儲氣庫老井井筒封堵水泥漿體系的優選與性能評價

焦滟琪，楊遠光 （西南石油大學石油與天然氣工程學院，四川 成都610500）

隨著天然氣勘探開發技術的進步，天然氣的產量逐漸遞增，由于天然氣的消費具有季節不均衡性，儲氣量大、安全系數高的儲氣庫已經成為輸配氣系統的重要環節，目前世界上70%左右的儲氣庫是由枯竭型的油氣藏改造而來。國內的儲氣庫建設起步較晚，截止到目前，華北、西北、西南等地建設了大量地下儲氣庫。在地下儲氣庫建設中，老井井筒的封堵質量影響儲氣庫的安全系數。如果廢氣井井筒封堵失效，地下天然氣將會泄漏至地面，導致天然氣資源大量流失。更為嚴重者會導致井口漏氣，著火爆炸，給安全生產帶來隱患，儲氣庫廢棄老井的井筒封堵對儲氣庫安全經濟運行意義重大［1～3］。

目前，國內針對儲氣庫老井井筒的封堵基本上都是采用水泥漿體系，只要水泥漿堵劑性能優良、施工工藝合理，都能達到封堵的目的。儲氣庫老井井筒封堵有別于常規油氣井，老井井筒封堵后，儲氣庫老井的套管處的壓力始終處于一種交變狀態，因此對老井井筒封堵的可靠性要求更高［4，5］。由于常規的封井工藝可靠性差，不能滿足儲氣庫老井井筒的封堵需要，因此急需研究一套適合儲氣庫老井井筒的封堵劑體系。常規的固井水泥屬于硬性膠凝材料，具有“高體積收縮、高濾失量、高密度和高脆性”的缺陷，在井筒封堵時，易形成微間隙或由于水泥石的高脆性產生宏觀裂紋和界面破壞，使得井筒封堵失敗。為此，筆者在已有研究的基礎上［6～9］，通過對油井外加添加劑的優化，優選出了一套適宜于儲氣庫老井井筒的封堵體系——G級微膨脹纖維水泥漿體系，并評價了纖維水泥石的力學形變性能和水泥漿體系的綜合性能。

1 試驗部分

1.1 試劑與儀器

1）試劑 G級水泥（山東華銀特種水泥股份有限公司）、降失水劑ST900L（三元共聚物）（天津四達科工貿發展有限公司）、分散劑SXY－2（磺化醛酮縮合物）（浙江助劑總廠）、防腐劑微硅（河南華融硅粉材料有限公司）、緩凝劑ST200R（有機羧酸衍生物）（天津四達科工貿發展有限公司）、膨脹劑SNP（合成鈣鋁氧化物）（成都聚博科技發展有限公司）、增塑劑JB－1（纖維粉、氧化硅灰為主料的混合物）（河南中濮化工有限公司）、消泡劑ST500L（天津四達科工貿發展有限公司）。

2）主要儀器 PL4002－IC電子天平（梅特勒托利多儀器（上海）有限公司）、六速旋轉黏度計（得順電子機械有限公司）、高溫高壓失水儀（得順電子機械有限公司）、OWC－9350型常壓稠度儀（沈陽航空工業學院）、HH－8數顯恒溫水浴鍋（杰瑞爾電器有限公司）、CS202型電熱鼓風干燥箱（上海精宏實驗設備有限公司）、CSS－2205型電子萬能壓力試驗機（濟南一諾世紀試驗儀器有限公司）、KZY－30型電動抗折儀（無錫材料儀器機械廠）。

1.2 試驗方法

1）G級微膨脹纖維水泥漿體系優選 按API規范10和GB／T 19139－2003進行水泥漿配漿及工程性能測試。分別優化了降失水劑加量、分散劑加量、緩凝劑加量、纖維增韌劑加量以及膨脹劑的加量。

2）纖維水泥石力學形變性能評價 采用三軸應力試驗來表征纖維對水泥石力學形變能力的影響。試驗方法是，將水泥漿在93℃下養護不同齡期，三軸應力試驗時加載速率為30N／S，圍壓為20MPa，初始載荷為2kN，直接加載至水泥石破碎。

3）G級微膨脹纖維水泥漿體系的綜合性能 根據SY／T 5546－92測試了G級微膨脹纖維水泥漿體系的綜合性能。

2 G級微膨脹纖維水泥漿體系優選

2.1 降失水劑加量的優化

以98%G級水泥＋2%微硅＋0.05%ST500L＋0.3%ST200R作為封堵水泥漿體系的基礎配方，通過在基礎配方中改變降失水劑ST900L用量，測試降失水劑加量對水泥漿體系性能的影響，結果見表1。

由表1可看出，基礎配方在不加降失水劑的情況下，失水量為699ml，隨著降失水劑濃度增加，失水量逐漸降低：當降失水劑加量為4%時，失水量為52ml，基本達到規定的要求；當加量為6%時，失水量為36ml。降失水劑濃度變化對稠化時間影響較大，當降失水劑加量為2%時，稠化時間與基礎配方相近，當濃度達到4%后，稠化時間增加，達到320min，能滿足現場施工的要求。ST900L延緩稠化時間的機理是，當水溶性聚合物與水泥顆粒混合后，聚合物膜吸附于水泥顆粒表面，形成吸附水化層，在一定時間內阻止水泥顆粒的繼續水化，濃度越大吸附水化層越厚，稠化時間越長［10］。降失水劑對水泥漿體密度、穩定性影響不大，綜合考慮成本與漿體性能的要求，ST900L降失水劑加量確定為4%。

2.2 分散劑加量的優化

以98%G級水泥＋2%微硅＋0.05%ST500L＋0.3%ST200R＋4%ST900L作為封堵水泥漿體系的基礎配方，通過在基礎配方中改變分散劑SXY－2的加量，測試分散劑加量對水泥漿體系性能參數的影響，結果見表2。

表1 降失水劑的加量對井筒封堵水泥漿體系性能的影響

由表2可看出，SXY－2分散劑對基礎配方的流動度有較好的改善作用，隨著分散劑濃度的增加，漿體流動度增加，分散劑加量為0.8%時，流動度為230mm，較基礎配方改善作用明顯。另外，隨著分散劑濃度增加，稠化時間先增加后縮短，這說明分散劑的加量對稠化時間的影響有一個臨界值，當加量為1.2%時，稠化時間為319min，能夠滿足現場施工的需要。隨分散劑濃度的增加，水泥漿濾失量逐漸降低，分散劑有降失水的作用，說明分散劑加量對漿體穩定性能及游離液影響不明顯。綜合考慮流變性和施工時間的要求，分散劑加量確定為0.8%。

表2 分散劑的加量對井筒封堵水泥漿體系性能的影響

2.3 緩凝劑加量的優化

由于常規的G級水泥漿初凝時間較短，不能滿足現場長時間施工的要求，因此為了延長水泥漿的初凝時間，必須添加合適的緩凝劑。以98%G級水泥＋2%微硅＋0.05%ST500L＋0.8%SXY－2＋4%ST900L作為封堵水泥漿體系的基礎配方，通過在基礎配方中改變緩凝劑ST200R加量，測試緩凝劑加量對水泥漿性能參數的影響，結果見表3。

由表3可看出，緩凝劑ST200R對封堵體系的緩凝效果明顯，0.3%濃度的ST200R稠化時間達到300min以上。ST200R緩凝劑作為一種有機羧酸衍生物，主要靠分子中β和α位羥基羧酸基團對Ca2＋的鰲合作用，形成高度穩定的五元環或六元環結構，部分地被吸附于水泥顆粒表面，毒化晶核，阻止水化產物形成［11］。綜合考慮，優選緩凝劑ST200R的加量為0.3%。

2.4 纖維增塑劑加量的優化

表3 緩凝劑對井筒封堵水泥漿體系性能的影響

水泥石是一種脆性材料，當受到應力超過其極限時，水泥石會破裂形成宏觀裂紋，因此保證水泥塞的完成性是保證長期密封的關鍵。井筒封堵水泥漿體系采用JB－1增塑劑，該增塑劑是一種以纖維粉、氧化硅灰為主料，以氯化鈣、氯化鉀為輔料的混合物，具有增塑和增韌的雙重功效。以98%G級水泥＋2%微硅＋0.05%ST500L＋0.3%ST200R＋4%ST900L＋0.8%SXY－2作為封堵水泥漿體系的基礎配方，通過在基礎配方中改變JB－1用量，測試JB－1加量對水泥漿性能參數的影響，結果見表4。

由表4可看出，JB－1增塑劑對水泥漿流動度、穩定性基本無影響，隨著加量的增加，濾失量有一定下降，主要原因是改性纖維是多種化合物的混合物，組份內的纖維粉為一種細小的絨狀物，能相互搭結形成致密濾網，水泥顆粒鑲嵌在濾網空隙內形成致密泥餅，阻止水分的流失，因此JB－1增塑劑有一定的降濾失作用。JB－1增塑劑加量不宜過高，過高會導致漿體流變性變差［12～14］。因此，根據施工性能的要求，JB－1優選加量為3%。

2.5 膨脹劑加量的優化

以95%G級水泥＋2%微硅＋3%JB－1＋0.05%ST500L＋0.3%ST200R＋4%ST900L＋0.8%SXY－2作為封堵水泥漿體系的基礎配方，通過在基礎配方中改變膨脹劑用量，測試膨脹劑加量對水泥漿性能參數的影響，結果見表5。

表4 JB－1加量對井筒封堵水泥漿體系性能的影響

SNP膨脹劑是一種以鈣鋁氧化物為主要材料，同時輔以部分硫酸鹽的混合物，該膨脹劑為多膨脹源體系，各種膨脹源的反應活性不同，所以能在水泥水化的不同階段保持穩定的膨脹，能有效補償水泥石后期的體積收縮［15～17］。由表5可以看出，隨著SNP膨脹劑加量的增加，稠化時間有縮短的趨勢，3%的加量范圍內，稠化時間都能滿足現場施工的需要。膨脹劑加量對水泥漿流動度、濾失量、穩定性影響不大。綜合考慮，優選膨脹劑SNP的加量為2%。

2.6 G級微膨脹纖維水泥漿體系配方

G級微膨脹纖維水泥漿體系最終配方確定為：

表5 膨脹劑加量對井筒封堵水泥漿體系性能的影響

固相：93%G級水泥＋2%微硅＋3%JB－1＋2%SNP

液相：0.05%ST500L＋0.3%ST200R＋4%ST900L＋0.8%SXY－2液固比為9∶20。

3 纖維水泥石力學形變性能

油井水泥石一般具有較高的抗壓強度和較低的抗拉強度，是一種脆性材料，水泥石脆性程度的大小可用經典力學實驗應力與應變試驗來表征［18，19］。

圖1和圖2為水泥石不同養護齡期下應力應變關系。從圖1和圖2可看出，無論是原漿水泥石還是改性纖維水泥石，在加載圍壓試驗條件下，都未表現出脆性材料的特征。水泥石在圍壓狀態下，隨著加載應力的增大應變在逐漸增大，偏離直線方向，曲線曲率增大，水泥石在高應力下表現出一定的塑性特性，當應力達到水泥石極限應力時并未破碎，表現出延性破壞特性。可見水泥石在三軸應力試驗條件下，其力學形變能力大大增強。通過三軸應力－應變曲線可看出，水泥石養護48h后，添加改性纖維的水泥石抗壓強度小于原漿水泥石，但其形變能力強于原漿水泥石，軸向峰值應變最大為1.209%。隨著養護齡期的延長，改性纖維水泥石三軸抗壓強度接近原漿水泥石，軸向峰值應變降低。因此隨著養護時間的延長，水泥石在低壓應力下力學形變能力減弱。

圖1 水泥石養護48h應力與應變關系

圖2 水泥石養護15d應力與應變關系

應力－應變曲線是表征材料力學性能的一個重要參數，材料在彈性變形階段，應力與應變成正比關系，兩者之間的比值稱為彈性模量。彈性模量是材料剛性的量度，彈性模量越大，材料變形能力越差，越易脆裂，故彈性模量從另一個方面表征材料韌性的大小。彈性模量是指材料在彈性限度內的形變能力大小，礦場應用在強度滿足要求的前提下，應最大限度的降低水泥石的壓縮彈性模量。表6為原漿水泥石和優選配方水泥石在三軸受力下的性能。

表6 水泥石的力學性能

由表6可看出，改性纖維對水泥石彈性模量的影響較大，隨著養護齡期的延長，水泥石抗壓強度增加，彈性模量增加，但養護15d的彈性模量仍然比原漿水泥石低，說明改性纖維有改善水泥石韌性的作用。另外，從軸向峰值應變的增加也較好的反應了改性纖維水泥石有較好的改善水泥石韌性的作用，養護15d的軸向峰值應變仍高于原漿水泥石。改性纖維的引入，較大程度增加了水泥石在彈性區內的力學形變能力，試驗表明，加入改性纖維的水泥石力學形變能力很好。

4 G級微膨脹纖維水泥漿體系綜合性能

表7所示為研制的G級微膨脹纖維水泥漿體系的綜合性能。由表7中數據可以看出，研制的G級微膨脹纖維水泥漿體系的抗壓強度為28.1MPa，滿足大于14MPa的礦場施工要求；濾失量僅為24ml，滿足小于50ml的礦場施工要求；穩定性為0.01g／cm3，滿足小于0.02g／cm3的礦場施工要求。

此外，水泥類堵劑具有較脆的缺點，在承受儲氣庫反復注氣采氣的交變應力后易受破壞，產生裂紋，給儲氣庫的安全運行帶來隱患。因此，用于封堵井筒的水泥類堵劑必須是高韌性的，具有較高的抗折強度。從表7數據可以看出，研制的G級微膨脹纖維水泥漿封堵劑的抗折強度高達12.0MPa，完全能滿足礦場封堵強度的要求。

表7 G級微膨脹纖維水泥漿的綜合性能

5 結論與認識

1）針對常規水泥漿體系在儲氣庫老井井筒中封堵效果差的現狀，提出并優化了一種新型的封堵體系——G級微膨脹纖維水泥漿體系，其配方為93%G級水泥＋2%微硅＋3%JB－1＋2%SNP＋0.05%ST500L＋0.3%ST200R＋4%ST900L＋0.8%SXY－2。

2）研制的G級微膨脹纖維水泥漿體系配方水泥石未表現出脆性材料的特征，通過改性纖維的引入，較大程度增加了水泥石在彈性區內的力學形變能力，體系配方抗壓強度為28.1MPa，抗折強度高達12.0MPa，濾失量僅為24ml，穩定性為0.01g／cm3，滿足礦場施工的要求。

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