洲坝特种水泥厂；消泡剂CX66L、增强剂STR，膨胀剂BOND，荆州嘉华科技有限公司；分散剂DIP-S、降失水剂FLO-S、缓凝剂REM、固体胶乳粉，实验室自制。添加剂选择过程中的其它材料来自于市售产品。

TG-3060A 型恒速搅拌器，沈阳泰格石油仪器设备制造有限公司；ZNN-D6B 型电动六速黏度计，青岛海通达专用仪器有限公司；TG-8040DA型增压稠化仪，沈阳泰格石油仪器设备制造有限公司；TG-71 型高温高压失水仪，沈阳泰格石油仪器设备制造有限公司；HJJY-50 型液晶显示简支梁冲击试验机，承德市世鹏检测设备有限公司；HY-20080 型微机控制电子万能材料试验仪，上海衡翼精密仪器有限公司；YM-3型液体密度计，青岛海通达专用仪器有限公司；SU 8010 型冷场发射扫描电镜，日本Hitachi公司。

1.2 实验方法

（1）性能测试

水泥浆的配制和相关试验均依据国家标准GB 10238—2005《油井水泥》和GB/T 19139—2012《油井水泥试验方法》的相应规定进行，水泥浆水灰比为0.44。水泥浆流变性和失水量的测试温度均为90 ℃，稠化时间的测试条件为：温度90 ℃、压力45 MPa。将水泥石在90 ℃（或60 ℃）养护24 h，测试抗压强度、抗冲击强度、弹性模量和抗窜强度。

（2）微观形貌测试

将水泥石在90 ℃下养护24 h后压碎，选取其中表面较为规整的薄片终止水化，将试样放入烘箱内在60 ℃下恒温12 h，待样品冷却后，将其粘贴在试样台上，使用扫描电镜观察试样的微观形貌。

2 结果与讨论

2.1 关键添加剂对水泥体系性能的影响

2.1.1 胶乳粉的影响

固体胶乳粉是液态胶乳经处理后通过喷雾干燥的方式而获得的固体颗粒状胶乳粉末，当它与水混合时经过适当搅拌即可完全溶于水中，转化为稳定的乳液。胶乳粉加量对水泥体系性能的影响见表1和图1。胶乳粉掺入水泥浆中后，胶乳水泥浆不存在自由液，说明加入胶乳粉能提高水泥浆的稳定性。随着胶乳粉加量的增大，水泥浆的失水量下降，稠化时间缩短。胶乳粉具有一定的降失水能力，可在一定程度上降低水泥浆的滤失，因此使用胶乳粉构建水泥浆体系时需要添加合适的缓凝剂来调节稠化时间。加入胶乳粉可以降低水泥浆所形成水泥石的抗压强度和弹性模量，提高抗冲击强度，与空白水泥石相比，当胶乳粉掺量为3%时，所形成水泥石的抗压强度和弹性模量分别降低了9.8%和38.3%，而抗冲击强度提高了33.1%。这说明胶乳粉能显著提高水泥石的弹韧性，有助于提高水泥石抵抗外力破坏的能力。

表1 不同胶乳粉加量水泥浆的常规性能

图1 不同胶乳粉加量水泥石力学性能

2.1.2 分散剂的影响

在固井施工过程中，具有较好流变性的水泥浆的可泵性能好，能在低泵压下实现紊流顶替，提高固井质量。水泥浆在流动过程中需要破坏颗粒之间的黏结作用而使浆体产生运动［11-12］，通常来说，无添加剂的纯水泥浆流变性较差，较好的解决方法是外掺分散剂材料降低浆体结构与颗粒间的黏结力。室内研究了加量为0.5%的不同分散剂改善胶乳粉水泥浆流变性的效果，结果见表2。在相同加量情况下，不同的分散剂均能改善水泥浆的流变性，但是分散剂F56S 掺入胶乳粉水泥浆后，水泥浆出现了少量的自由液，水泥浆的稳定性降低。分散剂DIP-S 对流变性改善效果最大，且水泥浆无自由液产生。分散剂DIP-S 是一种阴离子表面活性剂，被加入水泥浆中后，阴离子大分子吸附在水泥颗粒表面正电荷位置上，使粒子表面带同性电荷而互相排斥，从而达到分散的目的。此外，相同电性的斥力作用可抑制颗粒聚集，使水泥浆体系处于相对稳定的悬浮状态。因此，在设计胶乳粉水泥浆时，使用分散剂DIP-S作为水泥浆分散剂。

表2 不同分散剂改善胶乳粉水泥浆流变性的效果

为进一步研究分散剂DIP-S对水泥浆性能的影响规律，室内评价了分散剂加量对水泥浆的流变性及稳定性的影响，实验结果见表3。从表3 可知，随着分散剂DIP-S 加量的增大，水泥浆流变性读数变小。分散剂DIP-S 能有效调节水泥浆的流变性，但是当分散剂加量大于0.6%时，水泥浆出现少量的自由液，引起浆体不稳定，因此，使用分散剂DIP-S 时需要控制其加量，在胶乳粉水泥浆中分散剂DIP-S加量以0.6%较合适。

表3 不同分散剂DIP-S加量水泥浆流变性

2.1.3 降失水剂的影响

若水泥浆没有进行降失水处理，其失水量通常较大。大量的水泥浆滤液进入地层会引起储层损害，降低地层的渗透率，影响油气井产量［13］。含有3%的不同降失水剂的水泥浆的失水量如表4所示。与空白胶乳粉水泥浆相比，掺入不同的降失水剂后的胶乳粉水泥浆滤失量均有不同程度的降低，其中降失水剂FLO-S对水泥浆的滤失量影响最大，能显著降低胶乳粉水泥浆的滤失量。其原因可能是由于FLO-S 是一种阴离子聚合物降失水剂，在水泥浆中分散后，一方面提高了水泥浆的黏度，增大了滤失阻力，使水泥浆不易脱水，另一方面聚合物分子链上的极性基团通过吸附、溶剂化等作用，使水泥颗粒桥接形成网状结构，束缚更多的自由水，并形成结构致密的滤饼，从而降低水泥浆的失水量。因此选择降失水剂FLO-S作为水泥浆合适的降失水剂。

表4 不同降失水剂下水泥浆的失水量

为进一步研究降失水剂FLO-S 对水泥浆性能的影响规律，室内评价了降失水剂加量对水泥浆性能的影响，实验结果见图2。由图2 可知，随着降失水剂FLO-S 加量的增大，水泥浆失水量下降明显。当降失水剂掺量大于2%时，水泥浆失水量小于50 mL，可满足气井固井要求。

图2 不同FLO-S加量对水泥浆失水量的影响

2.1.4 缓凝剂的影响

由于井况的差异，固井要求的稠化时间大多不尽相同，因此在进行水泥浆体系设计时需要根据现场施工的实际情况加入缓凝剂调节水泥浆的稠化时间［14］。向胶乳粉水泥浆中加入0.5%的不同缓凝剂，缓凝剂对水泥浆的缓凝效果见表5。不同的缓凝剂掺入水泥浆中均能延长水泥浆的稠化时间，其中缓凝剂REM 和缓凝剂HPA 对缓凝效果最明显，但是缓凝剂HPA的稠化转化时间较长，这对于气井固井作业是不利的。缓凝剂REM 在水泥浆中能吸附在水泥颗粒的表面，使水泥的溶解和水化速率降低，并通过络合作用与Ca2+形成络合物，降低溶液中Ca2+浓度，具有较好的缓凝效果，因此，选择缓凝剂REM作为胶乳粉水泥浆的缓凝剂。

表5 不同缓凝剂水泥浆的稠化时间

缓凝剂REM 加量对水泥浆稠化时间的影响见图3。从图3 可以看出，缓凝剂REM 能有效延长水泥浆的稠化时间，当REM加量为0.4%时，水泥浆的稠化时间达到203 min，满足固井施工的要求，但是过多的缓凝剂不利于固井施工作业。因此，缓凝剂REM应用在胶乳水泥浆中的适宜加量为0.4%～0.6%。

图3 缓凝剂REM加量对水泥浆稠化时间的影响

2.1.5 消泡剂的影响

水泥浆产生气泡是较复杂的物理化学变化。气泡在水泥浆中主要以连续可见地分散在水泥浆液面上和不连续地分散于水泥浆内部两种方式存在，造成施工时水泥浆稠度增加，密度降低［15-17］。胶乳粉水泥浆体系以聚合物作为弹韧性改性材料，因此水泥浆在配制过程中更易起泡。向胶乳粉水泥浆中加入1%的不同消泡剂，水泥浆的理论密度和实测密度如表6 所示。当不使用消泡剂时，胶乳粉水泥浆严重起泡，实测密度与理论密度差别较大；掺入消泡剂后均具有一定的消泡效果。配制理论密度为1.90 g/cm3的水泥浆，经普通消泡剂处理后的实测密度为1.83～1.87 g/cm3，而使用消泡剂CX66L配制的水泥浆实测密度为1.89 g/cm3。消泡剂CX66L具有较低的表面张力，在水泥浆中展开可排除泡沫膜表面的一层液体，同时在泡沫膜表面产生扰动，破坏膜的平衡，最终使泡沫破裂，迅速消泡。因此，胶乳粉水泥浆体系选用CX66L作为体系的消泡剂。

表6 加入1%的不同消泡剂后胶乳粉水泥浆的密度

2.2 胶乳粉水泥浆的综合性能

通过主要添加剂研究构建的胶乳粉水泥浆体系配方为：100% G 级水泥+44%淡水+3%胶乳粉+2%降失水剂FLO-S+0.4%缓凝剂REM+0.6%分散剂DIP-S+2%增强剂STR+1%膨胀剂BOND+1%消泡剂CX66L（密度1.9 g/cm3）。水泥浆的常规性能和养护24 h 后的水泥石的综合性能评价结果见表7。胶乳粉水泥浆在60 ℃和90 ℃条件下的流变性均较好，流性指数n大于0.5，稠度系数K小于0.7，且温度越高，水泥浆流变性越好。胶乳粉水泥浆在不同温度下的稠化时间和失水量均能满足固井要求，无自由液形成，浆体稳定。从力学性能方面来看，胶乳粉水泥浆在60 ℃和90 ℃条件下24 h的抗压强度都大于24 MPa，弹性模量较低，抗冲击强度高，水泥石具有良好的弹韧性。此外，胶乳粉水泥浆的抗窜强度较高。实验结果表明，胶乳粉水泥浆体系常规的施工性能较好，能较好地满足固井要求，且水泥浆力学性能好，弹韧性高。

表7 胶乳粉水泥浆体系性能

2.3 微观形貌

为研究胶乳粉水泥浆的微观结构，使用扫描电镜观察了构建的胶乳粉水泥浆所形成水泥石的微观形貌，并与空白水泥石微观形貌进行对比，实验结果见图4。

图4 空白水泥石（a）和胶乳粉水泥石（b）的扫描电镜图片

空白水泥石扫描电镜图片（见图4（a））中可观察到水泥石内部纤维状和网状的水化硅酸钙与片状的氢氧化钙存在，水化产物形貌清晰。胶乳粉水泥浆硬化后，胶乳形成的聚合物膜覆盖在水泥水化产物表面，并与水化产物相互穿插黏结形成一个整体（见图4（b））。当胶乳水泥石遭受外部载荷破坏时，在水泥石缺陷和微裂缝处的柔性聚合物膜可以分散水泥石内部的应力，增大了水泥石的形变能力和抗冲击能力，从而提高了水泥石的弹韧性和长期封固能力。

3 现场应用效果

以焦页某井为例，该井是重庆涪陵页岩气区块一口开发井，完钻井深5596 m，水平段长1701 m。固井水泥浆体系设计采用双凝防漏水泥浆体系有效封固裸眼井段，界面设计在3000 m。领浆水泥浆设计为防漏水泥浆，在领浆中加入碳纤维保证领浆通过漏层时具有一定的堵漏功能，降低漏失发生几率；封固0～3000 m（段长3000 m），要求水泥浆密度约1.85 g/cm3，稠化时间270～330 min，控制领浆滤失量小于100 mL。尾浆水泥浆设计为常规密度弹韧性胶乳粉水泥浆体系，保证安全高效封固水平段，提高固井质量；封固段为3000～5596 m（段长2596 m），要求水泥浆密度约1.88 g/cm3，稠化时间200～260 min，控制滤失量小于50 mL。固井作业过程中使用的胶乳粉水泥浆实测失水量46 mL，90 ℃养护24 h后的抗压强度达到26.1 MPa，稠化时间208 min，流变性满足顶替要求。固井作业完成后候凝72 h测声幅，固井质量合格率100%。

4 结论

胶乳粉掺入水泥浆中后对水泥浆的稳定性、失水量、稠化时间无不利影响，少量降低了水泥石抗压强度，显著提高了水泥石的弹韧性。

分散剂DIP-S、降失水剂FLO-S、缓凝剂REM和消泡剂CX66L在水泥浆中作用效果好，能较好地控制水泥浆的流变性、失水量、稠化时间，有效抑制水泥浆的起泡。

胶乳粉水泥浆在不同温度条件下的施工性能较好，能较好地满足固井要求。水泥浆具有一定的膨胀性，力学性能好，弹韧性高，封隔能力强，且水泥石内部形成聚合物膜，有助于提高聚合物水泥浆的弹韧性。

胶乳粉水泥浆体系在页岩气固井现场应用效果好，具有较好的推广应用价值。