焦滟琪，楊遠(yuǎn)光 （西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，四川 成都610500）

隨著天然氣勘探開發(fā)技術(shù)的進(jìn)步，天然氣的產(chǎn)量逐漸遞增，由于天然氣的消費(fèi)具有季節(jié)不均衡性，儲(chǔ)氣量大、安全系數(shù)高的儲(chǔ)氣庫已經(jīng)成為輸配氣系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，目前世界上70%左右的儲(chǔ)氣庫是由枯竭型的油氣藏改造而來。國內(nèi)的儲(chǔ)氣庫建設(shè)起步較晚，截止到目前，華北、西北、西南等地建設(shè)了大量地下儲(chǔ)氣庫。在地下儲(chǔ)氣庫建設(shè)中，老井井筒的封堵質(zhì)量影響儲(chǔ)氣庫的安全系數(shù)。如果廢氣井井筒封堵失效，地下天然氣將會(huì)泄漏至地面，導(dǎo)致天然氣資源大量流失。更為嚴(yán)重者會(huì)導(dǎo)致井口漏氣，著火爆炸，給安全生產(chǎn)帶來隱患，儲(chǔ)氣庫廢棄老井的井筒封堵對(duì)儲(chǔ)氣庫安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行意義重大［1～3］。

目前，國內(nèi)針對(duì)儲(chǔ)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(yōu)良、施工工藝合理，都能達(dá)到封堵的目的。儲(chǔ)氣庫老井井筒封堵有別于常規(guī)油氣井，老井井筒封堵后，儲(chǔ)氣庫老井的套管處的壓力始終處于一種交變狀態(tài)，因此對(duì)老井井筒封堵的可靠性要求更高［4，5］。由于常規(guī)的封井工藝可靠性差，不能滿足儲(chǔ)氣庫老井井筒的封堵需要，因此急需研究一套適合儲(chǔ)氣庫老井井筒的封堵劑體系。常規(guī)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(shí)，易形成微間隙或由于水泥石的高脆性產(chǎn)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(chǔ)上［6～9］，通過對(duì)油井外加添加劑的優(yōu)化，優(yōu)選出了一套適宜于儲(chǔ)氣庫老井井筒的封堵體系——G級(jí)微膨脹纖維水泥漿體系，并評(píng)價(jià)了纖維水泥石的力學(xué)形變性能和水泥漿體系的綜合性能。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

1）試劑 G級(jí)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(dá)科工貿(mào)發(fā)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(jī)羧酸衍生物）（天津四達(dá)科工貿(mào)發(fā)展有限公司）、膨脹劑SNP（合成鈣鋁氧化物）（成都聚博科技發(fā)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(dá)科工貿(mào)發(fā)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(zhuǎn)黏度計(jì)（得順電子機(jī)械有限公司）、高溫高壓失水儀（得順電子機(jī)械有限公司）、OWC－9350型常壓稠度儀（沈陽航空工業(yè)學(xué)院）、HH－8數(shù)顯恒溫水浴鍋（杰瑞爾電器有限公司）、CS202型電熱鼓風(fēng)干燥箱（上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司）、CSS－2205型電子萬能壓力試驗(yàn)機(jī)（濟(jì)南一諾世紀(jì)試驗(yàn)儀器有限公司）、KZY－30型電動(dòng)抗折儀（無錫材料儀器機(jī)械廠）。

1.2 試驗(yàn)方法

1）G級(jí)微膨脹纖維水泥漿體系優(yōu)選 按API規(guī)范10和GB／T 19139－2003進(jìn)行水泥漿配漿及工程性能測試。分別優(yōu)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(xué)形變性能評(píng)價(jià) 采用三軸應(yīng)力試驗(yàn)來表征纖維對(duì)水泥石力學(xué)形變能力的影響。試驗(yàn)方法是，將水泥漿在93℃下養(yǎng)護(hù)不同齡期，三軸應(yīng)力試驗(yàn)時(shí)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(jí)微膨脹纖維水泥漿體系的綜合性能 根據(jù)SY／T 5546－92測試了G級(jí)微膨脹纖維水泥漿體系的綜合性能。

2 G級(jí)微膨脹纖維水泥漿體系優(yōu)選

2.1 降失水劑加量的優(yōu)化

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

由表1可看出，基礎(chǔ)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(dāng)降失水劑加量為4%時(shí)，失水量為52ml，基本達(dá)到規(guī)定的要求；當(dāng)加量為6%時(shí)，失水量為36ml。降失水劑濃度變化對(duì)稠化時(shí)間影響較大，當(dāng)降失水劑加量為2%時(shí)，稠化時(shí)間與基礎(chǔ)配方相近，當(dāng)濃度達(dá)到4%后，稠化時(shí)間增加，達(dá)到320min，能滿足現(xiàn)場施工的要求。ST900L延緩稠化時(shí)間的機(jī)理是，當(dāng)水溶性聚合物與水泥顆?；旌虾螅酆衔锬の接谒囝w粒表面，形成吸附水化層，在一定時(shí)間內(nèi)阻止水泥顆粒的繼續(xù)水化，濃度越大吸附水化層越厚，稠化時(shí)間越長［10］。降失水劑對(duì)水泥漿體密度、穩(wěn)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(yōu)化

以98%G級(jí)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(chǔ)配方，通過在基礎(chǔ)配方中改變分散劑SXY－2的加量，測試分散劑加量對(duì)水泥漿體系性能參數(shù)的影響，結(jié)果見表2。

表1 降失水劑的加量對(duì)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(duì)基礎(chǔ)配方的流動(dòng)度有較好的改善作用，隨著分散劑濃度的增加，漿體流動(dòng)度增加，分散劑加量為0.8%時(shí)，流動(dòng)度為230mm，較基礎(chǔ)配方改善作用明顯。另外，隨著分散劑濃度增加，稠化時(shí)間先增加后縮短，這說明分散劑的加量對(duì)稠化時(shí)間的影響有一個(gè)臨界值，當(dāng)加量為1.2%時(shí)，稠化時(shí)間為319min，能夠滿足現(xiàn)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(duì)漿體穩(wěn)定性能及游離液影響不明顯。綜合考慮流變性和施工時(shí)間的要求，分散劑加量確定為0.8%。

表2 分散劑的加量對(duì)井筒封堵水泥漿體系性能的影響

2.3 緩凝劑加量的優(yōu)化

由于常規(guī)的G級(jí)水泥漿初凝時(shí)間較短，不能滿足現(xiàn)場長時(shí)間施工的要求，因此為了延長水泥漿的初凝時(shí)間，必須添加合適的緩凝劑。以98%G級(jí)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(chǔ)配方，通過在基礎(chǔ)配方中改變緩凝劑ST200R加量，測試緩凝劑加量對(duì)水泥漿性能參數(shù)的影響，結(jié)果見表3。

由表3可看出，緩凝劑ST200R對(duì)封堵體系的緩凝效果明顯，0.3%濃度的ST200R稠化時(shí)間達(dá)到300min以上。ST200R緩凝劑作為一種有機(jī)羧酸衍生物，主要靠分子中β和α位羥基羧酸基團(tuán)對(duì)Ca2＋的鰲合作用，形成高度穩(wěn)定的五元環(huán)或六元環(huán)結(jié)構(gòu)，部分地被吸附于水泥顆粒表面，毒化晶核，阻止水化產(chǎn)物形成［11］。綜合考慮，優(yōu)選緩凝劑ST200R的加量為0.3%。

2.4 纖維增塑劑加量的優(yōu)化

表3 緩凝劑對(duì)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(dāng)受到應(yīng)力超過其極限時(shí)，水泥石會(huì)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(guān)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(jí)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(chǔ)配方，通過在基礎(chǔ)配方中改變JB－1用量，測試JB－1加量對(duì)水泥漿性能參數(shù)的影響，結(jié)果見表4。

由表4可看出，JB－1增塑劑對(duì)水泥漿流動(dòng)度、穩(wěn)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(nèi)的纖維粉為一種細(xì)小的絨狀物，能相互搭結(jié)形成致密濾網(wǎng)，水泥顆粒鑲嵌在濾網(wǎng)空隙內(nèi)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(huì)導(dǎo)致漿體流變性變差［12～14］。因此，根據(jù)施工性能的要求，JB－1優(yōu)選加量為3%。

2.5 膨脹劑加量的優(yōu)化

以95%G級(jí)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(chǔ)配方，通過在基礎(chǔ)配方中改變膨脹劑用量，測試膨脹劑加量對(duì)水泥漿性能參數(shù)的影響，結(jié)果見表5。

表4 JB－1加量對(duì)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(shí)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(yīng)活性不同，所以能在水泥水化的不同階段保持穩(wěn)定的膨脹，能有效補(bǔ)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(shí)間有縮短的趨勢，3%的加量范圍內(nèi)，稠化時(shí)間都能滿足現(xiàn)場施工的需要。膨脹劑加量對(duì)水泥漿流動(dòng)度、濾失量、穩(wěn)定性影響不大。綜合考慮，優(yōu)選膨脹劑SNP的加量為2%。

2.6 G級(jí)微膨脹纖維水泥漿體系配方

G級(jí)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(duì)井筒封堵水泥漿體系性能的影響

固相：93%G級(jí)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(xué)形變性能

油井水泥石一般具有較高的抗壓強(qiáng)度和較低的抗拉強(qiáng)度，是一種脆性材料，水泥石脆性程度的大小可用經(jīng)典力學(xué)實(shí)驗(yàn)應(yīng)力與應(yīng)變?cè)囼?yàn)來表征［18，19］。

圖1和圖2為水泥石不同養(yǎng)護(hù)齡期下應(yīng)力應(yīng)變關(guān)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(yàn)條件下，都未表現(xiàn)出脆性材料的特征。水泥石在圍壓狀態(tài)下，隨著加載應(yīng)力的增大應(yīng)變?cè)谥饾u增大，偏離直線方向，曲線曲率增大，水泥石在高應(yīng)力下表現(xiàn)出一定的塑性特性，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到水泥石極限應(yīng)力時(shí)并未破碎，表現(xiàn)出延性破壞特性?？梢娝嗍谌S應(yīng)力試驗(yàn)條件下，其力學(xué)形變能力大大增強(qiáng)。通過三軸應(yīng)力－應(yīng)變曲線可看出，水泥石養(yǎng)護(hù)48h后，添加改性纖維的水泥石抗壓強(qiáng)度小于原漿水泥石，但其形變能力強(qiáng)于原漿水泥石，軸向峰值應(yīng)變最大為1.209%。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長，改性纖維水泥石三軸抗壓強(qiáng)度接近原漿水泥石，軸向峰值應(yīng)變降低。因此隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長，水泥石在低壓應(yīng)力下力學(xué)形變能力減弱。

圖1 水泥石養(yǎng)護(hù)48h應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系

圖2 水泥石養(yǎng)護(hù)15d應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系

應(yīng)力－應(yīng)變曲線是表征材料力學(xué)性能的一個(gè)重要參數(shù)，材料在彈性變形階段，應(yīng)力與應(yīng)變成正比關(guān)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(gè)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(nèi)的形變能力大小，礦場應(yīng)用在強(qiáng)度滿足要求的前提下，應(yīng)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(yōu)選配方水泥石在三軸受力下的性能。

表6 水泥石的力學(xué)性能

由表6可看出，改性纖維對(duì)水泥石彈性模量的影響較大，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長，水泥石抗壓強(qiáng)度增加，彈性模量增加，但養(yǎng)護(hù)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(yīng)變的增加也較好的反應(yīng)了改性纖維水泥石有較好的改善水泥石韌性的作用，養(yǎng)護(hù)15d的軸向峰值應(yīng)變?nèi)愿哂谠瓭{水泥石。改性纖維的引入，較大程度增加了水泥石在彈性區(qū)內(nèi)的力學(xué)形變能力，試驗(yàn)表明，加入改性纖維的水泥石力學(xué)形變能力很好。

4 G級(jí)微膨脹纖維水泥漿體系綜合性能

表7所示為研制的G級(jí)微膨脹纖維水泥漿體系的綜合性能。由表7中數(shù)據(jù)可以看出，研制的G級(jí)微膨脹纖維水泥漿體系的抗壓強(qiáng)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(wěn)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(diǎn)，在承受儲(chǔ)氣庫反復(fù)注氣采氣的交變應(yīng)力后易受破壞，產(chǎn)生裂紋，給儲(chǔ)氣庫的安全運(yùn)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(qiáng)度。從表7數(shù)據(jù)可以看出，研制的G級(jí)微膨脹纖維水泥漿封堵劑的抗折強(qiáng)度高達(dá)12.0MPa，完全能滿足礦場封堵強(qiáng)度的要求。

表7 G級(jí)微膨脹纖維水泥漿的綜合性能

5 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

1）針對(duì)常規(guī)水泥漿體系在儲(chǔ)氣庫老井井筒中封堵效果差的現(xiàn)狀，提出并優(yōu)化了一種新型的封堵體系——G級(jí)微膨脹纖維水泥漿體系，其配方為93%G級(jí)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(jí)微膨脹纖維水泥漿體系配方水泥石未表現(xiàn)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(qū)內(nèi)的力學(xué)形變能力，體系配方抗壓強(qiáng)度為28.1MPa，抗折強(qiáng)度高達(dá)12.0MPa，濾失量僅為24ml，穩(wěn)定性為0.01g／cm3，滿足礦場施工的要求。

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