缓释膨胀剂LQ－1的室内研究与性能评价

2013-10-08雷鑫宇杜紫诚张直建

精细石油化工进展 2013年6期

雷鑫宇，李芹，杨武，杜紫诚，张直建

(西南石油大学化学化工学院，成都 610500)

普通油井水泥在凝固后均产生一定的体积收缩，这对提高固井质量非常不利。而膨胀水泥则是一种能在凝固时产生轻度体积膨胀的水泥浆体系，对体积收缩现象有很好的补偿作用，同时对封闭环空微隙和改善水泥环的第一、二界面的胶结状况也具有积极效果［1－2］。

该体系水泥中使用的核心添加剂即膨胀剂，主要由镁、铝的氧化物和石膏通过煅烧而成［3］，它在水泥水化反应早期就强烈反应，产生的巨大膨胀应力对套管不利。此外，膨胀剂的过快反应也不能使膨胀水泥长期保持膨胀效果，不能达到长效封固的目的。本研究通过选用合适的材料作为壁材将膨胀剂包裹成为微胶囊，以达到缓速释放膨胀效果的目标。

1 实验

1.1 原料与仪器

轻烧镁盐膨胀剂M－1，南京科瑞玛科技有限公司;钛酸酯偶联剂TA－9，天长市天辰化工助剂油料厂;乙基纤维素(EC)、明胶、二氯甲烷、乳化剂OP－10，成都市科龙化工试剂厂;嘉华G级油井水泥，四川嘉华集团股份有限公司;酮醛缩合分散剂SWJZ－1，山东沃尔德油田技术有限公司;改性纤维素降失水剂SZ1－2，西南石大金牛石油科技有限公司。

磁力搅拌器、电热干燥箱，上海精宏实验设备有限公司;恒温水浴锅，上海双捷实验设备有限公司;DFC－0710B增压稠化仪，沈阳金欧科石油仪器技术开发有限公司;NYL－300压力机，无锡市建筑材料仪器机械厂;XTA－7000岩心流动装置，江苏海安石油科研仪器有限公司。

1.2 缓释膨胀剂LQ－1的制备

将明胶、水、乳化剂OP－10搅拌均匀配制成保护液待用，将EC在适量二氯甲烷中溶解成为悬浊液，缓慢均匀加入膨胀剂M－1，同时滴加少量钛酸酯偶联剂TA－9，再将悬浊液匀速加入保护液中，经搅拌蒸发有机溶剂，洗涤，干燥，粉碎，得到粉末状的缓释膨胀剂LQ－1。

1.3 缓释膨胀剂LQ－1的性能评价方法

参照标准GB 23439—2009《混凝土膨胀剂》、SY/T 10022.1—2001《水泥浆设计和试验》及SY/T 6544—2003《油井水泥浆性能要求》，使用常用水泥浆配方对LQ－1的性能进行评价，并与使用膨胀剂M－1的膨胀水泥浆体系比较。

水泥浆配方1#:嘉华G级油井水泥+5.0%微硅+1.5%分散剂SWJZ－1+1.5%降失水剂SZ1 －2+3.0%膨胀剂 M －1;水灰比:0.46∶1。

水泥浆配方2#:嘉华G级油井水泥+5.0%微硅+1.5%分散剂SWJZ－1+1.5%降失水剂SZ1 －2+3.0%LQ －1;水灰比:0.46∶1。

2 膨胀水泥浆性能评价

2.1 基本性能

为满足现场施工的需要，水泥浆应具有适当的流动度和失水量，同时浆体稳定，无析水。因此，考察水泥浆配方1#，2#的基本性能，结果见表1。

表1 加入不同膨胀剂的水泥浆基本性能

从表1看出，加入缓释膨胀剂LQ－1的配方2#的流动度比加入膨胀剂M－1的配方1#稍小，为21 cm，失水量也小，为39 mL，1#和2#水泥浆析水量均为0。原因可能是壁材EC和明胶的存在，均对浆体有一定的增稠效应，降低失水量。因此，水泥浆配方1#和2#的基本性能均满足现场施工的要求。

2.2 缓释性能

对缓释膨胀剂LQ－1缓释效果的评价主要从2方面进行，一是对膨胀应力的缓释效果，二是膨胀性能的延续效果。

2.2.1 膨胀应力的缓释性

膨胀剂在参加水泥水化反应后迅速响应，释放膨胀应力导致水泥石体积膨胀。该膨胀应力释放过快、过大则有可能对套管产生过强的挤压作用而破坏套管。膨胀应力可用水泥石的膨胀率衡量。实验中膨胀率是通过测定92℃下养护一定龄期后的水泥石膨胀超出水泥模具的高度除以水泥模具的高度得到，加入不同膨胀剂的水泥石膨胀率见表2。

表2 加入不同膨胀剂的水泥石膨胀率

从表2看出，加入膨胀剂M－1的水泥石在养护1 d和3 d后的膨胀率高达2.5%和3.0%，而加入缓释膨胀剂LQ－1的水泥石在养护1 d和3 d后的膨胀率仅为0.7%和0.9%。因此，缓释膨胀剂LQ－1的膨胀作用比膨胀剂M－1已大大减弱，释放的膨胀应力对套管的挤压作用也会大大减小，有利于套管的安全。

2.2.2 膨胀性能的延续性

多数膨胀剂如膨胀剂M－1在水泥水化反应早期就快速反应，能提高水泥石的早期强度，但长期看延续性较差。而缓释膨胀剂LQ－1由于其部分有效成分具有类似微胶囊的结构，在水化反应早期可能不会参加反应，但在后期施工由于射孔、压裂或重复压裂导致产生微裂缝，油水渗入其中将壁材溶解后，LQ－1可继续反应，释放膨胀应力对水泥环产生一定的挤压效果而使微裂缝闭合。本实验通过测定压开裂缝后重新放入水泥模具养护的水泥石的渗透率，考察膨胀性能的延续性，结果见表3。

表3 加入不同膨胀剂的水泥石渗透率

从表3可看出，加入膨胀剂M－1的水泥石在造缝后，继续养护28 d，渗透率也仅降低9.2%;加入缓释膨胀剂LQ－1的水泥石在造缝后，养护7 d，渗透率降低20.3%，养护28 d后，渗透率为69 ×10－3/μm2，渗透率降低达 50.0%。因此，膨胀剂M－1的膨胀性能基本没有延续性，而缓释膨胀剂LQ－1有较好的延续性，起到一定的长效封固作用。

2.3 抗压强度与胶结强度

膨胀剂在水泥水化反应时，因膨胀是在有限空间内进行，所产生的化学预应力可增强界面胶结强度并在一定程度上改善水泥石的结构，提高固井质量。考察掺入膨胀剂M－1和缓释膨胀剂LQ－1的水泥石92℃养护不同龄期后的抗压强度和胶结强度，结果见表4。

表4 加入不同膨胀剂的水泥石抗压强度和胶结强度

由表4看出，加入膨胀剂的两组水泥石的胶结强度和抗压强度比空白均提高，加入膨胀剂M－1的水泥石由于膨胀率较大，其胶结强度较高，但膨胀应力过大导致水泥石结构较疏松，抗压强度提高较少。加入缓释膨胀剂LQ－1的水泥石虽然膨胀应力的释放比M－1的小，导致胶结强度比M－1的低，但水泥石结构致密，抗压强度高。

2.4 配伍性

随着油气开采难度的加大，大批深井和超深井已成为增储上产的主要来源。井深的加大导致封固段面临的地层复杂性也加大，油井水泥体系也随之复杂，对油井水泥添加剂间配伍性要求也越来越高。在90℃和45 MPa下，分别用2种胜利油田常用固井水泥配方加入缓释膨胀剂LQ－1进行稠化实验，其中，配方a为:嘉华G级油井水泥 +5.0%微硅 +1.5%分散剂 SWJZ －1+1.5%降失水剂SZ1－2+3.0%缓释膨胀剂LQ－1+0.5%缓凝剂 BXR －200L，水灰比:0.46∶1;配方 b为:嘉华G级油井水泥+5.0%微硅+1.2%分散剂SXY+1.0%降失水剂SWJ－1+3.0%缓释膨胀剂LQ－1+0.5%缓凝剂BXR－200L，水灰比:0.46∶1。结果见图 1 和图2。