固化剂对油气井用环氧树脂-波特兰水泥复合材料性能的温度依赖性影响机制研究

为解决油气井固井材料在复杂温度条件下性能不稳定的问题，中国石油集团海洋工程有限公司渤星公司的研究人员开展了环氧树脂-波特兰水泥（OPC）复合体系中固化剂作用机制的研究。通过SEM、BET和CT等微观分析技术，首次揭示了65°C温度阈值下固化剂对材料力学性能、孔隙结构和界面结合的差异化影响规律，为高温深井固井材料设计提供了理论依据。

　　

在油气开采领域，固井材料的性能直接关系到井筒的长期密封性和安全性。传统波特兰水泥（Portland cement）虽然成本低廉、施工性能良好，但存在脆性大、抗腐蚀性差等固有缺陷。近年来，通过添加环氧树脂（epoxy resin）改善水泥性能成为研究热点，但关于是否必须添加固化剂（curing agent）的争论持续存在。更关键的是，从浅层低温到深层高温（30-180°C）的井下复杂环境中，固化剂的作用机制尚不明确，这严重制约了复合材料在深井固井中的应用。

中国石油集团海洋工程有限公司渤星公司（CNPC Offshore Engineering Company Limited）的研究团队针对这一难题，创新性地开发了适用于油气井的水性环氧树脂-波特兰水泥复合体系。通过系统研究不同温度条件下（30-120°C）固化剂对材料性能的影响，结合扫描电镜（SEM）、比表面积分析（BET）和计算机断层扫描（CT）等先进表征技术，首次揭示了温度依赖性的性能变化规律及其微观机制。相关成果发表在《Geoenergy Science and Engineering》上，为深井固井材料设计提供了重要理论指导。

研究采用的关键技术包括：1）模拟井下温度条件的流变学测试（30-120°C）；2）三维孔隙结构CT重建技术；3）基于氮气吸附法的BET比表面积分析；4）界面结合强度测试的微观力学表征。所有实验均采用Class G级波特兰水泥和自主研发的R-2水性环氧树脂乳液。

【Thickening time】研究发现，无固化剂体系的稠化时间显著延长（较含固化剂体系增加23.5%），这为深井水泥浆的安全泵送提供了更大操作窗口。温度升高会加速含固化剂体系的固化反应，而无固化剂体系则保持更稳定的流变特性。

【Mechanical properties】在65°C临界温度点出现性能反转现象：低于65°C时，含固化剂体系的抗压强度和界面结合强度分别提高18.7%和32.4%；超过65°C后，无固化剂体系性能反超，其28天抗压强度达到含固化剂体系的1.26倍。

【Microstructure analysis】CT扫描显示，高温下无固化剂体系形成的环氧树脂膜能均匀分布在水泥三维基体中，使平均孔径减小46.6%（相比40°C数据），大孔孔隙率降低21.9%。而含固化剂体系则出现2-20μm的环氧树脂自聚集球体，破坏材料均一性。

【Field application】在大港油田关XX井的现场试验中，采用无固化剂配方在98°C井段成功封堵漏失层，封堵后承压能力达到25MPa，验证了高温条件下的实用价值。

结论部分明确指出：1）65°C是固化剂作用效果的临界温度点；2）无固化剂体系通过温度激活的环氧树脂成膜机制，在高温下能优化孔隙结构（孔径分布集中在小于100nm范围）；3）该发现突破了传统固化剂必须添加的认知局限，为深井固井提供了更经济的材料解决方案。这项研究不仅解决了油气井工程中的实际难题，也为聚合物-水泥复合材料的基础理论研究提供了新视角。