一种韧性自修复固井水泥浆体系研究

夏忠跃， 解健程， 范志坤， 贾 佳， 郭建东

（中海油能源发展股份有限公司 山西分公司，山西 晋中030600）

引 言

油气井开发过程中，由于后续增产施工作业及井筒环境变化等因素的影响，常常会使水泥石形成微裂缝，完整性受到破坏，导致水泥环丧失封隔能力，出现环空带压。韧性自修复水泥浆能够自动修复微间隙，有效避免水泥环开裂，同时能够有效缓解后续压裂射孔作业对水泥石的破坏，保证固井屏障长期的稳定性[1]，避免环空带压的出现。因此，开发高效的韧性自修复水泥浆体系对于油气井生产有重大的实际意义。

自修复材料作为水泥浆体系的一个重点，在选材方面，应以具有修复性能且不影响水泥浆其他性能为前提，其次，自修复材料与固井水泥配伍性好，能够经受井底复杂环境的长期侵蚀；最重要的特性是水泥环形成裂缝能自我修复[2]。增韧材料在加入水泥浆后可以改善水泥石的力学性能，达到提高水泥石韧性和防止水泥石破裂的效果，在一定程度上保证了水泥石受外力作用下的完整性。

基于韧性自修复水泥浆体系的特点，在室内筛选出了合适的添加剂，构建了具有裂缝自我修复性能的水泥浆体系，并对水泥浆体系性能进行了评价。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

G 级油井水泥，三峡水泥厂；减阻剂QJC、降滤失剂CGJ-1、缓凝剂HS-X、胶乳粉、自修复剂GQF-1，荆州嘉华科技有限公司。

1.2 实验方法

岩心的制作及渗透率的测定参照SY/T5336-2006《岩心分析方法》；水泥浆性能的评价参照GB/T 19139-2012《油井水泥试验方法》。

2 韧性自修复固井水泥浆体系材料优选

2.1 减阻剂的优选

固井水泥浆是一种以水泥颗粒为分散相，水为连续相的高浓度固相颗粒悬浮液，水泥浆减阻剂是通过调节水泥颗粒表面电荷，改变水泥浆的内部结构，达到调节流变性的目的[3]，水泥浆流变性直接关系到现场泵送。为了选择合适的水泥浆减阻剂，在室内进行了筛选，结果见表1。

从表1 结果可知减阻剂QJC 加入到水泥浆后，水泥浆失水最小，对水泥浆稠化性能及流变性调节较好，与其他几种减阻剂相比，显现出较好的综合性能，故水泥浆体系选用QJC 作为减阻剂。

表1 减阻剂的筛选Table 1 The selection of drag reducer

在室内开展了不同减阻剂QJC 的加量对水泥浆性能影响的评价实验，评价结果见表2。

表2 QJC 加量对水泥浆性能影响Table 2 The effect of QJC dosage on the properties of cement slurry

从表2 可知水泥浆的流变性随着减阻剂加量的增加而变稀，但加量超过0.75%，水泥浆出现沉降，失水量大幅增大，考虑到水泥浆的稳定性，减阻剂的加量控制在0.5%。

2.2 降滤失剂的优选

水泥浆滤液进入地层极易伤害储层，失水过大还可能出现气窜，使施工变复杂[4]。为了优选出合适的降滤失剂，在室内评价了不同降滤失剂对水泥浆性能的影响，实验温度70℃，评价结果见表3。

表3 降滤失剂的筛选Table 3 The selection of fluid loss reducer

从表3 看出，采用降滤失剂CGJ-1 所配置的水泥浆，对水泥浆的失水控制性最好；而且浆体的沉降稳定性较好，适合现场施工。

为确定降滤失剂CGJ-1 在水泥浆体系中的最优加量，在室内开展了不同CGJ-1 加量对水泥浆失水性能的影响实验，实验结果见图1。

图1 CGJ-1 对水泥浆失水性能的影响Fig.1 The effect of CGJ-1 on water loss performance of cement slurry

从图1 看出，降滤失剂CGJ-1 可以很好地控制水泥浆的失水量。但在配制水泥浆过程中发现，随着CGJ-1 的加量增大，水泥浆会变稠，当加量超过4.5%时，水泥浆流动性变差，影响正常泵送。综合考虑，当CGJ-1 加量在3%时，对水泥浆性能最有利。

2.3 缓凝剂的优选

稠化时间是水泥浆极其重要的性能，它关系到固井施工的安全。缓凝剂主要起到调节水泥浆稠化时间的功能[5]。室内评价了几种不同缓凝剂对水泥浆稠化性能的影响，稠化实验条件：70℃×32MPa，评价结果见表4。

稠化曲线可作为缓凝剂选择的重要参考[6]，稠化曲线波动大，可能是水泥浆出现“包心”，反应到现场施工，可能会使注水泥或候凝过程中，水泥浆突然变稠，引起井筒压力系统变化，形成窜槽或“灌香肠”。从表4 可知，代号为HS-X 的缓凝剂对水泥浆的稠化性能调节较好，故水泥浆体系选取HS-X 为缓凝剂。

表4 缓凝剂的筛选Table 4 The selection of retarder

还在室内对不同缓凝剂加量下水泥浆稠化性能进行了评价，评价结果见图2。

图2 HS-X 加量对水泥浆性能影响Fig.2 The effect of HS-X dosage on the properties of cement slurry

从图2 可知，水泥浆稠化时间随缓凝剂加量的增加逐步延长，缓凝剂缓凝效果稳定，水泥浆稠化时间可调，水泥浆稠化转化时间满足固井施工要求，现场施工可以按实际情况调整缓凝剂的用量。

2.4 增韧剂的优选

目前较广泛应用于固井水泥浆的增韧材料主要有纤维、胶乳、弹性颗粒[7]。在水泥浆体中加入弹性颗粒，可阻止微裂隙的延展，提高水泥石的抗冲击性能；在水泥浆体中加入纤维，可屏蔽裂纹应力场，提高水泥石的断裂韧性。在水泥浆中加入胶乳后，水泥石在受到外部不同作用力的情况下，即使其本体出现开裂，胶乳颗粒可在开裂处承受一定的拉应力，使水泥石有一定的延展性，表现出一定的韧性。

为了提高水泥石的韧性，室内选取纤维、液体胶乳以及胶乳粉作为增韧剂，并对水泥石的力学性能进行评价。抗压强度养护条件：70℃×24h；其他水泥石力学实验养护条件：70℃×24h，评价结果见表5。

表5 增韧剂的筛选Table 5 The selection of toughening agent

从表5 看出水泥浆中增韧材料的掺入导致水泥石抗压强度下降，但仍满足固井作业要求，而其他力学性能都有提升。对比加入纤维、液体胶乳、胶乳粉三种增韧材料的水泥石，掺入纤维的水泥石，表现出极佳的抗冲击强度及抗压强度，但弹性模量较大，水泥浆增稠明显；加入液体胶乳的水泥浆流变性较好，但抗压强度最低；加入胶乳粉后，水泥石的抗拉伸强度及弹性模量最佳，其他性能较好，综合考量，胶乳粉对水泥浆力学性能提升最佳。

为了明确胶乳粉最优加量，在室内进行了加量评价，评价结果见表6。

表6 胶乳加量对水泥石性能的影响Table 6 The effect of latex dosage on the properties of cement slurry

由表6 可知，水泥石的抗压强度随胶乳粉加量的增大有下降的趋势，但仍能达到固井标准要求[8]，而随着胶乳粉加量的增加，水泥石的抗冲击强度和抗拉强度都随之增大，弹性模量降低，水泥石显现出好的强度及韧性。当胶乳粉加量超过20%时，水泥石的抗压强度大幅度降低，抗冲击强度与弹性模量性能的提升不明显。

2.5 自修复剂的优选

2.5.1 自修复性能评价方法

油气行业现阶段并没有评价水泥石自修复能力的方法及标准，通过调研，可以采用测定水泥石渗透率的方法来确定水泥石的自修复能力。具体步骤为：1）利用水泥浆制备渗透率实验的岩心；2）测定水泥石初始渗透率K1；3）造缝，以制备岩心的水泥浆配方的抗压强度为基准，将岩心施加水泥石抗压强度的25%进行造缝；4）测定造缝岩心的渗透率K2，然后将岩心放入以液化石油气为养护介质的养护装置中养护一定时间，测试养护后的岩心渗透率K3；5）利用公式[（K2—K3）/（K2—K1）]×100%计算水泥石的自修复率。若K2小于K3，则说明水泥石具有自修复功能；若K2等于K3，则说明水泥石无自修复功能。如果水泥石的自修复率大于70%，则认为该水泥石自修复性能较好[9～10]。

2.5.2 自修复剂筛选

自修复剂作为自修复水泥浆的重点，应具有以下特征：1）遇到井底流体会发生膨胀，自我修复水泥石裂缝；2）与其他外加剂相容性好；3）不会对水泥浆其他性能有大幅度影响[11]。

室内根据自修复剂的特性，挑选了部分样品，并进行了相关性能的评价，结果见表7。

表7 自修复剂的筛选Table 7 The selection of self-repairing agent

从表7 可知，自修复性能较好的是PXQ-5 和GQF-1，而PXQ-5 配置的水泥浆浆体较稠，体系中选GQF-1 为自修复剂。

为了弄清不同加量下GQF-1 水泥浆性能的评价，室内进行了系统的评价，实验温度70℃，评价结果见表8。

表8 GQF-1 加量对水泥浆性能的影响Table 8 The effect of GQF-1 dosage on the properties of cement slurry

从表8 可知，水泥石的渗透率及强度随GQF-1加量的增加而升高，当GQF-1 加量超过4%之后，水泥石的强度及渗透率提升幅度不大，可以确定GQF-1 加量为4%。

3 自修复水泥浆体系性能评价

通过上述一系列的实验，构建了一套常规密度韧性自修复水泥浆配方：三峡G 级水泥+45%淡水+3%降滤失剂CGJ-1+0.5%减阻剂QJC+0.5%缓凝剂HS-X+0.5%消泡剂+20%胶乳粉+4%自修复剂GQF-1。

在室内针对研究的韧性自修复水泥浆体系，在不同温度下对水泥浆体系常规性能进行了评价，实验结果见表9，自修复能力评价见图3。

从表9 可知，构建的韧性自修复固井水泥浆在不同的温度水泥浆流变性能好且失水量小于50mL；水泥浆稠化时间随温度升高而降低，不存在反转；此外水泥浆沉降稳定性较好，水泥石弹性模量小于6GPa，显现出较好的韧性；实验结果表明，韧性自修复固井水泥浆施工性能好，水泥石韧性好，失水量低，稠化时间可调，常规性能满足固井施工的需要。

表9 水泥浆体系常规性能Table 9 The conventional performances of cement slurry system

图3 水泥石自修复性能评价Fig.3 The evaluation of self-repairing performance of cement paste

从图3 看出，加入自修复剂的水泥石岩心的渗透率自修复率明显比不加自修复剂的水泥石岩心的渗透率自修复率要高。养护36h 后，加入自修复剂的水泥石的自修复率大幅度提高；养护60h 后，加入自修复剂的水泥石渗透率自修复率达到80%左右，表明水泥石可以实现自我修复。

4 结 论

（1）优选的减阻剂、降滤失剂、缓凝剂能提高水泥浆流变性，降低水泥浆失水量，延长稠化时间。

（2）研究的增韧剂能显著提升水泥石的韧性；自修复剂能够很好修复水泥石裂缝，降低油气井环空带压。

（3）构建的韧性自修复固井水泥浆体系具有良好的流变性和稳定性，水泥石韧性好，稠化时间可调；同时，水泥石的60h 渗透率自修复率达到80%，可以实现自我修复。