稠油热采井固井耐高温弹性增韧剂的性能研究

凌伟汉

（中海油服采办共享中心深圳分中心，广东深圳 518120）

稠油热采井水泥环与套管在井下受限空间内同时受到往复式受热膨胀、降温收缩的相互影响，极易出现水泥环密封失效的问题[1-2]。从成本角度考虑，国内外很多使用硅酸盐水泥协同硅粉克服水泥石高温条件下强度的衰退，这种方法虽然保证了水泥石高温的强度，在很多热采井现场作业中，长期的蒸汽注入水泥环依旧受到破坏[3-5]。国外研究者通过研究认为耐高温水泥石在高温下破坏的原因是水泥石的韧性不足，由于水泥石与套管材料的热膨胀系数不一致，导致在反复加热和冷却的过程中，水泥石周期性地受到热剪切应力的作用，从而导致破坏[6-9]。因此，研究者提出了提高热采井水泥石弹性的要求，并通过在水泥浆配方中加入韧性材料来提高水泥石的韧性，且通过现场实践取得了较好的效果。目前，国内对热采井水泥石的研究主要集中在耐高温水泥浆体系的研究；虽然也有学者开展了弹性水泥石的研究，但是这方面的研究大多集中在常规井温条件下，采用韧性材料能承受的高温低于200 ℃，不能满足热采井高温弹性水泥石的要求[10]。因此，室内针对不同弹性增韧材料展开了研究，优选了抗高温达350 ℃的高温弹性增韧剂（TBJ-1），该材料加入到水泥浆中不仅强度不发生衰退，使水泥石具有良好的抗冲击能力和弹韧性，确保了水泥石在高低温交替作用下的界面胶结强度，保证了热采井固井水泥环的长期完整性。

1 热采井弹性增韧剂优选研究

1.1 弹性增韧材料要求

在热采井中，周期性注蒸汽井的温度在150 ℃以上，最高温度可达350 ℃，当套管内的压力和温度升高时，较高的拉伸应力有可能导致水泥石拉伸开裂，导致水泥石失效[6，11]。水泥石韧性通常说的是在地层和外力作用于水泥环时表现出最大抗折能力，提高油井水泥石的韧性，有利于减缓应力集中[12]，当水泥石韧性越好，抗折强度和拉伸强度越高。对于高低温交替作用的热采井，除了有韧性外，水泥石杨氏模量低能够减少诱导应力，因此，需要提高水泥的弹性特征，在受到外部机械作用时增加水泥石的形变能力，保证热采井作业固井的长期完整性。

1.2 不同弹性增韧材料耐高温性评价

为了提高水泥石的弹性，一般选择在水泥浆体系中添加弹性增韧材料，常用的弹性增韧材料有胶乳粉、橡胶粉等，可是这两类弹性增韧材料耐高温有限，在稠油热采井高温条件下会发生降解。为了防止弹性增韧材料在高温下降解，国外有学者采用了耐高温树脂粉聚醚醚酮（MT）作为耐高温弹性增韧材料，但是该材料价格高，类似的研究在国内很少。实验室通过筛选研究发现，柔性石墨粉与碳纤维按质量比3∶1 复配混合，在混合液中同时加入聚合物乳液，然后超声震荡分散均匀，再在60～80 ℃恒温养护2 h 后，加温至200 ℃后冷却合成了一种高温弹性增韧剂（TBJ-1），该材料具有很好的耐高温性能，并能够有效地增加稠油热采井固井水泥石的弹性和韧性。为了考察四种材料的耐高温性能，采用差示扫描量热仪（DSC）对四种材料进行了分析，从分析结果可以看出，胶乳粉和橡胶粉的热分解温度均在300 ℃以下，而MT 以及TBJ-1 分解温度均在300 ℃以上。因此，MT 和TBJ-1 满足稠油热采井高温固井作业需求。

1.3 不同弹性增韧材料对水泥石力学性能的影响

为了进一步分析高温条件下，MT 和TBJ-1 对水泥石力学性能的影响，分别将加有MT 和TBJ-1 的水泥石在350 ℃条件下养护7 d 后，对水泥石的力学性能进行了检测，实验结果见表1。

表1 加入弹性增韧材料水泥石高温养护后抗压强度和抗冲击强度数据分析

从表1 可以看出，加有MT 和TBJ-1 的水泥石在高温养护后，水泥石抗压强度和抗冲击强度得到明显提高，但是TBJ-1 力学性能明显优于MT。另外，MT 成本高，其在现场的应用会受到较大的限制，所以室内选择TBJ-1，该材料具有惰性及耐高温的特点，完全能够满足油井热采过程苛刻的温度和力学要求。

2 TBJ-1 对水泥浆性能的影响

2.1 TBJ-1 对水泥浆常规性能影响评价

在水泥浆注入井底的时候，首先经历顶部的低温段，稠油热采井使用的水泥浆温度范围在30～90 ℃，因此，室内在80 ℃环境下对不同TBJ-1 加量的水泥浆性能进行了评价（表2）。

表2 TBJ-1 加量对水泥浆性能的影响

从表2 实验结果可以看出，随着TBJ-1 加量的增加，浆体稠化时间呈增加趋势，API 失水量变化极小，均小于50 mL，抗压强度先增大后减小，但加入了弹性增韧材料的水泥石抗压强度整体是增大的，说明该TBJ-1 主链中含有苯环，因其空间位阻较大，使聚合物主链具有刚性，不会降低水泥石的抗压强度。当TBJ-1加量为0.2%时，水泥石的抗压强度增大了60%，抗冲击强度逐渐增大，增大了49%，水泥浆的综合性能能够满足要求。

2.2 TBJ-1 对水泥石弹性性能评价

在冲击载荷外力作用下油井水泥石会发生破裂，主要是水泥石发生形变和断裂两个过程引起的，可以用弹性模量E 来表征材料在弹性范围内抵抗变形的难易程度，弹性模量越低，说明在弹性变形范围内，材料具有可恢复变形能力越大。因此，室内开展了不同TBJ-1 加量的弹性性能评价，见图1。

图1 不同TBJ-1 加量的弹性性能评价

从图1 可以看出，随着TBJ-1 加量的增大，水泥石弹性模量逐渐降低，当加入0.2%～0.3%的TBJ-1，水泥石弹性模量在4 000 MPa 以下，满足耐高温的要求，在高温下仍能赋予水泥石足够的弹性。综合上述TBJ-1水泥石各项性能评价，推荐TBJ-1 加量为0.2%，稠油热采井水泥石性能最好。

2.3 加入TBJ-1 的水泥石在长期高温养护下力学性能评价

热采井在生产过程中，会长期持续的受到高温的作用，为考察TBJ-1 弹性增韧水泥浆体系在高温下长期的强度衰减性能，室内评价了350 ℃养护温度下，水泥石经28 d 养护后的力学性能变化。水泥石在长期高温养护下的强度衰减性能见表3。

表3 水泥石在长期高温养护下的强度衰减性能

从表3 可以看出，水泥石在350 ℃养护下，28 d 后其抗压强度仍有18.99 MPa，且21 d 后，其强度衰减非常缓慢，说明该水泥浆体系在高温下具有很好的长期强度稳定性能。其弹性模量经过长期高温养护后，虽然有所下降，但是变化不是很明显，仍然在4 000 MPa 以下，这是由于TBJ-1 层间膨胀之后再压缩，空气留在层间造成孔隙，水泥石经过长期高温养护后，提高水泥石韧性和弹性。

2.4 高低温多轮次交变养护下水泥石胶结强度评价

高低温多轮次交变养护下水泥石与套管胶结强度的测试过程如下：利用内径为50 mm、高度为100 mm的钢管模拟套管，然后将水泥浆灌入钢管中，经80 ℃、48 h 养护后，再放于超高温养护釜中进行交变升降温的养护。然后将试样放置在试验机上进行胶结强度的测试。胶结强度测试结果见表4。

表4 胶结强度测试结果

从表4 可以看出，水泥石与套管胶结后在80 ℃常压养护48 h 后，其胶结强度为1.61 MPa。但是经高温养护后，水泥石与套管的胶结强度反而有所上升，这可能是因为水泥石在80 ℃养护48 h 后，在水泥浆体系中加入弹性颗粒可终止裂纹发展，提高材料的冲击韧性。同时高温可以使弹性水泥石膨胀，因此，与套管的胶结更加牢固。经过充分的水化后，水泥石与套管经过多轮次的高低温养护后其胶结强度呈现下降趋势，但是变化并不是十分明显，且胶结强度大于2.50 MPa，说明高低温的交变养护对水泥石与套管的胶结强度影响不大，满足稠油热采井固井作业需求。

2.5 TBJ-1 对水泥石微观结构的影响

采用SU8010 冷场发射扫描电子显微镜对未添加TBJ-1 的水泥石与加入0.2%TBJ-1 的水泥石进行微观形貌分析（图2）。由图2 可以发现，没有加入TBJ-1 的水泥石质地不均匀，有很多孔洞，表面粗糙，加入了0.2%TBJ-1 的水泥石具有回弹性的蠕虫状物质，可以迅速膨胀，使得水泥石具有弹性，另外该材料表面能高，有较强的吸附能力，在自然状态下就互相勾挂咬合，增加了水泥石的致密性和冲击韧性，提高了稠油热采井高低温作用下水泥环的完整性。

图2 350 ℃养护后水泥石电镜扫描图

3 结论

（1）通过对热采井作业环境的分析，对胶乳粉、橡胶粉、耐高温树脂粉聚醚醚酮（MT）以及耐高温增韧剂（TBJ-1）进行耐高温性能对比评价，只有MT 和TBJ-1分解温度在300 ℃以上，但是综合力学性能和成本考虑，优选TBJ-1 能够满足稠油热采井高温固井作业需求。

（2）对加入TBJ-1 的水泥石展开性能分析，当TBJ-1 的加量为0.2%时，水泥石的抗压强度增大了60%，抗冲击强度逐渐增大，增大了49%，加入TBJ-1 的水泥石弹性模量在4 000 MPa 以下，满足耐高温的要求，在高温下仍能赋予水泥石足够的弹性。

（3）通过对弹性增韧水泥浆体系在高温下长期的强度衰减情况和弹性模量分析可知，水泥石在350 ℃养护下，28 d 后其抗压强度仍有18.99 MPa，且21 d 后强度衰减非常缓慢。其弹性模量在长期高温养护后，虽然有所下降，但是变化不是很明显，仍然在4 000 MPa 以下，说明该水泥浆体系在高温下具有很好的长期强度稳定性能和弹韧性。

（4）水泥石与套管经过多轮次的高低温养护后其胶结强度大于2.50 MPa 且4 轮次高低温作用后胶结强度影响不大，说明弹性增韧材料具有良好的回弹性和吸附作用，提高水泥石的弹性，增加了水泥石与套管的密封性，确保了350 ℃稠油热采井水泥环的完整性。