Research Progress of Degradation of Mechanical Properties of Sand-Containing Cement in High Temperature Regimes
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摘要: 加砂油井水泥是常用高温固井材料，但在部分高温地层服役时存在短期内水泥石力学性能明显衰退及水泥环层间封隔失效问题，明确其高温力学性能失效机制将有助于合理使用加砂油井水泥。为此，笔者调研了国内外加砂油井水泥高温水化产物和石英砂（掺量、粒径）对加砂水泥石力学性能影响的相关文献，并对其进行了归纳分析。结果表明：加砂油井水泥石在110~210℃温度下服役，可长期保持较好的抗高温性能；在210~300℃静态水环境下，通过调整石英砂级配和掺量可延缓水泥石高温下力学性能的衰退；地层温度超过300℃且处于动态水环境时，由于SiO2大量溶出，加砂油井水泥石难以满足热采井固井质量要求。此外，基于对加砂水泥石硅溶出、水化产物脱钙现象及硬硅钙石晶粒形貌变化的分析，探讨了加砂油井水泥石高温力学性能失效作用机制，并提出了改善其高温力学性能的技术措施。Abstract: Sand-containing cement,as the most common cementing material used in high temperature regimes,can encounter problems such as serious degradation of mechanical properties and failure of interval sealing of cement sheath in short time when being applied to high-temperature formations.Hence,the identification of a failure mechanism of mechanical properties under high temperature should facilitate the rational usage of sand-containing cement.By investigating the relevant domestic and overseas documents surrounding the effects of high-temperature hydration products and sand (with factors of quantity and grain size considered) mixed in sand-containing cement on its mechanical properties,it is possible to summarize and analyze the results in a single paper. Results indicated that the sand-containing cement could resist high temperature in a long term under 110-210℃;under the static water environment of 210-300℃,and that this formulation was capable of slowing down the degradation of mechanical properties of cement through adjusting the granular composition of quartz sand.Results also found that under the formation temperature of higher than 300℃ and with a dynamic water environment with a large quantity of SiO2 dissolved out,the sand-containing cement couldn’t meet the quality technical requirements for cementing the targeted thermal production wells.Further,based on the analysis of the phenomena of silicon separated from sand-containing cement and the decalcification of hydration products,along with the variation of morphology of xonotlite crystalline grains,it was possible to analyze and model the failure mechanism of mechanical properties of sand-containing cement under high temperature.At the end,recommendations for technical measures that would improve the properties were proposed and advanced.
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Keywords:
- cementing /
- thermal production well /
- oil well cement /
- quartz sand /
- hydration product /
- compressive strength /
- permeability
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压裂开发深层页岩气藏时，要求所用支撑剂具有良好的抗压强度和导流能力，这是深层页岩气效益开发的关键[1-2]。压裂施工材料以“压裂液+支撑剂”为主，主要通过压裂液将支撑剂运移到裂缝中，起到防止裂缝闭合并形成有效通道的作用。支撑剂的抗压强度越高，导流能力越强，储层改造效果越好，增产效果越好[3-5]。传统支撑剂主要为石英砂、传统覆膜砂和陶粒，其使用量占压裂支撑剂的90%以上。但是，石英砂抗压强度不够，不能应用于高闭合压力的油气井；传统覆膜砂在高温高闭合压力下覆膜的树脂层易软化黏结，导致导流能力变差，影响后期排水产气；陶粒具有优异的抗压强度，但体积密度大、价格高，限制了其大规模使用[6]。因此，在保证压裂效果的前提下降低支撑剂成本，是目前页岩气开发中的一大难题。
截至目前，国内外对覆膜支撑剂已进行了大量研究[7-13]，以酚醛树脂、环氧树脂及其他添加剂，采用不同方法制得了一些覆膜支撑剂，比如：李祥[14]以水性聚氨酯和酚醛树脂为覆膜材料，制备出体积密度1.48 g/cm3、69 MPa压力下破碎率为1.09%的覆膜石英砂；徐泉等人[15]以石墨烯和纳米复合材料为原料，研制出体积密度1.41 g/cm3、69 MPa压力下破碎率为2.5%的悬浮型支撑剂。这些支撑剂抗压强度高，但原材料价格昂贵，难以规模化应用。另外，夏冰冰[16]用改性二元共混树脂，通过超声搅拌制备出覆膜石英砂，其53 MPa压力下的破碎率为2.61%；王萌等人[17]制备的超低密度树脂覆膜砂，具有良好的运移能力，其52 MPa压力下的破碎率为8.2%；R. B. Reddy [18]以二氧化钍和高分子聚合物为覆膜材料制得一种覆膜支撑剂，具有良好的化学稳定性，抗压强度可达55 MPa。但这3种支撑剂的不足在于，只能适用于压裂闭合压力60 MPa以下的地层。S. Monastiriotis等人[19]以多元树脂为原料制得的固结增强型覆膜支撑剂，抗压强度可达82.7 MPa；L. K. Vo等人[20]在对支撑剂覆膜时，采用湿法覆膜工艺进行覆膜，能克服高温下软化黏结的问题。但上述2种支撑剂由于技术保护，难以在国内进行大规模推广应用。
基于上述分析，笔者以石英砂、酚醛树脂、多元醇聚合物、固化剂等为原材料，通过物理涂覆和化学改性相结合的方法进行二次覆膜制得双壳型覆膜支撑剂DSCP。然后通过室内性能评价试验证明DSCP具有良好的抗压强度和导流能力。最后进行了现场试验，现场试验中压裂规模及工艺参数均与同规格陶粒相当，说明DSCP适用于69 MPa以上高闭合压力油气井压裂。
1. 双壳型覆膜支撑剂DSCP的制备
1.1 DSCP的结构设计
以石英砂、酚醛树脂、多元醇聚合物和固化剂等为原材料，用物理涂覆和化学改性相结合的方法，通过控制温度、时间和加料顺序，在支撑剂表面形成内外两层“壳”。其中，选用石英砂或者河砂，能大幅度降低产品成本；内壳的主要成分为工业上覆膜石英砂最常用的酚醛树脂，用于提高支撑剂的抗压强度；外壳选用多元醇聚合物合成的惰性合成树脂，在进一步提高抗压强度的同时，能有效改善高温下软化黏结，提高支撑剂的导流能力。DSCP的结构如图1所示。
1.2 制备用材料及相关仪器
主要材料：酚醛树脂、多元醇聚合物、固化剂（六次甲基四胺）、硅烷偶联剂（KH550）、增塑剂（邻苯二甲酸二丁酯）、润滑剂（硬脂酸钙）、二乙烯三胺和金属催化剂，以上材料均为工业级；40/70目和70/140目的石英砂和陶粒。
主要仪器：电子分析天平，全自动智能混砂机，高温恒温试验箱，马弗炉，视体显微镜，长期裂缝导流能力评价装置，自动振筛机。
1.3 DSCP的制备步骤
1）将经过筛分的石英砂用蒸馏水、有机试剂进行清洗，然后烘干；
2）将石英砂放在硅烷偶联剂中浸泡1 h，然后将石英砂加热至210 ℃；
3）将石英砂迅速转入全自动智能混砂机中，按一定比例依次加入酚醛树脂、增塑剂、固化剂和润滑剂，搅拌、冷却至75 ℃；
4）按一定比例依次加入多元醇聚合物、二乙烯三胺、固化剂和金属催化剂，搅拌、冷却至50 ℃；
5）加入硬脂酸钙，搅拌、冷却至室温；
6）将部分粘结的固体破碎后，用不同目数的振动筛分选出相应规格产品，封袋保存，即得双壳型覆膜支撑剂DSCP。
2. DSCP的性能评价
2.1 体积密度评价试验
体积密度是影响支撑剂在压裂液中悬浮及其运移能力的重要因素，体积密度越小，在压裂液中的悬浮性越好，越能运移到裂缝远端，压裂改造效果越好。将酚醛树脂和多元醇聚合物的质量之和与石英砂质量的比定义为聚合物总量，理论上，当加入的聚合物均能完全覆在石英砂上时，聚合物总量越大，DSCP体积密度越小。暂定酚醛树脂和多元醇聚合物的质量比为1∶1，将按不同聚合物总量（1.0%～5.0%）覆膜的石英砂（DSCP），按照支撑剂体积密度测定方法分别测出其体积密度，并与石英砂（聚合物总量为0%）进行对比，结果如图2所示。
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图 2 不同聚合物总量DSCP的体积密度Figure 2. Bulk density of DSCP with different total polymer amount由图2可知：随着聚合物总量增大，DSCP体积密度逐渐降低；聚合物总量大于3.0%时，DSCP体积密度的变化开始不规律，可能是由于石英砂圆球度和粒径大小分布不同所致，推测当聚合物总量为3.0%时有效聚合物覆膜量达到最大，故认为最佳聚合物总量为3.0%。
2.2 灼烧损耗评价试验
用灼烧损耗率表征DSCP的覆膜程度。将清洗过的石英砂置于950 ℃马弗炉中灼烧2 h后，取出置于干燥箱中冷却至室温，按照不同聚合物总量（1.0%～5.0%）进行覆膜；再用振筛机筛选出40/70目DSCP将其置于950 ℃马弗炉中灼烧2 h，然后取出并在干燥器中冷却至室温。通过称量灼烧前后的质量，计算其灼烧损耗率，结果如图3所示。
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图 3 不同聚合物总量DSCP的灼烧损耗率Figure 3. Burning loss rate of DSCP with different total polymeramount由图3可知，灼烧损耗随着聚合物总量增加而增加，当聚合物总量大于3.0%时，灼烧损耗率几乎不变。聚合物总量在3.0%～5.0%时，DSCP的灼烧损耗率与聚合物总量3.0%时的灼烧损耗率相近，证明聚合物总量为3.0%时已经达到覆膜最大值。结合体积密度试验结果，推测由于石英砂的圆球度不同和粒径大小分布存在差异，导致聚合物总量在3.0%～5.0%时DSCP的有效覆膜量呈不规则变化，故确定最佳聚合物总量为3.0%。
2.3 抗压强度和导流能力评价试验
支撑剂最大的作用是填充支撑地层裂缝，为后期排采提供通道。抗压强度往往决定支撑剂的适用范围，抗压强度越高，适用范围越广，越能在高闭合压力下填充并支撑裂缝。孔隙度是直接表现排水采气效率的性能，在实验室通常以导流能力来表征孔隙度，孔隙度越高，导流能力越强，排水采气效果越好。抗压强度和导流能力在一定程度上呈正相关关系，即抗压强度越高，导流能力越强，但某些支撑剂在高温高压下易变形黏结导致孔隙度降低，此时抗压强度可能没有明显变化，但导流能力会明显降低。所以，要结合抗压强度和导流能力客观地评价支撑剂的综合性能。
控制聚合物总量为3.0%，将酚醛树脂和多元醇聚合物按不同质量比混合给石英砂覆膜，测试DSCP在69和86 MPa压力下的破碎率和90 MPa压力下的导流能力，结果如图4所示。
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图 4 酚醛树脂与多元醇聚合物质量比对DSCP主要性能的影响Figure 4. Effect of mass ratio of phenolic resin to polyol polymer on main properties of DSCP由图4可知，随着酚醛树脂与多元醇聚合物质量比减小，DSCP的破碎率先降低后升高。两者质量比在9∶1～6∶4时，由于整体酚醛树脂比例大，抗压强度高，惰性合成树脂具有一定包裹能力，导致压碎的支撑剂吸附在外壳内，破碎率逐渐降低；随着多元醇聚合物比例增大，惰性树脂的防黏结能力变强，导流能力增强。质量比在6∶4～1∶9时，由于酚醛树脂量减少，抗压强度降低，抗压强度不够导致破速率迅速升高。试验结果表明：酚醛树脂的加量决定抗压强度；导流能力受支撑剂破碎率和软化形变能力综合影响，破碎率越高、形变能力越强，导流能力越弱。酚醛树脂和多元醇聚合物的质量比在9∶1～5∶5时，多元醇聚合物加量增大，外壳惰性材料增多，支撑剂形变能力减弱，此时形变能力对导流能力的影响大于破碎率，导流能力增强；两者质量比在5∶5～1∶9时，破碎率对导流能力的影响大于形变能力，导流能力减弱。根据综合性能及性价比考虑，酚醛树脂与多元醇聚合物的最佳质量比为6∶4。
2.4 不同温度下导流能力评价试验
导流能力是支撑剂非常重要的性能，特别是高温高压下的导流能力更贴合地层实际情况。常规酚醛树脂覆膜砂结构中的酚羟基和亚甲基易氧化，导致耐热性、耐氧化性受到影响，固化后的酚醛树脂受温度影响易软化、黏结，导流能力变差，影响后期返排液产出。为此，在室内以相同树脂加量制备出酚醛树脂覆膜砂和双壳型高强度覆膜砂DSCP，并在温度25～150 ℃、压力10～90 MPa条件下测试两者的导流能力变化情况，结果如图5和图6所示。
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图 5 酚醛树脂覆膜砂在不同温度和压力下的导流能力Figure 5. Flow conductivity of sand coated with phenol-formaldehyde resins at different temperatures and pressure![]()
图 6 DSCP在不同温度和压力下的导流能力Figure 6. Flow conductivity of DSCP at different temperature and pressure由图5可知：酚醛树脂覆膜砂的导流能力随温度变化较大，受温度影响较明显；温度由常温升至100 ℃时，酚醛树脂覆膜砂不同压力下的导流能力均降低了一半以上；在150 ℃温度、90 MPa压力下酚醛树脂覆膜砂的导流能力仅为0.18 mD·cm，表明此时酚醛树脂已软化黏结，支撑剂形变导致孔隙度急剧降低，导流能力变差。
由图6可知，DSCP的导流能力随温度升高有所下降，但降幅远低于树脂覆膜砂，在温度150 ℃、压力90 MPa下仍达4.34 mD·cm，表明DSCP在高温高压下仍具有良好的导流能力。
2.5 DSCP的综合性能
利用长期裂缝导流能力评价装置，在室内评价了树脂覆膜砂、DSCP和陶粒在不同压力下的破碎率和导流能力。然后，利用视体显微镜观察树脂覆膜砂、DSCP和陶粒试验前后的表面结构，并进行对比，以评价不同支撑剂的综合性能。树脂覆膜砂、DSCP和陶粒在不同压力下的破碎率和在90 ℃温度、不同压力下的导流能力见表1，树脂覆膜砂、DSCP和陶粒试验前及在90 ℃温度、90 MPa压力下试验后的表面结构如图7所示。
表 1 树脂覆膜砂、DSCP和陶粒的综合性能Table 1. Comprehensive properties of resin coated sand, DSCP and ceramsite支撑剂 不同压力下的破碎率，% 不同压力下的导流能力/(mD·cm) 69 MPa 86 MPa 10 MPa 30 MPa 50 MPa 70 MPa 90 MPa 40/70目树脂覆膜砂 11.54 15.23 11.10 6.61 2.86 1.63 0.88 40/70目DSCP 1.21 2.35 17.14 12.61 8.86 5.63 3.12 40/70目陶粒 5.73 7.12 18.73 13.95 9.77 6.59 3.86 70/140目树脂覆膜砂 8.11 11.66 9.93 4.73 2.81 0.53 0.31 70/140目DSCP 1.12 2.16 11.93 7.73 5.25 3.06 1.78 70/140目陶粒 4.64 6.23 13.40 9.23 6.51 4.12 2.43 由表1可知：DSCP的破碎率明显低于同规格的陶粒，说明该产品具有优异的抗压强度；导流能力略低于陶粒，一方面是由于石英砂的圆球度不如陶粒，另一方面是由于DSCP在高温高压条件下会轻微形变，颗粒之间的孔隙变小，但也明显优于树脂覆膜砂，表明DSCP具有良好的综合性能。
由图7可知，覆膜总量相同的树脂覆膜砂和DSCP圆球度差异不大（见图7（a）和图7（c）），说明主要受石英砂自身圆球度的影响。树脂覆膜砂由于其覆膜的树脂软化黏结，导致其在高温高压下试验后黏结在一起（见图7（b）），覆膜的树脂已大量破碎、脱落，破碎颗粒附着在树脂表面，导致测试出的破碎率较低，但实际破碎率远高于测试结果；其次由于树脂软化黏结，支撑剂孔隙度降低，导流能力急剧变差。DSCP在高温高压下试验前后整体变化不大（见图7（c）和图7（d）），试验后有部分颗粒外壳破碎（见图7（d）），但几乎没有颗粒黏结情况，大部分依旧呈分散状态，整体情况与陶粒（见图7（e）和图7（f））类似，表明DSCP具有良好的抗压能力和导流能力。由于内壳酚醛树脂为黄色，外壳多元醇聚合物是白色，从图7（d）可以看出部分颗粒白色外壳破裂、脱落，露出黄色内壳，进一步证明DSCP具有双壳结构。
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图 7 树脂覆膜砂、DSCP和陶粒试验前后的表面结构Figure 7. Surface structure of resin coated sand, DSCP and ceramsite before and after test3. 现场试验
双壳型覆膜支撑剂DSCP在涪陵页岩气田平桥南区块的JY03HF井进行了现场试验。该井是一口小井眼水平井，摩阻高、施工难度大。与其同期且同平台的3口井压裂时以陶粒为支撑剂，3口井的平均施工压力105 MPa，平均闭合压力80 MPa，最大砂比12%，平均单井加砂量1 235 m3，平均单段加砂量95 m3，压裂后稳定平均产气量7.12×104 m3/d。
根据现场实际情况，JY03HF井采用“高降阻率滑溜水+DSCP”的加砂模式。为了更好地评价DSCP的性能，在保证压裂施工安全的前提下，该井除了采用DSCP，其他所有参数均不变。JY03HF井的压裂施工曲线如图8所示。
由图8可知，JY03HF井施工中最高压力达110 MPa，最高排量16.5 m3/min，最大砂比12%，平均单段加砂量99.6 m3，总加砂量1 300 m3（40/70目和70/140目DSCP的质量比为6∶4）。压裂规模与同平台3口以陶粒为支撑剂的井相当，全程无砂卡、砂堵等异常情况，顺利完成压裂作业。压裂结束后，稳定产气量达到8×104 m3/d以上，套压稳定在10 MPa左右。相较于使用陶粒的同压裂规模的水平井，JY03HF井压裂支撑剂费用降低30%左右，取得了良好的经济效益。
4. 结 论
1）在室内以酚醛树脂、多元醇聚合物、固化剂等为原材料，采用物理表面涂覆和化学改性相结合的方法，按一定质量比制备了双壳型覆膜砂支撑剂DSCP。室内评价结果表明，酚醛树脂和多元醇聚合物的质量比为6∶4、聚合物总量为3.0%时制得DSCP的综合性能最佳。
2）DSCP在69和86 MPa压力下的破碎率分别为1.21%和2.35%，在90 MPa压力下的导流能力为3.12 mD·cm，表明其具有良好的抗压强度和导流能力。
3）现场试验表明，与以陶粒为支撑剂相比，在相同压裂规模和工艺参数下，采用DSCP 时单井压裂支撑剂费用降低30%左右，DSCP具有较好的推广应用价值。
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