石油天然气学报（江汉石油学院学报） ２０１０年１２月第３２卷第６期 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｏｉｌ ａｎｄ Ｇａｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｊ．ＪｐＩ）Ｄｅｃ．２０１ ０ Ｖｏ１．３２ Ｎｏ．６ ・４２５・ 一种柔性水泥浆体系的室内评价 宗孝生， 许明标 （长江大学石油工程学院，湖北荆州４３４０２３） 何保生 （中海石油研究中心，北京１ ０００２７） 张凡 （长江大学石油工程学院，湖北荆州４３４０２３） 李滨 （中海石油研究中心，北京１ ０００２７） ［摘要］多分枝井固井作业中需要提高主井眼和分枝井眼连接处水泥石的柔韧性，保证固井作业质量。室 内选择胶乳与纤维作为增加水泥石的柔韧性能的材料。通过评价不同胶乳加量下水泥石的柔韧性能，确 定了柔性水泥浆体系中胶乳的最优加量；通过评价加入了不同长度纤维的水泥石的柔韧性能，确定了柔 性水泥浆体系中纤维的最佳长度．同时研究了纤维加量变化对水泥石力学性能的影响。将所建立的柔性 水泥浆体系和常规聚合物水泥浆体系进行对比试验，结果显示柔性水泥石的抗冲击强度以及胶结性能有 着大幅度提高，弹性模量大幅度降低。这不仅说明了该柔性水泥浆体系具有良好的柔韧性，同时也确立 了柔性水泥浆的优越性与良好的应用前景。 ［关键词］柔性水泥浆；柔性水泥石；胶乳；纤维 ［中图分类号］ＴＥ２５４．３ ［文献标识码］Ａ ［文章编号］１０００—９７５２（２０１０）０６—０４２５—０４ 随着定向井、水平井技术运用的日趋成熟，多分枝井技术得到了越来越多研究与应用。随着钻井技 术的发展，分枝井的级别也越来越高，其难度也伴随着固井要求越来越大，而各种增产工艺、措施和后 期的持续作业对分枝井窗口水泥石的完整性和水泥环的界面胶结提出了更高的要求。故在固井作业中如 何提高主井眼与分枝井眼连接处水泥环在外力作用下免受破坏的能力，改善水泥石的柔韧性，成为当前 分枝井窗口固井的研究重点。胶乳是可供选择添加到水泥浆中改善水泥石韧性和弹性模量等机械物理性 能的重要组份＿】］，除胶乳外，在水泥浆中添加纤维材料也可以获得较高的水泥石韧性。胶乳和纤维作为 水泥浆的组成，不仅可以改善水泥石的韧性，而且可以有效地提高水泥石与地层的胶结强度 ］。笔者主 要考察了在水泥浆中添加胶乳和纤维后水泥石的抗压强度、抗冲击强度［３５、弹性模量等柔性指标以及柔 性水泥石二界面的胶结性能。 １胶乳加量对水泥石柔性的影响 胶乳是一种弹性颗粒，它能在水泥结构中分散，填充水泥石的微空隙和裂缝，胶乳颗粒和水泥粘结 的同时，胶乳颗粒之间也相互粘结，在整个水泥基体结构里面形成了一个弹性网状体，避免了水泥石应 力集中［４］。水泥是水泥石基体强度性能的承载体，当胶乳的加量增加，水泥的相对含量减少，水泥石的 抗压强度会相应降低。所以，在胶乳水泥浆体系设计过程中，确定胶乳合理加量至关重要。室内评价了 不同胶乳加量的水泥石的强度性能。试验数据如表１所示。 从表１的试验结果可以看出，随着胶乳加量增加，水泥石的抗压强度、抗折强度都逐渐降低；而水 泥石的抗冲击强度则呈先上升后下降的趋势，在胶乳加量２０％时最高；水泥石的弹性模量随着胶乳加 量的增加而逐渐下降；胶结强度呈先上升后下降的趋势，在胶乳加量为２Ｏ 时最高。综合以上水泥石 的性能数据可以看出，２０ 胶乳加量的水泥石综合性能较好。 ［收稿日期］２０１０—０７—２２ ［基金项目］国家科技重大专项（２００８ＺＸ０５０２４—００３—１１）。 ［作者简介］宗孝生（】９８５一），男，２００９年大学毕业，硕士生，现主要从事固井水泥浆与钻井液方面的研究与学习。 ・４２６・ 石油天然气学报（江汉石油学院学报） ２０１０年１２月 Ｏ 二Ｌ ∞ 表１ 胶乳加量变化对水泥石力学性能的影响 抗折强度／ＭＰａ 抗冲击强度／ｋＪ・ｉｎ一 １．９５ ２．０５ ∞ 胶乳加量／ 抗压强度／ＭＰａ 弹性模量／ＧＰａ ９．１２ 胶结强度／ｋＰａ ７．３６ ６．３２ ２．０８ ２．２２ ２．２６ ５．５３ ５．１０ ２．Ｏ６ ２．Ｏ２ １．９８ ４．８１ ４．３８ ● ４．１６ ３．９６ １．９３ 注：水泥石养护条件：６ｏ＊Ｃ×２４ｈ；水泥浆配方：】ｏ０ 嘉华Ｇ级水泥＋（７．２ ～１３％）密度减轻剂＋３０％ＰＦ一２（增强剂）＋（４３ ～ ７ ６ ６ ６ ５ ４ ３ ３ ３ ６７ ）淡水＋３ ＣＧ８８Ｌ（降滤失剂）＋０．４ ＣＦ４４Ｉ （分散剂）＋０．４ Ａ ｏＨ２１Ｉ，Ｍ（缓凝剂）＋０．４ ＣＧ５６Ｌ（稳定剂）十０．８ ７ ６ ３ Ｏ ８ Ｏ ６ ２ Ｏ ＣＸ６０１Ｌ（消泡剂）＋胶乳。 ２纤维对水泥石柔性的影响 纤维同样可以提高水泥环的柔韧性，当水泥环产生裂纹后，裂缝处的纤维将被拉伸、拔出或断裂， 此时要消耗大量的能量，从而阻止裂纹的扩展，因而可以大幅度提高水泥石的断裂韧性，使得基体断裂 破坏时的脆性明显降低 。室内需要优选出合适的纤维长度和加量，从而最大程度提高水泥石的柔韧 性。室内选择的纤维在水泥浆中具有极好的分散性，并且化学性质稳定，而且不与外加剂、掺合料、水 泥等发生化学反应。 ２．１纤维长度选择 在纤维加量为ｏ．１ ９／６的前提下，进行不同纤维长度的对比试验，评价其对水泥石力学性能的影响。 试验数据如表２所示。 表２ 纤维长度对水泥石力学性能的影响 项ｌｉｔ 空白 纤维． 抗冲击强度／ｋＪ・１ＴＩ一 １．７８ １．８６ ２．１７ 纤维长度／ｒａｍ Ｏ ０ Ｏ ０ ０ Ｏ Ｏ ０ ０ 抗压强度／ＭＰａ ２ｏ．６ ２０．８ ２３．０ 抗折强度／ＭＰａ ４．８ ５．６ ５．４ ０ Ｈ∞ 一 ４．５ ５．５ 匏加 ６．５ ７．５ ８．５ ２０．３ ２０．６ ２０．１ ５．１ ５．０ ５．０ ２．０８ ２．０５ ２．０３ 注：水泥石养护条件：６Ｏ＊（２×２４ｈ；水泥浆配方：１００ 嘉华Ｇ级水泥＋３ 密度减轻剂＋２０ ＰＦ＿２（增强剂）＋５Ｏ％淡水＋３ ＣＧＳＳＬ （降滤失剂）＋Ｏ．４ ＣＦ４４Ｌ（分散剂）＋Ｏ．４ Ｈ２１Ｌ－Ｍ（缓凝剂）＋０．４％ＣＧ５６１ （稳定剂）＋０．８％ＣＸ６０１Ｌ（消泡剂）＋２０ 胶 乳＋ｏ．１ 纤维。 从表２的试验结果可以看出，加入纤维的水泥石与空白样相比，抗压强度、抗折强度变化不大；而 水泥石的抗冲击强度明显增加；随着加入纤维长度的增加，水泥石抗冲击强度呈先增大后又逐渐减小的 趋势，在纤维长度为５．５ｒａｍ时，水泥石抗冲击强度最高；原因是当加入的纤维长度过短时，纤维与水 泥石的粘结力过小，纤维相对容易拔出而导致抗冲击强度低；当加入的纤维长度过长时，纤维易弯曲， 且同样加量的纤维，纤维数目相对少，从而降低了纤维对水泥石的抗冲击的提高效果；综合以上水泥石 的性能数据可以看出，纤维长度为５．５ｍｍ时，水泥石的综合力学性能较好。 ２．２纤维加量选择 纤维材料掺量太少时，水泥石的柔韧性提高程度较低；掺量较大时，由于纤维的长度远大于水泥颗 粒，此时纤维对水泥颗粒的流动又起到一定的阻碍作用。因此，纤维的掺量要适当。下面选取５。５ｒａｍ 长度的纤维做加量变化试验。试验数据如表３所示。 第３２卷第６期 宗孝生等：一种柔性水泥浆体系的室内评价 ・４２７・ ０ ０ ０ Ｏ ３ ６ ９ ２ ２ ２ ２ Ｏ ３ ２ ０ ６ ０ ５ ２ 注：水泥石养护条件：６ｏ＇ｃ×２４ｈ；水泥浆配方：１００ 嘉华Ｇ级水泥＋２ｏ ＰＦ一２（增强剂）＋３８ 淡水＋３ ＣＧ８８Ｉ （降滤失剂）＋ ０．４￣ＣＦ４４Ｌ（分散剂）＋Ｏ．４ Ｈ２１Ｌ—Ｍ（缓凝剂）＋０．４％ＣＧ５６Ｌ（稳定剂）＋０．８ ＣＸ６０１１ （消泡剂）＋２０％胶乳＋５．５ｒｌｆｍ纤 维。 ４ ５ ５ ５ 从试验结果可以看出，随着纤维加量的增加，水泥石的抗压强度、抗折强度变化不大；抗冲击强度 ８ １ ３ ８ 上升趋势比较明显；弹性模量较空白样降低明显，但随纤维加量的增加变化不大；胶结强度较空白样有 所增加，但随纤维加量的增加变化不大；虽然纤维加量的增加对水泥石韧性有很大提高，但水泥浆初始 稠度也相应升高。由于水泥浆的初始稠度应小于３０ＢＣ，故纤维的加量选择０．６％左右较为适宜。 １ ２ ３ ３ ７ ６ Ｏ ８ ３柔性体系与聚合物体系的对比 ８ Ｏ ９ Ｏ 将柔性水泥浆体系和常规聚合物水泥浆体系进行对比试验（试验数据如表４所示），其中柔性水泥 浆体系胶乳加量２Ｏ 、纤维加量为０．６ 。选取的２个体系配方稠化时间基本相同（约２００ｍｉｎ），常规 性能均适合施工要求。５ ４ ４ ４ ２ ３ ３ ２ ９ ９ １ ０ 表４柔性水泥石与聚合物水泥石性能对比 ２ ３ ３ ３ ８ ４ ２ １ ０ ０ ０ ０ 注：水泥石养护条件：６ｏｏｃ×２４ｈ；１．９ｇ／ｃｍ。聚合物体系配方：１００ 嘉华Ｇ级水泥＋４０％水十４ ＣＧ８８Ｌ＋０．７５ ＣＦ４４Ｌ４－０．２５Ｖｏ Ｈ２１Ｌ—Ｍ １．９ｇ／ｃｍ。黍性体系配方：１００ 嘉华Ｇ级水泥＋２５ Ｐ ２（增强剂）＋４０％淡水＋３ ＣＧ８８Ｌ（降滤失剂）＋０．６％ ＣＦ４４Ｌ（分散剂）＋Ｏ．７ Ｈ２１Ｌ－Ｍ（缓凝剂）＋０．４ ＣＧ５６Ｌ（稳定剂）＋０．８ ＣＸ６０１Ｌ（消泡剂）＋２０ 胶乳＋０．６ 杜拉纤维 （５．５ｒａｍ）。 表４中，提高率是主要指柔性水泥石的性能参数较聚合物体系水泥石的提高程度。从试验结果可以 看出，柔性水泥浆体系相比聚合物水泥浆体系，抗压强度与抗折强度相对较低；柔性水泥石的抗冲击强 度以及胶结性能有大幅度提高，弹性模量大幅度降低。这说明了该柔性水泥浆体系的柔性、胶结性能较 聚合物体系得到了很大程度的提高。 ４结 论 １）胶乳加入到水泥浆中，在一定程度上提高了水泥石的柔韧性，改善了水泥石与地层的胶结性能； ２０％的胶乳加量能够在兼顾水泥浆施工性能的同时，满足水泥石封固封隔分枝口的机械物理性能要求。 ２）纤维在胶乳水泥浆中的加入，能够进一步的大幅度提高水泥石的柔韧性。纤维长度选择５．５ｍｍ 时，水泥石的综合力学性能较好。 本文属国家科技重大专项“海上稠油高效开发新技术”（２ｏ０８ｚｘ０５０２４）子课题“多枝导流适度出 砂技术”（２Ｏ０８ＺＸＯ５Ｏ２４—００３）研究成果。 ・４２８・ 石油天然气学报（江汉石油学院学报） ２０１０年１２月 ［参考文献］ ０３靳建溯，孙富全，侯薇．胶乳水泥浆体系研究及应用［Ｊ］．钻井液与完井液，２００６，２３（２）：３７￣４１。 ｔ－２３许明标，张群，王晓亮，等．微膨胀纤维增强水泥浆的性能试验研究［Ｊ１．石油地质与工程，２００７，２１（２）：９７￣１００． Ｅ３］王文斌，马海忠，魏周胜，等．抗冲击柔性水泥浆体系室内研究［Ｊ］．钻井液与完井液，２００４，２１（１）：３６￣－．４０． Ｅ４］Ｒｅｄｄｙ．Ｅｍｕｌｓｉｏｎ ａｄｍｉｘｔｕｒｅｓ ｆｏｒ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｃｅｍｅｎｔ ｅｌａｓｔｉｃｉｔｙ［Ｐ］．Ｕ．Ｓ．：ＵＳ６３０８７７７，２００７—１１—１３． ［５］裴建武．纤维对油井水泥作用机理的试验研究［Ｊ］．西部探矿工程，２００４，（１Ｏ）：６８～６９． ［编辑］ 萧雨 （上接第４１１页） 圈２ ＸＸ井处理成果图 ［参考文献］ ［１］辛玮江，靳国庆，王桂苓，等．文安斜坡内带岩性也层油气藏勘探［Ｊ］．特种油气藏，２００８，１５（５）：３１～３３． ［２］雍世和，张超谟．测井数据处理与综合解释［Ｍ］．北京：石油大学出版社。２００４．１７８￣１８０．’ ［编辑］ 龙舟
