稠油熱采井固井耐高溫彈性增韌劑的性能研究

凌偉漢

（中海油服采辦共享中心深圳分中心，廣東深圳 518120）

稠油熱采井水泥環與套管在井下受限空間內同時受到往復式受熱膨脹、降溫收縮的相互影響，極易出現水泥環密封失效的問題[1-2]。從成本角度考慮，國內外很多使用硅酸鹽水泥協同硅粉克服水泥石高溫條件下強度的衰退，這種方法雖然保證了水泥石高溫的強度，在很多熱采井現場作業中，長期的蒸汽注入水泥環依舊受到破壞[3-5]。國外研究者通過研究認為耐高溫水泥石在高溫下破壞的原因是水泥石的韌性不足，由于水泥石與套管材料的熱膨脹系數不一致，導致在反復加熱和冷卻的過程中，水泥石周期性地受到熱剪切應力的作用，從而導致破壞[6-9]。因此，研究者提出了提高熱采井水泥石彈性的要求，并通過在水泥漿配方中加入韌性材料來提高水泥石的韌性，且通過現場實踐取得了較好的效果。目前，國內對熱采井水泥石的研究主要集中在耐高溫水泥漿體系的研究；雖然也有學者開展了彈性水泥石的研究，但是這方面的研究大多集中在常規井溫條件下，采用韌性材料能承受的高溫低于200 ℃，不能滿足熱采井高溫彈性水泥石的要求[10]。因此，室內針對不同彈性增韌材料展開了研究，優選了抗高溫達350 ℃的高溫彈性增韌劑（TBJ-1），該材料加入到水泥漿中不僅強度不發生衰退，使水泥石具有良好的抗沖擊能力和彈韌性，確保了水泥石在高低溫交替作用下的界面膠結強度，保證了熱采井固井水泥環的長期完整性。

1 熱采井彈性增韌劑優選研究

1.1 彈性增韌材料要求

在熱采井中，周期性注蒸汽井的溫度在150 ℃以上，最高溫度可達350 ℃，當套管內的壓力和溫度升高時，較高的拉伸應力有可能導致水泥石拉伸開裂，導致水泥石失效[6，11]。水泥石韌性通常說的是在地層和外力作用于水泥環時表現出最大抗折能力，提高油井水泥石的韌性，有利于減緩應力集中[12]，當水泥石韌性越好，抗折強度和拉伸強度越高。對于高低溫交替作用的熱采井，除了有韌性外，水泥石楊氏模量低能夠減少誘導應力，因此，需要提高水泥的彈性特征，在受到外部機械作用時增加水泥石的形變能力，保證熱采井作業固井的長期完整性。

1.2 不同彈性增韌材料耐高溫性評價

為了提高水泥石的彈性，一般選擇在水泥漿體系中添加彈性增韌材料，常用的彈性增韌材料有膠乳粉、橡膠粉等，可是這兩類彈性增韌材料耐高溫有限，在稠油熱采井高溫條件下會發生降解。為了防止彈性增韌材料在高溫下降解，國外有學者采用了耐高溫樹脂粉聚醚醚酮（MT）作為耐高溫彈性增韌材料，但是該材料價格高，類似的研究在國內很少。實驗室通過篩選研究發現，柔性石墨粉與碳纖維按質量比3∶1 復配混合，在混合液中同時加入聚合物乳液，然后超聲震蕩分散均勻，再在60～80 ℃恒溫養護2 h 后，加溫至200 ℃后冷卻合成了一種高溫彈性增韌劑（TBJ-1），該材料具有很好的耐高溫性能，并能夠有效地增加稠油熱采井固井水泥石的彈性和韌性。為了考察四種材料的耐高溫性能，采用差示掃描量熱儀（DSC）對四種材料進行了分析，從分析結果可以看出，膠乳粉和橡膠粉的熱分解溫度均在300 ℃以下，而MT 以及TBJ-1 分解溫度均在300 ℃以上。因此，MT 和TBJ-1 滿足稠油熱采井高溫固井作業需求。

1.3 不同彈性增韌材料對水泥石力學性能的影響

為了進一步分析高溫條件下，MT 和TBJ-1 對水泥石力學性能的影響，分別將加有MT 和TBJ-1 的水泥石在350 ℃條件下養護7 d 后，對水泥石的力學性能進行了檢測，實驗結果見表1。

表1 加入彈性增韌材料水泥石高溫養護后抗壓強度和抗沖擊強度數據分析

從表1 可以看出，加有MT 和TBJ-1 的水泥石在高溫養護后，水泥石抗壓強度和抗沖擊強度得到明顯提高，但是TBJ-1 力學性能明顯優于MT。另外，MT 成本高，其在現場的應用會受到較大的限制，所以室內選擇TBJ-1，該材料具有惰性及耐高溫的特點，完全能夠滿足油井熱采過程苛刻的溫度和力學要求。

2 TBJ-1 對水泥漿性能的影響

2.1 TBJ-1 對水泥漿常規性能影響評價

在水泥漿注入井底的時候，首先經歷頂部的低溫段，稠油熱采井使用的水泥漿溫度范圍在30～90 ℃，因此，室內在80 ℃環境下對不同TBJ-1 加量的水泥漿性能進行了評價（表2）。

表2 TBJ-1 加量對水泥漿性能的影響

從表2 實驗結果可以看出，隨著TBJ-1 加量的增加，漿體稠化時間呈增加趨勢，API 失水量變化極小，均小于50 mL，抗壓強度先增大后減小，但加入了彈性增韌材料的水泥石抗壓強度整體是增大的，說明該TBJ-1 主鏈中含有苯環，因其空間位阻較大，使聚合物主鏈具有剛性，不會降低水泥石的抗壓強度。當TBJ-1加量為0.2%時，水泥石的抗壓強度增大了60%，抗沖擊強度逐漸增大，增大了49%，水泥漿的綜合性能能夠滿足要求。

2.2 TBJ-1 對水泥石彈性性能評價

在沖擊載荷外力作用下油井水泥石會發生破裂，主要是水泥石發生形變和斷裂兩個過程引起的，可以用彈性模量E 來表征材料在彈性范圍內抵抗變形的難易程度，彈性模量越低，說明在彈性變形范圍內，材料具有可恢復變形能力越大。因此，室內開展了不同TBJ-1 加量的彈性性能評價，見圖1。

圖1 不同TBJ-1 加量的彈性性能評價

從圖1 可以看出，隨著TBJ-1 加量的增大，水泥石彈性模量逐漸降低，當加入0.2%～0.3%的TBJ-1，水泥石彈性模量在4 000 MPa 以下，滿足耐高溫的要求，在高溫下仍能賦予水泥石足夠的彈性。綜合上述TBJ-1水泥石各項性能評價，推薦TBJ-1 加量為0.2%，稠油熱采井水泥石性能最好。

2.3 加入TBJ-1 的水泥石在長期高溫養護下力學性能評價

熱采井在生產過程中，會長期持續的受到高溫的作用，為考察TBJ-1 彈性增韌水泥漿體系在高溫下長期的強度衰減性能，室內評價了350 ℃養護溫度下，水泥石經28 d 養護后的力學性能變化。水泥石在長期高溫養護下的強度衰減性能見表3。

表3 水泥石在長期高溫養護下的強度衰減性能

從表3 可以看出，水泥石在350 ℃養護下，28 d 后其抗壓強度仍有18.99 MPa，且21 d 后，其強度衰減非常緩慢，說明該水泥漿體系在高溫下具有很好的長期強度穩定性能。其彈性模量經過長期高溫養護后，雖然有所下降，但是變化不是很明顯，仍然在4 000 MPa 以下，這是由于TBJ-1 層間膨脹之后再壓縮，空氣留在層間造成孔隙，水泥石經過長期高溫養護后，提高水泥石韌性和彈性。

2.4 高低溫多輪次交變養護下水泥石膠結強度評價

高低溫多輪次交變養護下水泥石與套管膠結強度的測試過程如下：利用內徑為50 mm、高度為100 mm的鋼管模擬套管，然后將水泥漿灌入鋼管中，經80 ℃、48 h 養護后，再放于超高溫養護釜中進行交變升降溫的養護。然后將試樣放置在試驗機上進行膠結強度的測試。膠結強度測試結果見表4。

表4 膠結強度測試結果

從表4 可以看出，水泥石與套管膠結后在80 ℃常壓養護48 h 后，其膠結強度為1.61 MPa。但是經高溫養護后，水泥石與套管的膠結強度反而有所上升，這可能是因為水泥石在80 ℃養護48 h 后，在水泥漿體系中加入彈性顆粒可終止裂紋發展，提高材料的沖擊韌性。同時高溫可以使彈性水泥石膨脹，因此，與套管的膠結更加牢固。經過充分的水化后，水泥石與套管經過多輪次的高低溫養護后其膠結強度呈現下降趨勢，但是變化并不是十分明顯，且膠結強度大于2.50 MPa，說明高低溫的交變養護對水泥石與套管的膠結強度影響不大，滿足稠油熱采井固井作業需求。

2.5 TBJ-1 對水泥石微觀結構的影響

采用SU8010 冷場發射掃描電子顯微鏡對未添加TBJ-1 的水泥石與加入0.2%TBJ-1 的水泥石進行微觀形貌分析（圖2）。由圖2 可以發現，沒有加入TBJ-1 的水泥石質地不均勻，有很多孔洞，表面粗糙，加入了0.2%TBJ-1 的水泥石具有回彈性的蠕蟲狀物質，可以迅速膨脹，使得水泥石具有彈性，另外該材料表面能高，有較強的吸附能力，在自然狀態下就互相勾掛咬合，增加了水泥石的致密性和沖擊韌性，提高了稠油熱采井高低溫作用下水泥環的完整性。

圖2 350 ℃養護后水泥石電鏡掃描圖

3 結論

（1）通過對熱采井作業環境的分析，對膠乳粉、橡膠粉、耐高溫樹脂粉聚醚醚酮（MT）以及耐高溫增韌劑（TBJ-1）進行耐高溫性能對比評價，只有MT 和TBJ-1分解溫度在300 ℃以上，但是綜合力學性能和成本考慮，優選TBJ-1 能夠滿足稠油熱采井高溫固井作業需求。

（2）對加入TBJ-1 的水泥石展開性能分析，當TBJ-1 的加量為0.2%時，水泥石的抗壓強度增大了60%，抗沖擊強度逐漸增大，增大了49%，加入TBJ-1 的水泥石彈性模量在4 000 MPa 以下，滿足耐高溫的要求，在高溫下仍能賦予水泥石足夠的彈性。

（3）通過對彈性增韌水泥漿體系在高溫下長期的強度衰減情況和彈性模量分析可知，水泥石在350 ℃養護下，28 d 后其抗壓強度仍有18.99 MPa，且21 d 后強度衰減非常緩慢。其彈性模量在長期高溫養護后，雖然有所下降，但是變化不是很明顯，仍然在4 000 MPa 以下，說明該水泥漿體系在高溫下具有很好的長期強度穩定性能和彈韌性。

（4）水泥石與套管經過多輪次的高低溫養護后其膠結強度大于2.50 MPa 且4 輪次高低溫作用后膠結強度影響不大，說明彈性增韌材料具有良好的回彈性和吸附作用，提高水泥石的彈性，增加了水泥石與套管的密封性，確保了350 ℃稠油熱采井水泥環的完整性。