石油与天然气化工  2014, Vol. 43 Issue (6): 666-669
胶乳水泥在大位移井中的性能
张直建 1, 雷鑫宇 1,2, 杜紫诚 1, 曹成章 3, 李文涛 4, 陈大钧 1     
1. 西南石油大学化学化工学院;
2. 中国科学院成都有机化学研究所;
3. 中国石化胜利油田钻井工艺研究院;
4. 中国石油长城钻探钻井液公司欢喜岭项目部
收稿日期：2014-05-12
基金项目：国家高技术研究发展计划（863计划）“海上大位移钻完井关键技术”（2012AA091501）
作者简介：张直建(1988-), 四川达州人, 油田化学在读硕士研究生, 研究方向为钻井液与完井液。地址:(610500)四川省成都市新都区西南石油大学化学化工学院硕2012级9班。E-mail:297448981@qq.com.
通信作者：雷鑫宇, 应用化学硕士, 研究方向为油气井工作液。E-mail:37922979@qq.com.
摘要：大位移井固井水泥浆凝固时易在环空上侧形成游离液通道，同时，由于重力作用，环空上下侧容易形成密度差，使得环空上侧形成的水泥石强度低、渗透率高，极易破碎而引发窜流，严重影响固井质量以及后续增产作业。采用新型胶乳BCT-800L，设计了一种零析水，低失水，24 h抗压强度大于21 MPa，渗透率低于0.001×10-3 μm2的胶乳水泥配方，并利用三轴岩石力学测试系统和环境扫描电子显微镜，分析了大位移井水泥石的力学形变行为以及微观形貌。实验结果和初步机理分析发现，胶乳通过胶结方式转变，运移阻滞和高分子网架成膜等机理有效提高大位移井固井液的稳定性，减小水泥环上下侧差异，降低水泥石渗透率，提高水泥石的韧性，有效防止油气、水窜的发生。
关键词：大位移井    胶乳水泥    力学性能    微观分析    
Performance research of latex cement in extended-reach well
Zhang Zhijian1 , Lei Xinyu1,2 , Du Zicheng1 , Cao Chengzhang3 , Li Wentao4 , Chen Dajun1     
1. College of Chemistry and Chemical Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, Sichuan, China;
2. Chendu Institute of Organic Chemistry, Chinese Academy of Science, Chendu 610041, Sichuan, China;
3. Sinopec Shengli Oilfield Drilling Technology Research Institute, Dongying 257000, Shandong, China;
4. Drilling Fluid Branch of Great Wall Drilling and Exploration Co., Ltd, Panjin 124010, Liaoning, China
Abstract: For the cementing of extended-reach well, it's easy to form free fluid channel in the upper annulus during the coagulation of solid slurry. At the same time due to the effect of gravity, upper and lower sides of the annular are easy to form the density difference, which leads low cement strength and high permeability of the upper annular with interporosity flow. This seriously affects cementing quality and subsequent operations to increase production. A latex cement formula with zero drainage, low water loss, high compressive strength over 21 MPa for 24 h and permeability below 0.001×10-3 μm2 was designed by using novel latex BCT-800L. Triaxial rock mechanics test system and SEM were used to analyze the mechanical deformation behavior, and micro-structure of the latex cement. The experimental results and preliminary mechanism analysis showed that the latex could improve the stability of cementing fluid and mechanics performance of cement, decrease the density difference in upper and lower sides of the annular, reduce the permeability of cement by changing the particle retardant migration and polymer filming, and prevent fluid channeling through cementing transformation.
Key Words: extended-reach well    latex cement    mechanical properties    microscopic analysis    

大位移井较大的井斜角对固井水泥浆设计带来了巨大挑战，具体表现在：水泥浆在大位移井中凝固时，易在环空上侧形成游离液通道，同时由于重力作用，环空上下侧容易形成密度差，使得环空上侧形成的水泥石强度低、渗透率高，极易破碎而引发窜流，严重影响固井质量以及后续增产作业[1-2]。目前，国内外大位移井固井水泥浆体系研究方向主要集中在微膨水泥浆体系，其体积收缩量小，胶结强度高，但水泥环上下侧质量差异仍然明显，韧性不足易受破坏[3-6]。

胶乳水泥稳定性好，水泥石的抗拉强度和韧性高，失水量和渗透率低，弥补了微膨水泥的缺陷，具备解决大位移井固井技术难点的潜力。采用新型胶乳BCT-800L，设计了一种零析水、高强度以及防窜性能良好的大位移井胶乳水泥配方，利用三轴岩石力学测试系统和环境扫描电子显微镜研究了胶乳水泥石(上、下侧)的力学形变行为以及微观形貌[7-8]，并对胶乳改善大位移井水泥石性能的机理进行了初步分析。

1 实验部分
1.1 仪器与试剂

Quanta450型环境扫描电子显微镜(美国FEI公司)；RTR-1000型三轴岩石力学测试系统(美国GCTS公司)；立式岩石钻样机(姜堰市星光机电设备厂)；倾角可调式恒温养护箱(实验室自制)。

嘉华G级高抗硫油井水泥；分散剂SWJZ-1，膨胀剂SWP-1；微硅；降失水剂SZ1-2；胶乳BCT-800L，消泡剂D50等。

1.2 实验配方

微膨水泥基础配方：G级水泥+5%(w)微硅+0.8%(w)SWJZ-1+1.2%(w)SZ1-2+2%(w)SWP-1+0.1%D50；W/C=0.44

胶乳水泥基础配方：G级水泥+5%(w)微硅+0.8%(w)SWJZ-1+1.2%(w)SZ1-2+7%(w)BCT-800L+0.1%(w)D50；W/C=0.44

1.2.1 基础配方基本性能

基础配方基本性能见表 1。

表 1    基本性能测试结果 Table 1    Test results of basic performances

由表 1可以看出，胶乳水泥各项性能明显优于微膨水泥，具有早期强度高、失水量和渗透率低等优良特性。实验中将模拟大位移井特殊井况，进一步对配方进行研究与优化。

1.2.2 基础配方析水与沉降稳定性研究

析水与沉降稳定性是衡量大位移井固井液质量好坏的重要指标，同时井倾角对析水与沉降稳定性影响较大，因此选择从0°~90°调整养护箱倾角，测试两种水泥配方的析水与沉降稳定性，结果见表 2。

表 2    析水与沉降稳定性实验结果 Table 2    Experimental data of water separating and dispersion stability

由表 2可以看出：当井斜角为45°时，微膨和胶乳两种水泥体系的析水和水泥石上下侧密度差值均达到最大，说明浆体稳定性最差。因此，为了更加真实地模拟大位移井实际情况及配方实用性，最终选择45°井倾斜角进行后续实验研究。

1.2.3 优化后水泥配方性能比较

调节养护箱的倾角为45°，于70 ℃常压养护成模。用岩心取心机分别在水泥石试样的上下侧取心，测试其力学强度和渗透率，结果见表 3。

表 3    水泥石性能比较 Table 3    Comparison of cement performance

由表 3可以看出：优化后，两种水泥的性能都有了明显的改善。在45°井倾斜角时，胶乳无论是上侧还是下侧水泥石比微膨上下侧水泥石均具有更高的早期抗压强度。同时，胶乳上下侧水泥石的强度差异以及密度差也明显小于微膨水泥石，而且在凝固后胶乳水泥石也没有明显的窜槽痕迹，优于微膨水泥。

1.2.3 微观分析

(1) 三轴力学实验结果分析。斜井由于具有很长的大位移稳斜段，其受力情况较直井复杂很多，普通压力机仅能从单轴条大位件下研究水泥石的力学性能，忽略了井下环境对水泥石力学性能的影响。三轴力学实验可从三维方向进行压力载荷，可全面评价水泥石的塑性、泊松比和弹性模量等性能，对预测大位移井水泥环在复杂的地层应力变化和增产改造措施影响下的力学行为有较好的参考价值[7]。

在围压20 MPa，70 ℃，加载速度2 kN/min的条件下，测试上下侧水泥石的三轴力学曲线，测试结果见图 1。

图 1     水泥石三轴力学曲线 Figure 1     Triaxial mechanics curve of cement

由图 1可以看出，在加载初期，应力-应变曲线基本上呈直线, 但随着应力的增加水泥石应变也在逐渐的增大，曲线曲率也随之增大，偏离直线方向；在加压后期，即在高压下，胶乳水泥无论是上侧还是下侧水泥石均较微膨水泥表现出更好的塑性形变能力。例如：同样在50 MPa应力值下，胶乳上下侧水泥石的应变分别为5.85%和2.84%，而微膨上下侧水泥石的应变分别为1.06%和0.86%。这都说明, 胶乳水泥石比微膨水泥石具有更好的形变能力，有助于提高水泥环承受大位移井井下复杂应力变化的能力。

(2) SEM实验结果分析。为了更加清楚、形象地了解水泥石内部微观形貌以及评价水泥石内部的宏观力学性能，对水泥石进行了扫描电子显微镜实验，结果见图 2和图 3。

图 2     微膨水泥石 Figure 2     Micro bulk cement

图 3     胶乳水泥石 Figure 3     Latex cement

由图 2和图 3可知，微膨水泥上下侧水泥石差异显著大于胶乳水泥。微膨水泥上侧水泥石中有明显的细微空洞，而下侧水泥石则较为致密；胶乳水泥上下侧水泥石微观形貌并无明显差异，均比较致密；胶乳微粒均匀分布于水泥石中，与水泥水化产物相互结合，形成连续的网状结构，相互交织在一起，对水泥的塑性起着积极的作用，有利于提高水泥石的抗拉强度，同时也降低了水泥石的渗透率，能有效地防止油气、水窜的发生。

3 胶乳作用机理分析

(1) 胶乳高分子加入水泥中后，能渗入微观缺陷处，转变胶结方式为“基底胶结”，大大改善了水泥石的微观结构，使水泥石力学性能提高。

(2) 胶乳微粒能均匀地充填于水泥颗粒中间，增大颗粒运移的阻力。同时，胶乳本身也是一种降失水剂，能有效降低水泥浆的失水量，提高其稳定性，减小水泥石上下侧的密度差，使大位移井环空上下侧水泥石更加均匀致密。

(3) 随着水泥水化的进行，胶粒聚集在水化水泥颗粒表面并形成连续的膜将水泥水化产物连接在一起，并形成一种由聚合物和水化产物相互渗透、复合的网状结构，大大减小了水泥石的体积收缩，提高水泥浆/石的稳定性。

4 结论

(1) 调整优化后的胶乳水泥配方析水为0%，水泥石上下侧密度差异仅0.015 g/cm3，24 h抗压强度分别为21.7 MPa和22.5 MPa，强度相差仅0.8 MPa，凝固后无明显的窜槽，性能优良，能很好地满足大位移井施工。

(2) 胶乳通过胶结方式转变，运移阻滞和高分子网架成膜等机理，有效提高大位移井固井液的稳定性，减小水泥环上下侧差异，降低水泥石渗透率，提高水泥石的韧性，有效防止油气、水窜的发生。

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