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(西南石油大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，四川 成都 610500)

油氣井固井水泥環(huán)因受射孔、試壓、鉆進(jìn)、壓裂、開采等外力作用和地下巖層復(fù)雜作用力而產(chǎn)生裂縫和環(huán)隙，造成地下流體竄流和環(huán)空帶壓，嚴(yán)重威脅油氣井的安全生產(chǎn)和使用壽命。傳統(tǒng)的擠水泥方法由于處理難度大、成功率低，僅適用于大裂縫的修復(fù)。為解決水泥石微裂縫和環(huán)隙的修復(fù)問題，近年來國內(nèi)外均開展了自修復(fù)(自愈合)水泥漿體系研究。自修復(fù)水泥可在不中斷生產(chǎn)的情況下，修復(fù)微裂縫，恢復(fù)水泥環(huán)的完整性[1]。

根據(jù)水泥石裂縫自修復(fù)激發(fā)機(jī)制的不同，自修復(fù)油氣井水泥可分為烴類激發(fā)膨脹自修復(fù)和遇水自修復(fù)型。烴類激發(fā)膨脹自修復(fù)的裂縫修復(fù)速率快，效率高，研究較多，已有現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用[2]。遇水自修復(fù)的研究相對(duì)較少。遇水自修復(fù)材料主要包括吸水樹脂和遇水再結(jié)晶自愈合劑兩大類[3-4]。吸水樹脂作用原理與吸油樹脂作用原理類似，主要是通過物理吸附滲入裂縫的水，自身膨脹封堵裂縫。遇水再結(jié)晶自愈合劑則不同，它在水泥水化初期在水泥環(huán)中是惰性存在的，一旦水泥環(huán)產(chǎn)生微裂紋滲水后，自愈合劑可與侵入水及硅酸鹽水泥水化產(chǎn)物再次反應(yīng)生成新的結(jié)晶沉淀封堵微裂紋，其封堵過程是化學(xué)反應(yīng)，封堵力強(qiáng)，且遇水再結(jié)晶自愈合劑是親水的，與水泥漿相容性好，對(duì)固井水泥漿的其他性能影響不大，降低了固井水泥漿配方設(shè)計(jì)難度。

本文中作者采用相分離法制備了一種以蘋果酸為活性成分的膠囊型油井水泥自修復(fù)材料，對(duì)其進(jìn)行了紅外光譜表征，滲透率測(cè)試表明，加有該材料水泥石具有較好的遇水自修復(fù)性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)藥品與儀器

DL-蘋果酸；酚酞；氫氧化鈉；乙醇(以上所用試劑均為分析純，由成都科龍?jiān)噭S提供)；乙基纖維素、聚乙烯(上海阿拉丁生化科技股份有限公司)；G 級(jí)水泥(四川嘉華企業(yè)股份有限公司)；分散劑SXY、降失水劑LT-2(成都川鋒化學(xué)工程有限責(zé)任公司)。

旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀、真空抽濾器、磁力攪拌器、恒溫養(yǎng)護(hù)釜、DFC-0710B增壓稠化儀(青島森欣機(jī)電設(shè)備有限公司)、NYL-300壓力機(jī)(無錫市建筑材料儀器器械廠)、巖心流動(dòng)裝置(江蘇海安石油科技有限公司)、AVATAR 360紅外光譜儀(美國Nicolet公司)。

1.2 蘋果酸膠囊的制備

將60 mL環(huán)己烷加入100 mL三口瓶中，加熱至80 ℃，在500 r/min攪拌下，加入0.20 g聚乙烯，約30 min后聚乙烯溶解完全。將1.0 g乙基纖維素分三次加入三口燒瓶，每次溶解間隔20 min，待乙基纖維素溶解后繼續(xù)攪拌1 h。將5.0 g DL-蘋果酸粉末分三次緩慢加入三口燒瓶，每次溶解間隔20 min。繼續(xù)攪拌2 h后，自然冷卻到室溫，過濾，產(chǎn)品在40 ℃下烘干。

1.3 蘋果酸膠囊的紅外光譜表征

采用溴化鉀壓片法測(cè)試蘋果酸膠囊的紅外光譜。

1.4 蘋果酸膠囊在水泥漿中的性能評(píng)價(jià)

參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 19139-2012油井水泥試驗(yàn)方法》和SY/T 6544-2005《油井水泥漿性能要求》的相關(guān)章節(jié)。用常規(guī)水泥漿配方對(duì)蘋果酸膠囊的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

水泥漿配方1：嘉華G級(jí)油井水泥+5%微硅+0.5%分散劑SXY+1.5%降失水劑LT-2；水灰比：0.44。

水泥漿配方2：嘉華G級(jí)油井水泥+5%微硅+0.5%分散劑SXY+1.5%降失水劑LT-2+3%蘋果酸；水灰比：0.44。

水泥漿配方3：嘉華G級(jí)油井水泥+5%微硅+0.5%分散劑SXY+1.5%降失水劑LT-2+3%蘋果酸膠囊；水灰比：0.44。

自修復(fù)性能的評(píng)價(jià)主要通過對(duì)水泥石首次造縫后強(qiáng)度及滲透率的恢復(fù)率為指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。具體方法為：試件養(yǎng)護(hù)60℃水浴養(yǎng)護(hù)2周后，人為制造微貫穿裂縫，試件放回60℃水浴養(yǎng)護(hù)7d，測(cè)定水泥石的抗壓強(qiáng)度和滲透率恢復(fù)情況。

2 結(jié)果與討論

2.1 蘋果酸膠囊的紅外光譜

如圖1所示，實(shí)驗(yàn)所制備的蘋果酸膠囊的紅外吸收特征峰有：3392.4 cm-1對(duì)應(yīng)為蘋果酸中O-H的伸縮振動(dòng)吸收峰；2927.2 cm-1為乙基纖維素中-CH3伸縮振動(dòng)吸收峰；1665.2 cm-1為羧酸基團(tuán)蘋果酸中-C=O的伸縮振動(dòng)吸收峰；1455.0 cm-1為乙基纖維素或聚乙烯中-CH2-的彎曲振動(dòng)吸收峰。據(jù)此可推斷，蘋果酸被乙基纖維素成功包裹，形成了膠囊。

圖1 蘋果酸膠囊的紅外光譜圖

2.2 自修復(fù)水泥漿基礎(chǔ)性能

由表1可知，蘋果酸和蘋果酸膠囊的加入，水泥漿的流動(dòng)度、失水量和析水等基礎(chǔ)工程性能無明顯變化。能夠滿足固井施工的要求。

表1 水泥漿的基礎(chǔ)性能

2.3 自修復(fù)水泥石裂縫修復(fù)性能

如表2 所示，造縫后經(jīng)60℃水浴養(yǎng)護(hù)7d后，普通油井水泥石抗壓強(qiáng)度恢復(fù)率為15.4%，表現(xiàn)出一定的修復(fù)效果，這是因?yàn)橛途嗟乃且粋€(gè)長期發(fā)展的過程，即空白水泥也具有一定的自修復(fù)性能。蘋果酸的加入對(duì)水泥石的抗壓強(qiáng)度恢復(fù)有促進(jìn)作用，但直接加入蘋果酸的促進(jìn)作用沒有膠囊包裹后的作用顯著。

表2 水泥石裂縫修復(fù)性能

表3 自修復(fù)水泥滲透率修復(fù)情況

表3中水泥石滲透數(shù)據(jù)表明：普通油井水泥石表現(xiàn)出一定的修復(fù)效果，但修復(fù)程度遠(yuǎn)不足需求。加入蘋果酸，滲透率下降程度有所提高，加入包裹的蘋果酸后，水泥石滲透率下降率高達(dá)95.4%，表現(xiàn)出了較強(qiáng)的裂縫封堵能力。

3 結(jié)論

采用相分離法制備了蘋果酸膠囊，該材料能夠與其他油井水泥外加劑配伍，滿足水泥漿基本性能要求。蘋果酸膠囊在3%的加量下，水泥石的抗壓強(qiáng)度恢復(fù)率達(dá)72.9%，滲透率修復(fù)率達(dá)95.4%。