胶乳液改善水泥石性能研究

    吴宇萌 许明标 宋建建

    

    

    

    摘 ?????要：针对水泥石在井下复杂受力的情况下容易发生破裂的情况，需要添加胶乳液对水泥石性能进行改善。为研究胶乳液的加量对于水泥石常规性能和力学性能的改善，在水泥浆中分别加入0～32 g的胶乳液后，通过实验对水泥石的各项工程性能进行测试，实验结果表明：添加胶乳液可以降低Ф300下的数值约16%，失水量降低约51.9%;16 g加量的胶乳液可以提高水泥石18%的抗压强度;8 g加量的胶乳液的水泥石可以提升50%的抗冲击强度;32 g加量的胶乳液的水泥石降低34.7%的弹性模量，有效的改善了水泥石的力学性能。

    关 ?键 ?词：固井水泥;胶乳液;力学性能

    中图分类号：TE256 ??????文献标识码： A ??????文章编号： 1671-0460（2019）01-0064-04

    Abstract： In view of the fact that the cement stone is prone to rupture under the condition of complicated underground stress， it is necessary to add latex emulsion to improve the properties of the cement paste. In order to study the effect of rubber latex addition amount on the improvement of conventional and mechanical properties of cement stone， after adding 0～32 g latex to the cement slurry， the engineering properties of cement stone were tested by experiments. The experimental results showed that the added glue emulsion could reduce the number of Ф300 and reduce the amount of water loss by about 51.9%; the addition of 16 g latex could improve the compressive strength of cement stone by 18%; the addition of 16 g latex could improve the impact strength by 50% ;and the addition of 32 g latex could reduce the elastic modulus by 34.7%， and effectively improve the mechanical properties of the cement stone.

    Key words： Cement;Latex;Mechanical property

    固井水泥石屬于脆性材料，在受到较大应力时水泥石基体会发生破裂、胶结面脱落、封隔失效等问题。常规的水泥石，已经不再能够满足目前日益复杂的石油开采地层，包括稠油热采、页岩地层开采，或者是地下储气库的建设，这就对固井水泥石的性能提出了更高的要求，需要能够保证在复杂地层下油气井稳定安全的持续开采[1-3]。胶乳液作为一种高分子聚合物，属于弹韧性材料[4]，对于水泥石性能有着非常良好的改善，通过增强水泥石的塑性变形能力，提高了水泥石在井下承受复杂受力情况的能力。

    1 ?实验部分

    1.1 ?实验材料

    G级油井水泥（葛洲坝特种水泥有限公司）、分散剂CF44S、降失水剂FLO-S、增强剂STR、膨胀剂BOND、缓凝剂H21L、消泡剂X86L、胶乳液、胶乳稳定剂。

    1.2 ?实验仪器

    YP-1303325型精密电子天平;TG-3060A型恒速搅拌器;数显恒温水浴箱;六速旋转粘度计;增压稠化仪;ZNN-06型液体密度计;HY-20080微机控制电子万能材料试验仪;HJJY-50液晶显示简支梁冲击试验机;高温高压失水仪;SU 8010 冷场发射扫描电镜。

    1.3 ?实验方法

    参照GB/T 19139-2012《油井水泥试验方法》配制水泥浆。使用微机控制电子万能材料试验仪对水泥试样进行抗压强度、弹性模量测定，抗压水泥石试样和弹性模量水泥石试样尺寸为50.8 mm×50.8 mm×50.8 mm。使用HJJY-50液晶显示简支梁冲击试验机对水泥试样进行抗冲击强度测定，抗冲击强度试样尺寸为15 mm×10 mm×120 mm。使用SU8010冷场发射扫描电镜对水泥石微观形貌进行观察。水泥试样养护条件为90 ℃×24 h。

    在加入胶乳液时，为了增加水泥浆的稳定性防止破乳，加入含量为胶乳液的10%的胶乳稳定剂。

    1.4 ?实验配方

    G级水泥800 g+淡水360 g+降失水剂20 g+增强剂12 g+分散剂4 g+膨胀剂8 g+消泡剂4 g+缓凝剂2 g+胶乳液（0、8、16、24、32 g）+胶乳稳定剂（0、0.8、1.6、2.4、3.2 g）。当胶乳液加量为0 g时的配方也被称为基础配方。

    2 ?水泥浆体系性能评价

    2.1 ?水泥浆常规性能评价

    根据前文中配方配制水泥浆并对常规性能进行评价。

    水泥浆的常规性能包括流变性能、API失水量、稠化时间等。水泥浆的流变性能可以作为水泥浆流动性的参考，实验室中通过将水泥浆在常压养护至规定条件后使用六速旋转粘度计来进行测量，通常使用Ф300下数值的大小来反应流变的好坏。API失水量是指水泥浆在规定条件下水泥浆的滤失水量，实验室中将水泥浆在常压养护后，使用高温高压失水仪在设定条件下进行测量得到。水泥浆的稠化时间是现场对泵送施工设计的一个参考，也是维护安全施工的重要参数，对于稠化时间要求虽然要求要短，但是要保证足够的施工时间，实验时使用增压稠化仪在规定的实验要求下进行测量[5-7]。

    实验过程中常压养护条件为90 ℃×20 min，失水实验条件是90 ℃×6.9 MPa×30 min，稠化实验条件为90 ℃×45 MPa×45 min。实验评价结果见表1。

    由表1中的可得知，对比基础配方的水泥浆，添加胶乳液后改善了水泥浆的流变性能，Ф300下数值降低了约16%;同时胶乳液中的线性大分子可以束缚住更多的自由水[8]，对水泥浆的API滤失水量也有极大的改善，最高能降低51.9%的失水量，使水泥浆更适用于易漏失地层;在加入胶乳液后，水泥浆的稠化时间有一定的增加，但仍然符合安全固井的施工要求。对于不同加量下的胶乳液水泥浆之间常规性能并没有很大的差异，因此胶乳液水泥浆的常规性能比较稳定。

    2.2 ?水泥石抗压强度评价

    水泥石在地层中，首先需要能够承受地层的孔隙压力对水泥石产生的水平压缩力，随后需要承受套管重力产生的垂直方向张力，同时在后期的施工作业中，水泥石还需要支撑井眼隔离地层，并承受施工中产生的轴向负荷和钻柱旋转产生的冲击压力，因此油气井固井和生产时对于水泥石的抗压强度会有一定的要求[9]。

    将水泥石在水浴锅中养护24 h后，进行抗压强度实验，实验结果如图1。

    由图1可知，加入8 g与16 g胶乳液后，对于水泥石的抗压强度有明显的改善效果，分别提高了9.2%和18%的抗压强度，使水泥石在井下可以承受更大的应力。继续增加胶乳液，在胶乳液加量达到24 g與32 g时的水泥石抗压强度有一个大幅度的下降，但仍保持在25 MPa以上。因此当胶乳液加量为16 g时水泥石取得最好的抗压强度，为30.33 MPa。

    2.3 ?水泥石抗冲击强度评价

    在油气井开发过程中，水泥石会受到包括射孔作业和压裂作业等各种载荷的作用，在这样的条件下，水泥石受力状态会发生变化，甚至会导致水泥石产生较大裂缝，甚至使固井封固系统密封失效，因此需要水泥试样有一定的韧性。实验室常通过测量水泥试样的抗冲击强度，来体现水泥石的韧性[10]。

    将水泥试样在水浴锅中养护24 h后，进行抗冲击强度实验，实验结果如图2。

    由图2可以看出，在加入8 g胶乳液后，水泥试样的抗冲击强度相较于未加胶乳液的水泥试样提高了50%。当继续增加胶乳液含量时，水泥试样的抗冲击强度会下降，稳定在1.4 kJ/m?到1.5 kJ/m?之间，略高于未加胶乳液的水泥试样的抗冲击强度。因此当胶乳液加量为8 g时对水泥石抗冲击强度有最好的改善效果，为2.1 kJ/m?。

    2.4 ?水泥石弹性模量评价

    在油气井的生产开发的过程中，套管内的温度或者压力会发生变化，从而使水泥石受到一定的拉伸应力，脆性的水泥石可能会在拉伸应力的作用下发生开裂，导致水泥石失效，因此需要对水泥石的弹性模量进行评价，弹性模量的大小对于套管的支撑和层间封隔的好坏显得尤为重要[11，12]。

    将水泥试样在水浴锅中养护24 后，进行弹性模量测试实验，实验结果如图3。

    由图3可以看到，在加入胶乳液之后水泥石的弹性模量有大幅度的下降，继续增加胶乳液的含量，弹性模量继续下降，因此胶乳液可以稳定降低水泥石的弹性模量，改善水泥石的脆性条件，为水泥石增加一定的弹性。其中胶乳液加量为32 g时改善效果最好，降低了基础配方水泥石34.7%的弹性模量，为5.75 GPa。

    2.5 ?水泥石微观形貌

    胶乳液属于高分子聚合物，物化性稳定，不会参与水泥石中的水化反应，并且在水泥石中聚合成胶乳膜。使用扫描电镜对水泥石进行观察，可以看到水泥石微观形貌如图4、图5。

    图4为未加胶乳液下的微观形貌，有大量絮状的水化产物C-S-H凝胶和片状的Ca（OH）2，是正常的水泥石内部微观形貌。图5为24 g胶乳液加量条件下水泥石的电镜扫描图，从图中可以看到，对比图4，图5中有许多胶乳液在水泥石中聚合形成的胶乳膜。这些胶乳膜可以在水泥石内部和水化产物相互连接成为立体网状结构，当水泥石承受较大应力时，胶乳膜通过拉扯来承担部分应力，当应力进一步增大时胶乳会被撕裂抵消部分能量，延缓水泥石的破坏，从而改善水泥石的力学性能。

    3 ?结 论

    （1）对于水泥浆的常规性能，胶乳液具有改善流变性能和降低滤失水量的作用，Ф300下数值降低了约16%，失水量降低51.9%。但是胶乳液会增加水泥浆的稠化时间。

    （2）对于水泥浆的力学性能，16 g加量的胶乳液可以提高水泥石18%的抗压强度;8 g加量的胶乳液水泥石可以提升50%的抗冲击强度;32 g加量的胶乳液水泥石可以降低34.7%的弹性模量。因此胶乳液可以显著改善水泥石的力学性能，降低水泥石的脆性。

    （3）胶乳液水泥石的微观形貌中可以清楚的看见聚合而成的胶乳膜与水泥石水化产物共同形成的立体网状结构。

    参考文献：

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    [6] 何英，徐依吉，熊生春，杨正明，阮新芳.丁苯胶乳的研制及其水泥浆性能评价[J].中国石油大学学报（自然科学版），2008（05）：121-125.

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