一種控制環空帶壓自修復水泥漿體系研究

項 楠

（江漢石油工程有限公司鉆井一公司固井工程公司，湖北潛江 433123）

頁巖氣開發生產中的同步壓裂技術常使用于多口配對井開采時，同時壓裂，使壓裂液以及配套支撐劑通過高壓，逐漸從一口井注入到另一口井，來增加水力壓裂裂縫網絡的表面積，從而改變空間，最大限度使巖層天然裂縫連通[1-3]。頁巖氣水平井壓裂需要在水平段進行多段分段射孔壓裂，這對頁巖氣井固井質量提出了更高的要求[4-7]，要求水泥石不但要能完整充填環空，具有良好的膠結性能，還要有自修復能力，以保證壓裂過程中對層間進行有效封隔和后續生產作業順利進行[8-9]。因此，需要設計一套性能優異的自修復水泥漿體系，通過對水泥石力學性能優化，并使水泥漿具有一定自修復性能，可有效預防頁巖氣水平井固井作業的環空帶壓問題，為該氣田的后續勘探開發提供技術保障。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

嘉華G 級水泥，四川嘉華特種水泥廠；淡水、降濾失劑FLO-S、分散劑DAS、緩凝劑RAL、消泡劑CF40L、增強劑STR、增韌劑REG-4，荊州嘉華科技有限公司；自修復劑TBR-1，實驗室自制。

恒速攪拌器TG-3060、六速旋轉黏度計TG-3060、高溫高壓稠化儀TG-8040、高溫高壓失水儀TG-71，沈陽泰格石油儀器設備制造有限公司；勻加荷壓力試驗機YJ-2001，青島森欣機電設備有限公司；冷場發射掃描電子顯微鏡SU8010，日立公司；HCY-2 高溫高壓巖心流動試驗儀，海安華達石油儀器有限公司。

1.2 實驗方法

（1）水泥漿性能評價：按照國家標準GB 10238—2005《油井水泥》和GB/T 19139—2012《油井水泥試驗方法》開展水泥漿性能評價[10]。

（2）水泥石自修復率評價固井水泥環自修復性能的方法：使用巖心流動裝置測定水泥石裂縫產生前后滲透率的變化。該方法的基本原理是達西滲流定律，測得的水泥石滲透率的變化值采用如下公式就可以獲得水泥石自修復率：

式中：K前和K后分別是裂縫修復前后滲透率。其中當K后>K前，表示該自修復水泥石具有自修復微裂縫的功能；當K前=K后，表示自修復水泥石無自修復微裂縫的功能。當滲透率自修復率超過70.00%時，表明該水泥石自修復性能較好。

（3）微觀形態分析：用冷場發射掃描電子顯微鏡SU8010 觀察水泥石電鏡掃描圖。

2 結果與討論

2.1 自修復水泥漿體系材料的優選

2.1.1 緩凝劑的研究 緩凝劑的作用主要是調節水泥漿的稠化時間[11-12]，在進行固井水泥漿體系的設計時，結合頁巖氣固井施工作業選擇合適的緩凝劑來合理的控制和調節水泥漿的稠化時間和稠化轉化時間是重要環節之一。因此，在緩凝劑作用機理的基礎上，室內對緩凝劑RAL 不同加量下水泥漿稠化性能進行了評價，實驗結果見圖1。

圖1 不同RAL 加量下水泥漿稠化性能評價

從圖1 可以看出，隨著RAL 加量的增加，水泥漿稠化時間呈線性調節，說明RAL 加量變化不敏感，緩凝效果穩定，且稠化轉化時間均小于20 min，稠化時間和稠化曲線都能滿足頁巖氣固井施工要求。根據實際需要，為滿足頁巖氣固井作業，RAL 加量控制在0.4%。

2.1.2 增韌劑的研究 頁巖氣固井對水泥石力學性能要求較高。結合材料學的原理和前人的研究可知，目前用的比較多的增韌材料為纖維、膠乳、彈性顆粒等[13-15]，在水泥漿中添加彈韌材料可以提高水泥石的力學性能，改善水泥石的沖擊韌性，達到防止水泥石破裂的效果。為了優化自修復水泥漿體系的力學性能，提高水泥漿韌性，實驗選取彈韌性聚合乳液REG-4、杜拉纖維以及固體膠乳粉作為增韌劑對水泥漿強度性能和柔韌性能進行評價，結果見表1。

表1 增韌劑的篩選評價

從表1 可以看出，加入了增韌劑的水泥漿，水泥石的抗壓強度、抗沖擊強度及抗拉伸強度等力學性能均得到明顯提高，但是添加REG-4 水泥石力學性能最優，抗壓強度提高了36%，抗沖擊強度提高了44%，彈性模量降低了46%，滿足現場固井作業需求，綜合分析水泥漿性能，水泥漿體系選擇REG-4 作為增韌劑。

為了進一步研究REG-4 對水泥石力學性能的影響，在不同REG-4 加量下對水泥石力學性能開展了評價（圖2）。

圖2 不同REG-4 加量對水泥石力學性能影響

從圖2 可以發現，隨著REG-4 加量的增加，水泥石抗壓強度略微下降，但是均大于20.0 MPa，水泥石抗沖擊強度增大，彈性模量降低；當REG-4 加量為4%時，水泥石彈性模量小于6.00 GPa，抗沖擊強度達2.45 kJ/m2，綜合力學性能最優，這是由于REG-4 形成的交聯結構與油井水泥水化產物相互滲透，增加水泥石致密性，提高水泥石的彈性和韌性，降低水泥石脆性，因此，推薦REG-4 加量為4%。

2.1.3 自修復劑的優選 為了滿足頁巖氣固井作業條件，室內引入具有特殊功能基團的聚合物材料自修復劑TBR-1 加入到水泥漿，采用HCY-2 高溫高壓巖心流動試驗儀測量不同加量TBR-1 的水泥石巖心滲透率，水泥石自修復率結果見圖3。

圖3 不同TBR-1 加量對水泥石自修復效果的影響

從圖3 可以看出，當加入TBR-1 后，水泥石自修復率得到明顯提高，當加入5%的TBR-1 時水泥石自修復率達82.10%，表明加入TBR-1 的水泥石修復性能更好，這是由于該材料加入到水泥漿中，當水泥石產生裂縫后，TBR-1 可以與地層中竄流流體接觸后被自動激活，利用材料的體積膨脹來修復微裂縫,起到防竄、修復的功能。推薦TBR-1 加量為5%。

2.2 自修復水泥漿體系綜合性能評價

結合頁巖氣固井地質特征，采用RAL 控制水泥漿稠化性能、REG-4 提高水泥石的彈性和韌性及TBR-1的修復性，在此研究的基礎上并協同其他固井添加劑形成了一套自修復水泥漿體系，該水泥漿配方為：嘉華G 級水泥+52.0%淡水+2.0%降濾失劑FLO-S+1.0%分散劑DAS+0.4%緩凝劑RAL+0.8%消泡劑CF40L+2.0%增強劑STR+4.0%增韌劑REG-4+5.0%自修復劑TBR-1，針對該配方在不同溫度下對自修復水泥漿體系綜合性能進行了評價，實驗結果見表2。

從表2 可以看出，在不同溫度條件下，自修復水泥漿體系的流行指數大于0.70，稠度系數小于0.5，說明該水泥漿的流變性好，上下密度差為0，說明漿體的沉降穩定性好，且失水量小于40 mL，滿足頁巖氣固井作業需求。從表2 還可以發現，該自修復水泥漿體系的抗壓強度大于23.0 MPa，抗沖擊強度可達2.49 kJ/m2，彈性模量最低小于5.50 GPa，說明增韌劑加入水泥漿改善了水泥石的彈性和韌性，防氣竄系數SPN 大于1.00，說明具有良好的防氣竄性能。

2.3 水泥漿自修復性能評價

為了研究自修復水泥漿體系的修復性，水泥石巖心在液化石油氣介質中分別養護不同時間，對比分析加入TBR-1 的巖心滲透率自修復率以及未加TBR-1的韌性水泥石巖心滲透率自修復率，結果見表3。

表3 水泥石滲透率自修復性能

從表3 不難發現，48 h 后自修復水泥漿體系自修復率明顯增大，72 h 自修復率達84.10%，能有效防止氣體在微裂縫間竄流。未加TBR-1 幾乎無自修復現象。

2.4 自修復水泥漿體系微觀結構分析

為了更為直觀的對自修復水泥石展現環空帶壓自修復水泥漿體系的特征，室內對普通韌性水泥石與自修復水泥石的微觀結構進行對比分析，從圖4 可以看出，普通韌性水泥石受到破壞后有很多孔洞，水泥石顆粒之間很分散，而從圖5 不難發現，水泥石破壞后的內部可以明顯看出很多拉絲的網狀結構，這樣水泥水化形成的產物與韌性自修復體軟化網狀結構交織在一起，改善了水泥石基質結構和性能，降低了自修復水泥石的彈性模量并提高了其變形能力，另外還可以看到水泥石內部基本沒有孔隙，這是由于自修復材料與竄流流體接觸后產生體積膨脹修復微裂縫，說明彈韌性材料與自修復材料協同使用保證韌性的同時兼顧自修復性能，達到控制環空帶壓的目的。

圖4 普通韌性水泥石

圖5 自修復水泥石

3 結論

（1）根據頁巖氣固井環空帶壓難點分析，通過對緩凝劑的篩選，優選緩凝劑RAL，并根據研究確定體系RAL 加量為0.4%。該緩凝效果穩定，且稠化轉化時間均小于20 min，稠化時間可調，滿足頁巖氣固井施工要求。

（2）通過彈韌性聚合乳液REG-4 和化學復配合成的自修復劑協同使用，一方面提高水泥石力學性能，降低了水泥石的彈性模量，增強水泥石的彈性形變能力，另一方面研制的自修復劑TBR-1 與竄流流體接觸后產生體積膨脹可以有效修復微裂縫，達到控制環空帶壓的目的。

（3）通過對自修復水泥漿體系主要材料的研究，構建了一套控制環空帶壓自修復水泥漿體系，該自修復水泥漿體系具有良好的流變性和漿體穩定性，且增韌劑的加入改善了水泥石的力學性能，自修復水泥漿體系的抗壓強度大于23.0 MPa，抗沖擊強度可達2.49 kJ/m2，彈性模量最低小于5.50 GPa，水泥石具有良好的彈性和韌性，防氣竄系數SPN 大于1.00，具有良好的防氣竄性能。尤其是水泥石的72 h 滲透率自修復率達到84.10%，對微裂縫修復效果好，實現了自修復水泥漿體系對水泥石自修復性能要求，為頁巖氣現場固井提供了技術支撐。