一种控制环空带压自修复水泥浆体系研究

项 楠

（江汉石油工程有限公司钻井一公司固井工程公司，湖北潜江 433123）

页岩气开发生产中的同步压裂技术常使用于多口配对井开采时，同时压裂，使压裂液以及配套支撑剂通过高压，逐渐从一口井注入到另一口井，来增加水力压裂裂缝网络的表面积，从而改变空间，最大限度使岩层天然裂缝连通[1-3]。页岩气水平井压裂需要在水平段进行多段分段射孔压裂，这对页岩气井固井质量提出了更高的要求[4-7]，要求水泥石不但要能完整充填环空，具有良好的胶结性能，还要有自修复能力，以保证压裂过程中对层间进行有效封隔和后续生产作业顺利进行[8-9]。因此，需要设计一套性能优异的自修复水泥浆体系，通过对水泥石力学性能优化，并使水泥浆具有一定自修复性能，可有效预防页岩气水平井固井作业的环空带压问题，为该气田的后续勘探开发提供技术保障。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

嘉华G 级水泥，四川嘉华特种水泥厂；淡水、降滤失剂FLO-S、分散剂DAS、缓凝剂RAL、消泡剂CF40L、增强剂STR、增韧剂REG-4，荆州嘉华科技有限公司；自修复剂TBR-1，实验室自制。

恒速搅拌器TG-3060、六速旋转黏度计TG-3060、高温高压稠化仪TG-8040、高温高压失水仪TG-71，沈阳泰格石油仪器设备制造有限公司；匀加荷压力试验机YJ-2001，青岛森欣机电设备有限公司；冷场发射扫描电子显微镜SU8010，日立公司；HCY-2 高温高压岩心流动试验仪，海安华达石油仪器有限公司。

1.2 实验方法

（1）水泥浆性能评价：按照国家标准GB 10238—2005《油井水泥》和GB/T 19139—2012《油井水泥试验方法》开展水泥浆性能评价[10]。

（2）水泥石自修复率评价固井水泥环自修复性能的方法：使用岩心流动装置测定水泥石裂缝产生前后渗透率的变化。该方法的基本原理是达西渗流定律，测得的水泥石渗透率的变化值采用如下公式就可以获得水泥石自修复率：

式中：K前和K后分别是裂缝修复前后渗透率。其中当K后>K前，表示该自修复水泥石具有自修复微裂缝的功能；当K前=K后，表示自修复水泥石无自修复微裂缝的功能。当渗透率自修复率超过70.00%时，表明该水泥石自修复性能较好。

（3）微观形态分析：用冷场发射扫描电子显微镜SU8010 观察水泥石电镜扫描图。

2 结果与讨论

2.1 自修复水泥浆体系材料的优选

2.1.1 缓凝剂的研究 缓凝剂的作用主要是调节水泥浆的稠化时间[11-12]，在进行固井水泥浆体系的设计时，结合页岩气固井施工作业选择合适的缓凝剂来合理的控制和调节水泥浆的稠化时间和稠化转化时间是重要环节之一。因此，在缓凝剂作用机理的基础上，室内对缓凝剂RAL 不同加量下水泥浆稠化性能进行了评价，实验结果见图1。

图1 不同RAL 加量下水泥浆稠化性能评价

从图1 可以看出，随着RAL 加量的增加，水泥浆稠化时间呈线性调节，说明RAL 加量变化不敏感，缓凝效果稳定，且稠化转化时间均小于20 min，稠化时间和稠化曲线都能满足页岩气固井施工要求。根据实际需要，为满足页岩气固井作业，RAL 加量控制在0.4%。

2.1.2 增韧剂的研究 页岩气固井对水泥石力学性能要求较高。结合材料学的原理和前人的研究可知，目前用的比较多的增韧材料为纤维、胶乳、弹性颗粒等[13-15]，在水泥浆中添加弹韧材料可以提高水泥石的力学性能，改善水泥石的冲击韧性，达到防止水泥石破裂的效果。为了优化自修复水泥浆体系的力学性能，提高水泥浆韧性，实验选取弹韧性聚合乳液REG-4、杜拉纤维以及固体胶乳粉作为增韧剂对水泥浆强度性能和柔韧性能进行评价，结果见表1。

表1 增韧剂的筛选评价

从表1 可以看出，加入了增韧剂的水泥浆，水泥石的抗压强度、抗冲击强度及抗拉伸强度等力学性能均得到明显提高，但是添加REG-4 水泥石力学性能最优，抗压强度提高了36%，抗冲击强度提高了44%，弹性模量降低了46%，满足现场固井作业需求，综合分析水泥浆性能，水泥浆体系选择REG-4 作为增韧剂。

为了进一步研究REG-4 对水泥石力学性能的影响，在不同REG-4 加量下对水泥石力学性能开展了评价（图2）。

图2 不同REG-4 加量对水泥石力学性能影响

从图2 可以发现，随着REG-4 加量的增加，水泥石抗压强度略微下降，但是均大于20.0 MPa，水泥石抗冲击强度增大，弹性模量降低；当REG-4 加量为4%时，水泥石弹性模量小于6.00 GPa，抗冲击强度达2.45 kJ/m2，综合力学性能最优，这是由于REG-4 形成的交联结构与油井水泥水化产物相互渗透，增加水泥石致密性，提高水泥石的弹性和韧性，降低水泥石脆性，因此，推荐REG-4 加量为4%。

2.1.3 自修复剂的优选 为了满足页岩气固井作业条件，室内引入具有特殊功能基团的聚合物材料自修复剂TBR-1 加入到水泥浆，采用HCY-2 高温高压岩心流动试验仪测量不同加量TBR-1 的水泥石岩心渗透率，水泥石自修复率结果见图3。

图3 不同TBR-1 加量对水泥石自修复效果的影响

从图3 可以看出，当加入TBR-1 后，水泥石自修复率得到明显提高，当加入5%的TBR-1 时水泥石自修复率达82.10%，表明加入TBR-1 的水泥石修复性能更好，这是由于该材料加入到水泥浆中，当水泥石产生裂缝后，TBR-1 可以与地层中窜流流体接触后被自动激活，利用材料的体积膨胀来修复微裂缝,起到防窜、修复的功能。推荐TBR-1 加量为5%。

2.2 自修复水泥浆体系综合性能评价

结合页岩气固井地质特征，采用RAL 控制水泥浆稠化性能、REG-4 提高水泥石的弹性和韧性及TBR-1的修复性，在此研究的基础上并协同其他固井添加剂形成了一套自修复水泥浆体系，该水泥浆配方为：嘉华G 级水泥+52.0%淡水+2.0%降滤失剂FLO-S+1.0%分散剂DAS+0.4%缓凝剂RAL+0.8%消泡剂CF40L+2.0%增强剂STR+4.0%增韧剂REG-4+5.0%自修复剂TBR-1，针对该配方在不同温度下对自修复水泥浆体系综合性能进行了评价，实验结果见表2。

从表2 可以看出，在不同温度条件下，自修复水泥浆体系的流行指数大于0.70，稠度系数小于0.5，说明该水泥浆的流变性好，上下密度差为0，说明浆体的沉降稳定性好，且失水量小于40 mL，满足页岩气固井作业需求。从表2 还可以发现，该自修复水泥浆体系的抗压强度大于23.0 MPa，抗冲击强度可达2.49 kJ/m2，弹性模量最低小于5.50 GPa，说明增韧剂加入水泥浆改善了水泥石的弹性和韧性，防气窜系数SPN 大于1.00，说明具有良好的防气窜性能。

2.3 水泥浆自修复性能评价

为了研究自修复水泥浆体系的修复性，水泥石岩心在液化石油气介质中分别养护不同时间，对比分析加入TBR-1 的岩心渗透率自修复率以及未加TBR-1的韧性水泥石岩心渗透率自修复率，结果见表3。

表3 水泥石渗透率自修复性能

从表3 不难发现，48 h 后自修复水泥浆体系自修复率明显增大，72 h 自修复率达84.10%，能有效防止气体在微裂缝间窜流。未加TBR-1 几乎无自修复现象。

2.4 自修复水泥浆体系微观结构分析

为了更为直观的对自修复水泥石展现环空带压自修复水泥浆体系的特征，室内对普通韧性水泥石与自修复水泥石的微观结构进行对比分析，从图4 可以看出，普通韧性水泥石受到破坏后有很多孔洞，水泥石颗粒之间很分散，而从图5 不难发现，水泥石破坏后的内部可以明显看出很多拉丝的网状结构，这样水泥水化形成的产物与韧性自修复体软化网状结构交织在一起，改善了水泥石基质结构和性能，降低了自修复水泥石的弹性模量并提高了其变形能力，另外还可以看到水泥石内部基本没有孔隙，这是由于自修复材料与窜流流体接触后产生体积膨胀修复微裂缝，说明弹韧性材料与自修复材料协同使用保证韧性的同时兼顾自修复性能，达到控制环空带压的目的。

图4 普通韧性水泥石

图5 自修复水泥石

3 结论

（1）根据页岩气固井环空带压难点分析，通过对缓凝剂的筛选，优选缓凝剂RAL，并根据研究确定体系RAL 加量为0.4%。该缓凝效果稳定，且稠化转化时间均小于20 min，稠化时间可调，满足页岩气固井施工要求。

（2）通过弹韧性聚合乳液REG-4 和化学复配合成的自修复剂协同使用，一方面提高水泥石力学性能，降低了水泥石的弹性模量，增强水泥石的弹性形变能力，另一方面研制的自修复剂TBR-1 与窜流流体接触后产生体积膨胀可以有效修复微裂缝，达到控制环空带压的目的。

（3）通过对自修复水泥浆体系主要材料的研究，构建了一套控制环空带压自修复水泥浆体系，该自修复水泥浆体系具有良好的流变性和浆体稳定性，且增韧剂的加入改善了水泥石的力学性能，自修复水泥浆体系的抗压强度大于23.0 MPa，抗冲击强度可达2.49 kJ/m2，弹性模量最低小于5.50 GPa，水泥石具有良好的弹性和韧性，防气窜系数SPN 大于1.00，具有良好的防气窜性能。尤其是水泥石的72 h 渗透率自修复率达到84.10%，对微裂缝修复效果好，实现了自修复水泥浆体系对水泥石自修复性能要求，为页岩气现场固井提供了技术支撑。