一種能改善鹽巖層固井膠結質量的飽和鹽水膠乳水泥漿體系的研制

許明標，王曉亮

（長江大學石油工程學院，湖北 武漢430100）

姜智博

（中海油研究總院，北京100028）

鹽巖的性質決定了鹽膏層固井作業的難點。引起鹽巖層固井膠結質量問題的原因主要包含：①鹽巖層的塑性變形和蠕變流動，易造成井眼不規則，套管下入、居中困難，水泥環厚薄不均，不利于界面膠結；②封固鹽膏層特別是復合鹽膏層時，鹽的溶解不僅會對水泥漿的性能產生影響，且影響膠結面的穩定；③鹽膏層中通常會含有一定量的石膏層和鈣芒硝，其在注替水泥漿過程中會發生溶解膨脹，影響水泥漿膠結性能。針對鹽巖層固井問題，構建一套能改善壁面膠結質量的飽和鹽水水泥漿體系是解決問題的有效途徑。膠乳能夠有效改善水泥環與套管、地層間的膠結質量［1］，所以優選抗鹽膠乳，構建一套飽和鹽水膠乳水泥漿體系，有利于改善水泥漿與鹽巖層的膠結強度，實現巖鹽地層有效封固。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

抗鹽丁苯膠乳；H21L緩凝劑；CG88L聚合物降失水劑；MX空隙支撐劑；高抗硫G級油井水泥；淡水；CX601L消泡劑；CF44L分散劑。

1.2 試驗設備

高溫高壓稠化儀；常壓稠化儀；高溫高壓水泥漿失水儀；高溫高壓養護釜；多功能壓力試驗機；六速旋轉黏度計；壁面剪切拉伸試驗儀CK－Ⅱ。

1.3 試驗方法

水泥漿評價試驗按照ISO10426—2003標準；壁面剪切拉伸試驗儀CK－Ⅱ為自制非標儀器，剪切強度與拉伸強度測試主要參照壁面剪切拉伸試驗儀CK－Ⅱ操作標準進行。

2 抗鹽膠乳水泥漿體系的構建

2.1 抗鹽膠乳優選

膠乳是由粒徑為0.05～0.5μm的微小聚合物粒子在乳液中形成的懸浮體系。在壓差作用下，水泥漿中的膠乳粒子會在水泥顆粒間、膠結面上聚集成膜，一方面能夠降低水泥石滲透率，另一方面能夠有效提高界面的膠結質量［2］。

抗鹽膠乳水泥漿主要應用于巨厚鹽膏層固井，固井過程中，地層鹽巖的鹽溶將直接影響固井水泥漿的性能。從安全性能方面考慮，抗鹽膠乳水泥漿體系須滿足飽和鹽水配漿要求。

收集了目前國內外性能良好的抗鹽膠乳，展開篩選試驗。篩選試驗水泥漿配方：100%高抗硫G級油井水泥＋45%飽和鹽水＋5%CG88L降失水劑＋3%抗鹽膠乳＋0.4%H21L緩凝劑＋0.3%CF44L分散劑＋0.5%X66L消泡劑（密度1.90g／cm3）（配方中的百分數為質量分數，下同），評價結果如表1所示。在飽和鹽水水泥漿中加入質量分數3%膠乳，除WH－1外均能配制成飽和鹽水膠乳水泥漿，其中效果相對較好的是 D600L、SD－60L和 GRI－T。綜合水泥漿抗壓強度、失水量以及稠化性能比較，選擇GR1－T抗鹽膠乳。GR1－T抗鹽膠乳加入聚合物水泥漿中后，能夠進一步降低飽和鹽水水泥漿失水而對水泥漿的稠化時間以及抗壓強度基本無影響。分析其原因，GR1－T抗鹽膠乳表現出良好的抗鹽性，能夠均勻分散于鹽水水泥漿顆粒間，壓差存在下，能夠有效充填于顆粒間隙中，增加濾餅致密性，降低水泥漿失水量［2］。

表1 加入不同膠乳后水泥漿物理性能

表2 GR1－T膠乳與CG88L聚合物加量變化對水泥漿性能影響

表3 MX質量分數與水泥漿物理性能影響

2.2 聚合物降失水劑與抗鹽膠乳復合使用對水泥漿性能影響

經過篩選評價，優選高碳鏈、帶有磺酸結構單元的AMPS類聚合物CG88L作為水泥漿體系降失水劑，該聚合物具有溶液黏度高，抗鹽、抗高溫的特點。室內考察了聚合物降失水劑與抗鹽膠乳復合作用下水泥漿的性能變化。試驗結果如表2所示，對比研究發現：①CG88L聚合物降失水劑具有較好的抗鹽性，能有效控制飽和鹽水水泥漿體系的濾失性能。在質量分數為6%時，飽和鹽水水泥漿失水量能夠控制在50mL以下，自由液為零；②膠乳加入水泥漿中有利于降低水泥漿失水量和自由液量；③當聚合物降失水劑質量分數為6%時，膠乳質量分數超過5%配制出的過飽和鹽水水泥漿稍稠，膠乳量不易繼續增大；④隨著聚合物降失水劑和膠乳質量分數的增大，水泥石的強度均有下降的趨勢，考慮到巨厚鹽膏層固井對水泥石早期強度要求較高，膠乳以及降失水劑的質量分數控制在6%以內較好。

2.3 MX空隙支撐劑對水泥漿性能影響

MX空隙支撐劑為超細二氧化硅與蒸餾水經特殊工藝1∶1混合而成的懸濁液，其平均粒徑小于1μm，能分散于水泥顆粒間隙，有利于提高水泥石致密性和抗壓強度。室內對MX質量分數與水泥漿強度性能的關系進行了評價，結果如表3所示。MX能夠顯著提高飽和鹽水水泥漿的抗壓強度，且質量分數超過3%時，MX具有輔助降失水作用。此外，隨著MX質量分數的增大，水泥漿稠化時間明顯縮短，水泥漿黏度呈增大趨勢，為避免MX增稠水泥漿，其質量分數應控制在4%～6%。

2.4 分散劑對水泥漿性能影響

新配制飽和鹽水水泥漿會表現較強的觸變性，這需要添加分散劑來改善水泥漿流變性，通過選取適當的分散劑，能改善水泥結構的均勻性，使水泥漿體達到最佳分散效果。表4為分散劑質量分數與水泥漿流變性能變化表。可見看出，隨CF44L質量分數的增大，水泥漿靜凝膠強度逐漸減小，水泥漿黏度降低，說明CF44L有著良好的分散效果和抗鹽性，能夠滿足飽和鹽水水泥漿改善水泥漿流變性的要求。從試驗數據上看，CF44L分散劑質量分數控制在1.0%較好，超過1.0%后對水泥漿流變性能改善效果有限。

表4 CF44L質量分數與水泥漿流變性變化

表5 緩凝劑質量分數與水泥漿稠化時間

2.5 緩凝劑質量分數對水泥漿稠化時間的影響

緩凝劑主要用來調節水泥漿的稠化時間，保證固井施工的安全性［3］。一種性能良好的緩凝劑其質量分數與延長稠化時間具有線性關系，一方面方便現場調節水泥漿稠化時間，另一方面能夠避免復雜情況影響現場固井作業。試驗結果如表5所示，隨著緩凝劑質量分數增大，水泥漿稠化時間能夠有效延長。

3 抗鹽膠乳水泥漿體系性能評價

表6 溫度對水泥漿稠化時間的影響

3.1 溫度對水泥漿稠化性能影響

水泥漿配方：100%高抗硫G級油井水泥＋45%飽和鹽水＋5%CG88L降失水劑＋3%抗鹽膠乳＋H21L緩凝劑（根據需要添加）＋1%CF44L分散劑＋0.5%X66L消泡劑。試驗結果如表6所示，同配方水泥漿在不同溫度下，通過適當地調節緩凝劑質量分數都能獲得適當的稠化時間，說明水泥漿體系具有廣泛的溫度適應性。

3.2 溫度對水泥石與模擬地層膠結強度影響

水泥石與模擬地層（配方：100%硅酸鹽水泥＋100%工業氯化鈉（40～100目）＋適量淡水，固化成型后在相應的試驗溫度下養護48h。）膠結面以及水泥石與套管壁膠結面強度的大小直接關系到鹽膏層固井質量。室內對水泥石的膠結性能測試主要通過長江大學自行研制的壁面剪切拉伸試驗儀CK－Ⅱ來測定。膠結面的剪切強度和拉伸強度越大，膠結面的膠結質量越好（圖1～4）。

圖1 剪切試驗模擬地層

圖2 拉伸試驗模擬地層

圖3 水泥漿與模擬地層膠結情況

圖4 膠結面被拉開后的情況

由表7試驗結果可見：①加入膠乳后水泥石抗壓強度有一定的下降，但水泥漿與模擬鹽巖層的膠結強度是明顯增大的，說明膠乳的加入能夠有效提高壁面膠結強度；②隨著養護溫度升高，水泥石的抗壓強度逐漸增大，相應水泥石與模擬地層的膠結面的剪切強度和拉伸強度都呈現明顯增大趨勢，說明養護溫度越高，越有利于水泥漿與模擬鹽巖層的膠結。

表7 不同養護溫度下水泥石強度及其與模擬地層膠結強度

3.3 養護時間對水泥石膠結性能影響

由表8可見：①隨著養護時間延長，水泥石的抗壓強度呈增大趨勢，養護7d后，水泥石的抗壓強度增幅變緩；②隨著養護時間延長，水泥石與模擬地層膠結面的剪切強度和拉伸強度都呈增大趨勢，養護時間越長膠結強度越大。良好的膠結強度完全能夠保證水泥漿對巨厚鹽膏層的封固效果。

表8 養護時間與水泥石抗壓強度和膠結強度

表9 水泥石抗壓強度和膠結強度對比

3.4 水泥石力學性能與常規水泥漿性能對比

以現場水泥漿配方作為參照對象，進行了水泥石力學性能對比，結果如表9所示。在水泥漿稠化時間和抗壓強度相差不大的情況下，對2種配方水泥漿進行了膠結剪切強度和拉伸強度測試，測試結果顯示2＃飽和鹽水膠乳水泥漿的膠結剪切強度較1＃配方增加了22.5%，剪切強度增加了23.7%。說明飽和鹽水膠乳水泥漿具有較好的膠結強度。

4 結論

1）通過試驗優選出能在飽和鹽水中很好分散的抗鹽膠乳GR1，配合CG88L降失水劑使用具有良好的降失水作用。

2）MX空隙支撐劑作為微納米材料能夠很好地分散于水泥漿顆粒間，當質量分數在3%以上能夠明顯改善飽和鹽水水泥石的抗壓強度。

3）飽和鹽水水泥漿需要抗鹽性較好的分散劑來改善水泥漿的流變性，CF44L能夠很好地改善鹽水水泥漿的流變性，降低水泥漿靜凝膠強度，研究發現加入適當的分散劑有助于降低鹽水水泥漿失水量。

4）各添加劑材料搭配使用具有良好協同效果，所構建飽和鹽水膠乳水泥漿體系具有廣泛的溫度適應性，在50～100℃范圍具有良好的稠化性能。

5）通過對水泥漿與模擬鹽巖地層的膠結試驗評價研究發現，膠乳水泥漿相對聚合物水泥漿具有更好的膠結性能，能夠明顯改善水泥漿與模擬鹽巖層的膠結質量，養護溫度升高、養護時間延長都有利于增大膠結強度。

［1］彭雷，許明標.鹽膏層固井用抗溫抗鹽低濾失聚合物鹽水水泥漿體系研究 ［J］.石油天然氣學報（江漢石油學院學報），2008，30（2）：550～552.

［2］張弛，劉碩瓊，徐明，等.低溫膠乳鹽水水泥漿體系研究與應用 ［J］.鉆井液與完井液，2013，30（2）：63～68.