摘要
裂隙发育地层更易获得较好的地热水源补给，钻探中的严重漏失需要采用水泥进行封堵，但这容易造成储层损害。本文基于可降解纤维研制了地热暂堵水泥，该材料在钻井过程中渗透率较低，起到护壁堵漏作用，完井后部分降解，为地热流体产出提供通道。在PVA覆膜PLA纤维（PVA-PLA）的制备、改性及表征的基础上，探究了改性纤维对水泥浆性能及高温热水浸泡前后固结水泥石性能的影响规律及机理。结果表明：通过覆膜、热处理和硅烷改性的方式，可实现对聚合物纤维降解性能的调控；PVA-PLA纤维水泥石的60 ℃抗压强度最大为19.8 MPa、90 ℃浸泡后的孔隙率最高为28.88%，最符合低温堵漏、高温解堵的要求；60 ℃下PVA覆膜减少了PLA与水泥基质接触，90 ℃热水浸泡过程中PVA膜溶解、PLA暴露在水泥碱性环境下被水解消耗，从而在水泥石中形成较多（大于200 nm）的孔隙。低温下PVA-PLA纤维保持完整与水泥石共同堵漏，高温下纤维降解在水泥石内部形成通道而解堵，可在支撑破碎孔壁的同时，实现高温水热条件下对地热井的部分解堵。
在资源紧缺和环境污染问题日益凸显的时代背景下，地热资源的合理开发利用和可持续发展备受社会各界的关
目前已经规模化开采的水热型地热资源主要赋存于砂岩热储和碳酸盐岩热储中，其中碳酸盐岩热储常常因岩溶裂隙发育而具有良好的垂向渗流和水平径流条件，是我国地热资源最具开发利用潜力的主力储
综合文献、行业规范及项目资料调研结果，水泥浆堵漏施工的主要步骤及其过程中的井筒温度变化如
图1 堵漏过程中井筒温度变化示意
Fig.1 Temperature change of wellbore during plugging process Schematic diagram
PLA作为目前应用较为广泛的材料，具有高强度、高拉伸模量等优点，且制备PLA的原材料可以直接从甘蔗、玉米等作物中提取，获取较为方便，便于大量制备，因此PLA被视为石油基塑料潜在的替代材
热处理作为薄膜后处理常用方式，过程中PVA分子热运动加剧，微观结构趋于规整，结晶度提高，可增强覆膜的力学性
本文主要采用PLA、PVA、硅烷偶联剂KH560和油井水泥等材料进行实验。采用的实验设备如
| 序号 | 仪器类型 | 型 号 |
|---|---|---|
| 1 | 数显恒温水浴锅 | HH-1 |
| 2 | 维卡仪 | JCT/T729 |
| 3 | 数显液体密度计 | YMS 0.01-7.0 |
| 4 | 数显鼓风干燥箱 | DHG-9040 |
| 5 | 标准恒温恒湿养护箱 | SHBY-40B |
| 6 | 微机控制电液伺服压力试验机 | DYE-2000D |
| 7 | 数显式滚子加热炉 | XGRL-4 |
| 8 | 热重分析仪 | PerkinElmer TGA 4000 |
| 9 | 压汞仪 | AutoPore IV 9500 |
2%PVA溶液浸泡PLA纤维后，烘干至恒重得到PVA-PLA-1；PVA-PLA-1在130 ℃烘箱中热处理2 h制得PVA-PLA-2。选用KH560型硅烷偶联剂均匀喷涂在PVA-PLA-1制成PVA-PLA-3。同时将3种改性PVA-PLA纤维在2%硅酸钠溶液浸泡24 h前后分别进行热重分析（TGA）实验。
本文水泥浆配方如
| 纤维种类 | 处理方法 | 纤维加量/% | 水灰比 |
|---|---|---|---|
| PVA-PLA-1 | 90 ℃烘干 | 3 | 0.44 |
| PVA-PLA-2 | 130 ℃热处理2h | 3 | 0.44 |
| PVA-PLA-3 | 均匀喷涂硅烷偶联剂 | 3 | 0.44 |
水泥浆密度采用数显液体密度计进行测试，凝结时间采用维卡仪，过程遵从国家标准《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》（GB/T 1346-2011）。抗压强度测试遵从石油和天然气行业标准《油井水泥石性能试验方法》（SY/T 6466-2016），采用全自动水泥抗折抗压试验机进行测试，加载速度为10 kN/min。热重分析（TGA）所用仪器型号为PerkinElmer TGA 4000，测试温度范围为30~800 ℃，升温速率10 ℃/min，N2氛围。利用压汞仪对不同阶段的水泥石孔径分布进行测试，压力范围为0.2~33000 psi（注：1 psi=6.895 kPa），可测孔径范围5 nm~800 μm，仪器型号为AutoPore IV 9500型。
对PVA、PLA两种纤维原材料及表面改性后纤维在2%硅酸钠溶液中浸泡24 h前后的热降解性能进行测试，结果如
图2 聚合物原材料及表面改性后的热重分析结果
Fig.2 Thermogravimetric analysis results of polymer raw materials and surface modification
A—纤维在2%硅酸钠溶液中浸泡24 h前；B—纤维在2%硅酸钠溶液中浸泡24 h后烘干
将3种PVA-PLA纤维分别按照3%添加到油井水泥中，水泥浆密度及流动度测试结果如
| 配 方 | 水灰比 | 密度/(g·c | 流动度/mm |
|---|---|---|---|
| 纯水泥 | 0.44 | 1.94 | 154 |
| PVA-PLA-1 | 0.44 | 1.85 | 86 |
| PVA-PLA-2 | 0.44 | 1.82 | 86 |
| PVA-PLA-3 | 0.44 | 1.81 | 90 |
如
| 配 方 | 初凝时间/min | 终凝时间/min |
|---|---|---|
| 纯水泥 | 108 | 295 |
| PVA-PLA-1 | 210 | 421 |
| PVA-PLA-2 | 270 | 367 |
| PVA-PLA-3 | 330 | 437 |
在纯水泥中，随着养护温度上升，水化反应速率增大，水泥石抗压强度也随之提
图3 水泥石不同养护温度下的抗压强度
Fig.3 Compressive strength of cement stone at different curing temperatures
在①组中，90 ℃和60 ℃抗压强度分别比常温提高了143.39%和161.90%。高温环境能够促进水泥的水化反应进程，形成更多的水化硅酸钙凝胶，对水泥石大孔隙进行填充，从而提高水泥基材料的强度和稳定性。但90 ℃浸泡养护的强度比60 ℃降低了7.07%，原因在于90 ℃浸泡养护，使包覆在PLA表面的PVA膜溶解，PLA暴露在水泥的碱性环境中，消耗Ca（OH）2导致碱性降低，同时PLA水解在水泥石中形成较大孔隙，导致水泥石强度降低。且温度对强度的提升作用小于PLA对水泥强度的降低作用，最终表现为水泥石强度降低。
同一养护条件下，PVA-PLA-1、PVA-PLA-2、PVA-PLA-3三组水泥石的强度依次降低。相对于PVA-PLA-1，PVA-PLA-2强度降低的原因是：130 ℃条件下对PVA-PLA-1热处理2 h，PVA薄膜分解后其对PLA的包裹性变差，使碱部分消耗影响水泥水化进程而导致水泥强度降低。
硅烷偶联剂作为一种含有两种不同反应性官能团的有机硅化合物，可与无机材料进行化学结合，能实现有机—无机材料之间的偶联，从而改善材料的性能。其化学结构可用通式YSiX3表示，其中Y为亲有机材料的官能团，X为水解性官能团。其与水泥材料作用的机理如
图4 硅烷偶联剂与水泥的作用机理
Fig.4 Mechanism of action between silane coupling agent and cement
如
图5 PVA-PLA-1水泥石在不同温度下孔隙测试结果
Fig.5 Pore Test Results of PVA-PLA-1 Cement Stone
吴中伟院
如
图6 PVA-PLA-2水泥石在不同温度下孔隙测试结果
Fig.6 Pore Test Results of PVA-PLA-2 Cement Stone at Different Temperatures
如
图7 PVA-PLA-3水泥石在不同温度下及PVA-PLA-1水泥石在常温下的孔隙测试结果
Fig.7 Porosity test results of PVA-PLA-3cement stone at different temperatures and PVA-PLA-1 cement stone at room temperature
综上所述，水泥石常温养护，水化程度低，形成大量200 nm以上的多害孔；在60 ℃和90 ℃高温浸泡养护，使得孔隙充满孔隙液，以及高温促进水化，生成更多水化产物，对大孔隙进行填充，使得大孔减小。但在90 ℃条件下浸泡养护，使包覆在PLA表面的PVA膜溶解，PLA暴露在水泥中，与水泥中的Ca（OH）2反应，消耗了PLA，形成了较大孔隙，说明高温条件下可在水泥石内部形成通道，对高温地热井进行解堵。其中内掺3%PVA-PLA-1时，在60 ℃时强度最高，能对储层进行良好的封堵；且在高温下孔隙率最高，解堵效果最好。
PVA改性PLA纤维地热暂堵水泥的降解机理如
图8 PVA改性PLA纤维地热暂堵水泥的降解机理
Fig.8 Degradation mechanism of PVA modified PLA fiber geothermal temporary plugging cement
（1）经过包覆改性处理后，3种改性PVA-PLA纤维的降解峰位置分别为362、382、320 ℃，相较于PLA的降解峰位置均有变化，且水泥滤液浸泡3种改性PVA-PLA纤维后峰值温度均降低。结果说明，通过改性的方式可实现对聚合物降解性能的调控，有利于根据地热井温度变化对其进行解堵。
（2）常温养护时，水化程度低，水泥石内存在较多大孔径，随养护温度升高，水泥水化速率加快。小于20 nm无害孔占比增加，大于200 nm的多害孔减少，细化了孔隙结构，结构密实度增加，水泥石的峰值孔径减小。其中，90 ℃时小孔隙占比大，但同时存在较多大孔，原因是90 ℃浸泡后，改性纤维的降解在水泥石中形成了较大孔隙。
（3）在高温下，PVA包覆改性PLA纤维在钻进过程的相对低温下可保持完整封堵地层，而高温环境下随着PVA覆膜的溶解，PLA在碱性条件下逐渐水解，在水泥石内部形成通道，对地热储层进行解堵。
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