储气库老井井筒封堵水泥浆体系的优选与性能评价

焦滟琪，杨远光 （西南石油大学石油与天然气工程学院，四川 成都610500）

随着天然气勘探开发技术的进步，天然气的产量逐渐递增，由于天然气的消费具有季节不均衡性，储气量大、安全系数高的储气库已经成为输配气系统的重要环节，目前世界上70%左右的储气库是由枯竭型的油气藏改造而来。国内的储气库建设起步较晚，截止到目前，华北、西北、西南等地建设了大量地下储气库。在地下储气库建设中，老井井筒的封堵质量影响储气库的安全系数。如果废气井井筒封堵失效，地下天然气将会泄漏至地面，导致天然气资源大量流失。更为严重者会导致井口漏气，着火爆炸，给安全生产带来隐患，储气库废弃老井的井筒封堵对储气库安全经济运行意义重大［1～3］。

目前，国内针对储气库老井井筒的封堵基本上都是采用水泥浆体系，只要水泥浆堵剂性能优良、施工工艺合理，都能达到封堵的目的。储气库老井井筒封堵有别于常规油气井，老井井筒封堵后，储气库老井的套管处的压力始终处于一种交变状态，因此对老井井筒封堵的可靠性要求更高［4，5］。由于常规的封井工艺可靠性差，不能满足储气库老井井筒的封堵需要，因此急需研究一套适合储气库老井井筒的封堵剂体系。常规的固井水泥属于硬性胶凝材料，具有“高体积收缩、高滤失量、高密度和高脆性”的缺陷，在井筒封堵时，易形成微间隙或由于水泥石的高脆性产生宏观裂纹和界面破坏，使得井筒封堵失败。为此，笔者在已有研究的基础上［6～9］，通过对油井外加添加剂的优化，优选出了一套适宜于储气库老井井筒的封堵体系——G级微膨胀纤维水泥浆体系，并评价了纤维水泥石的力学形变性能和水泥浆体系的综合性能。

1 试验部分

1.1 试剂与仪器

1）试剂 G级水泥（山东华银特种水泥股份有限公司）、降失水剂ST900L（三元共聚物）（天津四达科工贸发展有限公司）、分散剂SXY－2（磺化醛酮缩合物）（浙江助剂总厂）、防腐剂微硅（河南华融硅粉材料有限公司）、缓凝剂ST200R（有机羧酸衍生物）（天津四达科工贸发展有限公司）、膨胀剂SNP（合成钙铝氧化物）（成都聚博科技发展有限公司）、增塑剂JB－1（纤维粉、氧化硅灰为主料的混合物）（河南中濮化工有限公司）、消泡剂ST500L（天津四达科工贸发展有限公司）。

2）主要仪器 PL4002－IC电子天平（梅特勒托利多仪器（上海）有限公司）、六速旋转黏度计（得顺电子机械有限公司）、高温高压失水仪（得顺电子机械有限公司）、OWC－9350型常压稠度仪（沈阳航空工业学院）、HH－8数显恒温水浴锅（杰瑞尔电器有限公司）、CS202型电热鼓风干燥箱（上海精宏实验设备有限公司）、CSS－2205型电子万能压力试验机（济南一诺世纪试验仪器有限公司）、KZY－30型电动抗折仪（无锡材料仪器机械厂）。

1.2 试验方法

1）G级微膨胀纤维水泥浆体系优选 按API规范10和GB／T 19139－2003进行水泥浆配浆及工程性能测试。分别优化了降失水剂加量、分散剂加量、缓凝剂加量、纤维增韧剂加量以及膨胀剂的加量。

2）纤维水泥石力学形变性能评价 采用三轴应力试验来表征纤维对水泥石力学形变能力的影响。试验方法是，将水泥浆在93℃下养护不同龄期，三轴应力试验时加载速率为30N／S，围压为20MPa，初始载荷为2kN，直接加载至水泥石破碎。

3）G级微膨胀纤维水泥浆体系的综合性能 根据SY／T 5546－92测试了G级微膨胀纤维水泥浆体系的综合性能。

2 G级微膨胀纤维水泥浆体系优选

2.1 降失水剂加量的优化

以98%G级水泥＋2%微硅＋0.05%ST500L＋0.3%ST200R作为封堵水泥浆体系的基础配方，通过在基础配方中改变降失水剂ST900L用量，测试降失水剂加量对水泥浆体系性能的影响，结果见表1。

由表1可看出，基础配方在不加降失水剂的情况下，失水量为699ml，随着降失水剂浓度增加，失水量逐渐降低：当降失水剂加量为4%时，失水量为52ml，基本达到规定的要求；当加量为6%时，失水量为36ml。降失水剂浓度变化对稠化时间影响较大，当降失水剂加量为2%时，稠化时间与基础配方相近，当浓度达到4%后，稠化时间增加，达到320min，能满足现场施工的要求。ST900L延缓稠化时间的机理是，当水溶性聚合物与水泥颗粒混合后，聚合物膜吸附于水泥颗粒表面，形成吸附水化层，在一定时间内阻止水泥颗粒的继续水化，浓度越大吸附水化层越厚，稠化时间越长［10］。降失水剂对水泥浆体密度、稳定性影响不大，综合考虑成本与浆体性能的要求，ST900L降失水剂加量确定为4%。

2.2 分散剂加量的优化

以98%G级水泥＋2%微硅＋0.05%ST500L＋0.3%ST200R＋4%ST900L作为封堵水泥浆体系的基础配方，通过在基础配方中改变分散剂SXY－2的加量，测试分散剂加量对水泥浆体系性能参数的影响，结果见表2。

表1 降失水剂的加量对井筒封堵水泥浆体系性能的影响

由表2可看出，SXY－2分散剂对基础配方的流动度有较好的改善作用，随着分散剂浓度的增加，浆体流动度增加，分散剂加量为0.8%时，流动度为230mm，较基础配方改善作用明显。另外，随着分散剂浓度增加，稠化时间先增加后缩短，这说明分散剂的加量对稠化时间的影响有一个临界值，当加量为1.2%时，稠化时间为319min，能够满足现场施工的需要。随分散剂浓度的增加，水泥浆滤失量逐渐降低，分散剂有降失水的作用，说明分散剂加量对浆体稳定性能及游离液影响不明显。综合考虑流变性和施工时间的要求，分散剂加量确定为0.8%。

表2 分散剂的加量对井筒封堵水泥浆体系性能的影响

2.3 缓凝剂加量的优化

由于常规的G级水泥浆初凝时间较短，不能满足现场长时间施工的要求，因此为了延长水泥浆的初凝时间，必须添加合适的缓凝剂。以98%G级水泥＋2%微硅＋0.05%ST500L＋0.8%SXY－2＋4%ST900L作为封堵水泥浆体系的基础配方，通过在基础配方中改变缓凝剂ST200R加量，测试缓凝剂加量对水泥浆性能参数的影响，结果见表3。

由表3可看出，缓凝剂ST200R对封堵体系的缓凝效果明显，0.3%浓度的ST200R稠化时间达到300min以上。ST200R缓凝剂作为一种有机羧酸衍生物，主要靠分子中β和α位羟基羧酸基团对Ca2＋的鳌合作用，形成高度稳定的五元环或六元环结构，部分地被吸附于水泥颗粒表面，毒化晶核，阻止水化产物形成［11］。综合考虑，优选缓凝剂ST200R的加量为0.3%。

2.4 纤维增塑剂加量的优化

表3 缓凝剂对井筒封堵水泥浆体系性能的影响

水泥石是一种脆性材料，当受到应力超过其极限时，水泥石会破裂形成宏观裂纹，因此保证水泥塞的完成性是保证长期密封的关键。井筒封堵水泥浆体系采用JB－1增塑剂，该增塑剂是一种以纤维粉、氧化硅灰为主料，以氯化钙、氯化钾为辅料的混合物，具有增塑和增韧的双重功效。以98%G级水泥＋2%微硅＋0.05%ST500L＋0.3%ST200R＋4%ST900L＋0.8%SXY－2作为封堵水泥浆体系的基础配方，通过在基础配方中改变JB－1用量，测试JB－1加量对水泥浆性能参数的影响，结果见表4。

由表4可看出，JB－1增塑剂对水泥浆流动度、稳定性基本无影响，随着加量的增加，滤失量有一定下降，主要原因是改性纤维是多种化合物的混合物，组份内的纤维粉为一种细小的绒状物，能相互搭结形成致密滤网，水泥颗粒镶嵌在滤网空隙内形成致密泥饼，阻止水分的流失，因此JB－1增塑剂有一定的降滤失作用。JB－1增塑剂加量不宜过高，过高会导致浆体流变性变差［12～14］。因此，根据施工性能的要求，JB－1优选加量为3%。

2.5 膨胀剂加量的优化

以95%G级水泥＋2%微硅＋3%JB－1＋0.05%ST500L＋0.3%ST200R＋4%ST900L＋0.8%SXY－2作为封堵水泥浆体系的基础配方，通过在基础配方中改变膨胀剂用量，测试膨胀剂加量对水泥浆性能参数的影响，结果见表5。

表4 JB－1加量对井筒封堵水泥浆体系性能的影响

SNP膨胀剂是一种以钙铝氧化物为主要材料，同时辅以部分硫酸盐的混合物，该膨胀剂为多膨胀源体系，各种膨胀源的反应活性不同，所以能在水泥水化的不同阶段保持稳定的膨胀，能有效补偿水泥石后期的体积收缩［15～17］。由表5可以看出，随着SNP膨胀剂加量的增加，稠化时间有缩短的趋势，3%的加量范围内，稠化时间都能满足现场施工的需要。膨胀剂加量对水泥浆流动度、滤失量、稳定性影响不大。综合考虑，优选膨胀剂SNP的加量为2%。

2.6 G级微膨胀纤维水泥浆体系配方

G级微膨胀纤维水泥浆体系最终配方确定为：

表5 膨胀剂加量对井筒封堵水泥浆体系性能的影响

固相：93%G级水泥＋2%微硅＋3%JB－1＋2%SNP

液相：0.05%ST500L＋0.3%ST200R＋4%ST900L＋0.8%SXY－2液固比为9∶20。

3 纤维水泥石力学形变性能

油井水泥石一般具有较高的抗压强度和较低的抗拉强度，是一种脆性材料，水泥石脆性程度的大小可用经典力学实验应力与应变试验来表征［18，19］。

图1和图2为水泥石不同养护龄期下应力应变关系。从图1和图2可看出，无论是原浆水泥石还是改性纤维水泥石，在加载围压试验条件下，都未表现出脆性材料的特征。水泥石在围压状态下，随着加载应力的增大应变在逐渐增大，偏离直线方向，曲线曲率增大，水泥石在高应力下表现出一定的塑性特性，当应力达到水泥石极限应力时并未破碎，表现出延性破坏特性。可见水泥石在三轴应力试验条件下，其力学形变能力大大增强。通过三轴应力－应变曲线可看出，水泥石养护48h后，添加改性纤维的水泥石抗压强度小于原浆水泥石，但其形变能力强于原浆水泥石，轴向峰值应变最大为1.209%。随着养护龄期的延长，改性纤维水泥石三轴抗压强度接近原浆水泥石，轴向峰值应变降低。因此随着养护时间的延长，水泥石在低压应力下力学形变能力减弱。

图1 水泥石养护48h应力与应变关系

图2 水泥石养护15d应力与应变关系

应力－应变曲线是表征材料力学性能的一个重要参数，材料在弹性变形阶段，应力与应变成正比关系，两者之间的比值称为弹性模量。弹性模量是材料刚性的量度，弹性模量越大，材料变形能力越差，越易脆裂，故弹性模量从另一个方面表征材料韧性的大小。弹性模量是指材料在弹性限度内的形变能力大小，矿场应用在强度满足要求的前提下，应最大限度的降低水泥石的压缩弹性模量。表6为原浆水泥石和优选配方水泥石在三轴受力下的性能。

表6 水泥石的力学性能

由表6可看出，改性纤维对水泥石弹性模量的影响较大，随着养护龄期的延长，水泥石抗压强度增加，弹性模量增加，但养护15d的弹性模量仍然比原浆水泥石低，说明改性纤维有改善水泥石韧性的作用。另外，从轴向峰值应变的增加也较好的反应了改性纤维水泥石有较好的改善水泥石韧性的作用，养护15d的轴向峰值应变仍高于原浆水泥石。改性纤维的引入，较大程度增加了水泥石在弹性区内的力学形变能力，试验表明，加入改性纤维的水泥石力学形变能力很好。

4 G级微膨胀纤维水泥浆体系综合性能

表7所示为研制的G级微膨胀纤维水泥浆体系的综合性能。由表7中数据可以看出，研制的G级微膨胀纤维水泥浆体系的抗压强度为28.1MPa，满足大于14MPa的矿场施工要求；滤失量仅为24ml，满足小于50ml的矿场施工要求；稳定性为0.01g／cm3，满足小于0.02g／cm3的矿场施工要求。

此外，水泥类堵剂具有较脆的缺点，在承受储气库反复注气采气的交变应力后易受破坏，产生裂纹，给储气库的安全运行带来隐患。因此，用于封堵井筒的水泥类堵剂必须是高韧性的，具有较高的抗折强度。从表7数据可以看出，研制的G级微膨胀纤维水泥浆封堵剂的抗折强度高达12.0MPa，完全能满足矿场封堵强度的要求。

表7 G级微膨胀纤维水泥浆的综合性能

5 结论与认识

1）针对常规水泥浆体系在储气库老井井筒中封堵效果差的现状，提出并优化了一种新型的封堵体系——G级微膨胀纤维水泥浆体系，其配方为93%G级水泥＋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级微膨胀纤维水泥浆体系配方水泥石未表现出脆性材料的特征，通过改性纤维的引入，较大程度增加了水泥石在弹性区内的力学形变能力，体系配方抗压强度为28.1MPa，抗折强度高达12.0MPa，滤失量仅为24ml，稳定性为0.01g／cm3，满足矿场施工的要求。

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