弹韧性水泥浆体系的研究与应用论文_ 杨吉祥

摘要：本文针对水平井后期开采过程中采用大型体积压裂技术致使水泥石完整性发生破坏、形成微裂缝的问题，为了提高水泥环抗冲击能力，确保水泥环的层间封隔能力，研制开发了弹韧性水泥浆体系，室内评价结果表明，该水泥浆体系具有零游离液、低失水、低渗透、高强度、低弹性模量特点，现场试验结果表明，弹韧性水泥浆的性能参数满足各项固井施工要求，满足后期压裂投产施工需要，为新疆油田长水平段水平井固井提供技术借鉴。

关键词：弹性材料；韧性；水泥浆；固井

1．弹韧性水泥浆体系研究

1.1 水泥外掺料的紧密堆积

采用紧密堆积理论优化水泥与充填材料间的粒度分布，在保证水泥浆流变性的情况下，增加单位体积水泥浆的堆积率PVF（干混合物中所有颗粒绝对体积之和除以干混成分的散装体积的值），PVF越大，紧密堆积的程度越高，水泥石孔隙度和渗透率越小，性能越好[2]。

弹韧性水泥浆体系主要由弹性材料、增韧材料、石英砂、微硅、超细材料、膨胀剂等构成，通过进一步优化各组分配比，水泥及外掺料间相互填充而形成最紧密堆积，使水泥石结构和界面结构更为致密，降低水泥石渗透率，提高水泥石强度，通过紧密堆积优化可使水泥石具有良好的“低弹性模量—高强度”特性。表1是弹韧性水泥浆体系经颗粒级配后的水泥浆性能。从表1可知，弹韧性水泥浆具有良好的流动性能，水泥石渗透率较低、弹性模量较小，且后期强度较高。

1.2 弹性材料、增韧材料的优选

1.2.1 弹性材料的优选

所选用弹性材料是一种以烯烃单体为原料添加引发剂聚合而成的油井水泥用弹性外掺料。产品为白色至浅灰色粉末惰性颗粒状材料，自身具有较强的亲水性、分散性和较高的弹性。当水泥浆中加入弹性材料后，其将镶嵌在水泥石内部，当水泥石受冲击力作用时，力将传递到填充其间的弹性材料颗粒，弹性材料发生弹性变形，吸收部分能量，能有效地降低水泥石的弹性模量，从而提高水泥石的韧性，有利于后期采油作业。

1.2.2 增韧材料的优选

在水泥混凝土中掺加纤维能显著地提高其抗弯强度和降低干缩率，并能提高水泥固化物的抗拉强度和变形能力，改善其韧性和抗冲击性。本文选择的碳纤维是由聚丙烯腈纤维、黏胶纤维等经碳化而制得的纤维，强度和弹性模量相当高。

国内的现有增韧材料都为采用长短不同的纤维，或是在增韧材料中掺有其它化工原料，利用纤维对负荷的传递，使水泥石应力集中点分散、应力集中的程度减小，即增加水泥石的抗冲击能力。对现有的增韧剂进行评价主要是从水泥石的抗折强度进行实验。

表1 增韧材料对水泥石抗折性能的影响

实验结果表明：1#、2#、3#、4#四种增韧剂在相同的试验条件下对比结果可以看出2#增韧材料对水泥石抗折强度的影响高于其它三种增韧材料。

1.2.3 弹性材料、增韧材料加量的确定

以水泥浆配方（G+4%微硅+5%超细材料+20%石英砂+3%膨胀剂+2.5%降失水剂+0.9%分散剂+0.25%缓凝剂+水，密度为1.85 g /cm3）为基础，考察了弹性材料、增韧材料加量对水泥石性能的影响。

弹性材料和增韧材料对水泥石抗压强度有一定影响，但24h强度大于20MPa，且7d抗压强度明显高于24h强度，无强度衰退现象；水泥石抗拉强度降低；水泥石抗折强度明显提高，水泥石弹性模量降低，泊松比升高，抗冲击功也明显升高。综合考虑，弹性材料和增韧材料加量分别为4%、6%时，水泥石弹性模量降低30%左右，抗冲击韧性好，抗压强度较高，满足固井技术要求。

1.3 油井水泥添加剂的优选

1.3.1 稳定剂

为提高水泥浆悬浮稳定性，选用超细微硅作稳定剂。微硅粒径小，比表面积大，用微硅配水泥浆时要适当加大水灰比，使其表面被水充分润湿，均匀分散。微硅均匀分散后使水泥浆液相变为稳定的溶胶，水泥颗粒悬浮在溶胶中不易沉降，因此微硅水泥浆析水率极小，利于改善水泥界面的胶结，提高固井质量。

1.3.2 膨胀剂的优选

本体系优选膨胀剂，本膨胀剂加量一般在1%～3%的范围内。加入此膨胀剂后可使水泥石凝固后产生微膨胀，有效减少微环隙及油气水窜的形成，并能够补偿水泥石收缩所造成的影响，降低气窜的危险性，提高胶结质量。

1.3.3 非渗透降失水剂的优选

优选了非渗透降失水剂，加量一般为1.5%～2.5%。本降失水剂不仅使水泥浆具有较好的防窜效果，而且所形成的水泥石具有一定的弹性，提高了水泥石抗拉强度，降低了射孔时水泥石的破裂度[3-5]。

1.3.4 分散剂的优选

优选了分散剂，本分散剂加量较小，一般加量为0.5%～2.0%（BWOC），有利于水泥石早期抗压强度发展，对水泥石后期抗压强度无不利影响。的主要用途是改善水泥浆的流动性能、减少失水量、提高顶替效率，便于水泥浆泵送。

1.3.5 早强剂

选用三种早强剂标号后进行性能测试，基础配方为G+4%微硅+5%超细材料+2%增韧材料+20%石英砂+3%膨胀剂+2.5%降失水剂+0.9%分散剂+0.25%缓凝剂+1.6%早强剂(1、2、3号)，实验结果见表2。

表2 不同早强剂对水泥石强度的影响

由表2可以看出，在同一基础配方中加入同等比例的早强剂，1＃早强剂4h、6h均无早期强度，2＃早强剂4h已发挥早期强度，但强度值太低，3＃早强剂早期强度发挥最快，且增长速度快，因此选用3＃早强剂。

2. 弹韧性水泥浆体系性能评价

2.1 弹韧性水泥浆体系综合性能评价

对不同温度下弹韧性水泥浆的综合性能进行考察，如表3所示。从表3中可知，该水泥浆（1.85g/cm3）具有良好的浆体稳定性和流变性能，流动度在20~23cm范围内，且随试验温度增加水泥浆流变性能基本不变，利于现场施工；水泥浆API失水量控制在50mL以内，具有良好的控滤失性能；且稠化过度时间短，近似直角稠化，稠化时间可通过缓凝剂加量进行有效调节，以满足现场施工要求；水泥石24h抗压强度大于20MPa，7d强度无衰退，且水泥石弹性模量小于7GPa，性能优良；水泥浆凝固后,要求水泥石强度迅速增长,增加抵抗地层流体的能力，同时微膨胀的性能可以防止水泥石体积收缩形成微间隙,引起地层流窜。综上，弹韧性水泥浆体系具有良好的现场施工性能以及保证水泥环结构完整性能力，满足后期压裂投产施工需要。

表3 弹韧性水泥浆综合性能评价

2.2 弹韧性水泥浆体系力学性能评价

将配置好的水泥浆分别在65℃条件下养护，测试其力学性能，实验结果见表4。

表4 水泥石力学性能

3. 现场应用

新疆油田风南4井区3口井，西泉井区2口井，现场试验应用了弹韧性水泥浆体系。5口井固井施工过程中水泥浆地面混配均匀，注、替水泥浆作业连续，固井施工成功率100%。

固井候凝48h后检测声幅，CBL测井解释合格率100%，优质率80%，如表5所示。

表5 弹韧性水泥浆体系应用统计表

4. 结论

（1）利用紧密堆积理论，以弹性材料和增韧材料为基础，结合配套外加剂，研制了一套弹韧性水泥浆体系，并确定了弹性材料、韧性材料的最优加量分别为5%和2%。

（2）弹韧性水泥石较常规水泥石弹性模量降低25%，且24h抗压强度高于20MPa，7d强度高于30MPa（65℃），能实现“低弹性模量—高强度”特性。

（3）弹韧性水泥浆体系在新疆已成功应用5井次，水泥浆综合性能良好，固井质量优质，故该弹韧性水泥浆体系可在新疆油田水平井固井中推广应用。

参考文献

[1] 孙红伟，李兵，宾国成，等.提高苏丹6区固井质量的柔性水泥浆固井技术[J].天然气工业，2010，30(9):49-50.

论文作者: 杨吉祥

论文发表刊物:《工程管理前沿》2020年4期

论文发表时间:2020/4/14

标签：水泥浆论文;  水泥论文;  韧性论文;  材料论文;  弹性论文;  性能论文;  强度论文;  《工程管理前沿》2020年4期论文;