高溫下加砂G級油井水泥強度發展規律研究

王景建,馮克滿,許前富薛 雷,朱江林 中海油田服務股份有限公司油田化學事業部,北京101149

隨著石油勘探開發的不斷成熟,無論是生產井還是探井都在向深井、超深井發展,因此保證深井、超深井、地熱井高溫條件下的水泥石強度,滿足封固質量是固井工程必須要解決的問題。為此,張維君、王珠忠等通過建立理論模型和試驗方法,在實踐中檢驗了使用超聲波檢測高溫高壓下水泥石強度的可行性,試驗表明這種方法具有很強的操作性和可靠性,而且動態測量性能好[1]。張景富等利用超聲波強度測試儀、高溫高壓養護釜及強度儀等儀器,對各種不同條件下G級油井水泥石強度進行了測試,得出了在不同溫度及外加劑條件作用下的水泥石強度的發育及變化特點,確立了水泥石產生高溫強度衰退規律[2];楊遠光、陳大均等通過研究幾種常用油井水泥在高溫水熱條件下水泥石強度的衰退的規律,提出摻加適當比例的石英砂可以抑制高溫水泥石強度衰退[3];楊智光、崔海清等通過檢測特定養護時間條件下G級水泥原漿強度及不同比例的硅砂加量,指出G級油井水泥石在高溫條件下強度衰退的臨界溫度分別為110℃和150℃;在水泥中加入硅砂可以抑制水泥石的高溫強度衰退,硅砂的合理加量為水泥量的30%～40%[4]。以上研究始終沒有就加入硅砂的目數對提高水泥石抗高溫衰退的規律性給出明確結論,也沒有研究水泥石在高溫一周以后甚至30d后的強度發育情況,為此,筆者以山東G級水泥為研究對象,利用超聲波強度儀研究在不同溫度對摻入不同目數硅粉的水泥石高溫強度發育情況進行了研究。

1 G級油井水泥未加硅粉高溫強度衰減規律研究

普通硅酸鹽油井水泥中主要礦物是硅酸三鈣(C3S)和硅酸二鈣 (C2S),兩者約占礦物總量的80%左右,溫度較低時2種礦物的水化產物主要是C2SH2和一定量的Ca(OH)2及少量的CaCO3,這些水化產物有較好的力學性能[3]。筆者首先進行了純水泥未加硅粉的高溫強度試驗,試驗結果如表1。試驗結果表明,當溫度超過130℃時,水泥石在30d內都有不同程度的強度衰減,溫度越高,強度衰減的越嚴重。并且水泥石強度的衰減并不是呈線性,而是一種幾何式加速衰退。這可能是由于溫度升高后,加速了水泥水化反應,能暫時得到較高的水泥石強度值,但C2S和C3S水化生成的C2SH2在高溫條件下不穩定,發生晶型轉變,形成以C2SH(C)和C2SH(A)為主體的混合物相。這2種水化產物強度較低,再加上它們在固體狀態下晶型轉變破壞了水泥石的內部結構,造成高溫下水泥石強度急驟衰退。

表1 原漿在高溫下強度衰減試驗表(水灰比0.44)

2 加砂G級油井水泥高溫強度發育規律研究

2.1 不同加砂量對水泥石強度影響

通過加入硅砂來降低水泥石中的Ca(OH)2和鈣硅比 (C/S),能有效抑制硅酸鹽油井水泥在高溫下的強度衰退現象[4]。不同加砂量對水泥石強度影響 (養護溫度為150℃)如圖1和圖2所示,結果表明,當硅粉加量達到35%時,水泥石在30d內強度發展一直呈現上升趨勢;未加硅粉的水泥石初始強度低,同時出現強度衰減。對比加入300目與800目硅粉的水泥石強度發展,加量在20%時,強度都有不同程度下降;當加量達到27%時,強度發展初期都有一定的衰退,但后期強度發展呈現一定上升趨勢,說明隨硅粉含量的增加,逐步形成水泥石強度的二次發育;當含量達到35%時,已出現明顯的二次強度增長。

分析其中的原因,可能是由于加砂水泥在高溫水熱條件下,SiO2可吸收水泥熟料水化時析出的Ca(OH)2,水熱合成CSH(B),降低了 “液相”中的Ca2+濃度,這就打破了C2SH2或C2SH(A)、C2SH(C)等高鈣水化硅酸鹽的水化平衡,它們將逐漸水化為低鈣硅酸鹽,使CSH(B)成為水泥石的主要水化產物,而纖維狀的CSH(B)單體高溫穩定強度高,因此提高了硅酸鹽油井水泥在高溫下的強度和熱穩定性[5]。隨硅粉加量的提高,可以使水化平衡進一步傾向于生成低鈣硅酸鹽,當硅粉的加量使C/S摩爾比接近或達到1∶1時,不但水泥石強度衰退有所緩解,而且水泥石強度發展呈現增長。

圖1 加入800目硅粉水泥石強度發育圖

圖2 加入300目硅粉水泥石強度發育圖

2.2 硅粉目數對水泥石強度影響研究

依次選用了160目、300目、600目、800目4種常見規格的硅粉進行高溫下30d的水泥石強度發展研究,試驗溫度為180℃,結果見圖3,其中圖3(a)硅粉加量27%,圖3(b)硅粉加量35%。

研究結果表明,在高溫180℃,當硅粉加量27%時,并不能有效緩解水泥石強度發展的衰減趨勢,粗硅粉衰減趨勢更明顯;而當硅粉加量35%時,基本上都可以保證水泥石的強度,160目粗硅粉仍然有一定程度的衰減,但中后期強度有所增長。對比發現加入更細的硅粉,水泥石早期強度發展更快,強度高值出現的更早,初始強度更高。硅粉越細,介入水泥石強度二次發育就越快,水泥石強度的二次增長越明顯,越能抑制水泥石中早期強度的衰減趨勢。

同樣,對比圖1、圖2的試驗結果,在養護溫度150℃時,相同配方及養護環境下,800目硅粉的水泥石強度較300目硅粉的水泥石強度更高,超細硅粉在水化早期能更有效地消耗水泥水化產生的Ca(OH)2晶體;促進水泥水化速度和水化程度;充填水泥硬化漿體中的微細孔隙;改善水泥硬化漿體的微觀結構,進而達到提高硬化漿體強度的目的。即硅粉的目數越高,硅粉顆粒粒徑越小,在高溫環境下早期強度發展越快,且硅粉目數越細,水泥石強度的二次發展越快,水泥石抗高溫衰退能力越強。分析其原因,這可能是由于粒徑較大的硅粉比表面積較小,與水泥水化過程中產生的氫氧化鈣發生反應時,反應速度較慢,而且反應也不夠充分;而粒徑較小的硅粉比面積較大,有利于反應平衡向形成低鈣硅酸鹽發展 ,因而提高水泥石強度效果較好[6]。

圖3 180℃時不同目數硅粉對水泥石強度影響

3 其他非常規水泥漿體系高溫強度發展規律

以上主要是針對常規密度1.90SG的水泥漿體進行研究,在中海油服水泥漿體系中使用較多的還包括PC-LET體系,即低密高強水泥漿體系。針對低密高強水泥漿體系,筆者研究了在高溫環境下加硅粉與無硅粉時的強度發育趨勢,結果如圖4和圖5所示。結果表明,即使低密高強水泥漿體系含有大量的漂珠 (SiO2)成分以及添加的增強劑中也同樣含有較多SiO2成分,但高溫不加硅粉時,強度仍然有不同程度的衰減。當溫度達到130℃時,強度衰減量7d時達到11.6%,加有30%的硅粉即使在高溫150℃下強度不衰減,呈現二級增長。

圖4 無硅粉曲線圖 (130℃)

[1]張維君,王珠忠,田興杰.高溫高壓下超聲波檢測水泥石強度的研究 [J].微計算機信息,2009(1):75-77.

[2]張景富,徐明,閆占輝,等.高溫條件下G級油井水泥原漿及加砂水泥的水化和硬化 [J].硅酸鹽學報,2008,36(7):939-945.

[3]楊遠光,陳大鈞.高溫水熱條件下水泥石強度衰退研究[J].石油鉆采工藝,1992(5):33-39.

[4]楊智光,崔海清,肖志興.深井高溫條件下油井水泥強度變化規律研究 [J].石油學報,2008,29(3):435-437.

[5]劉崇建,黃柏宗.油氣井注水泥理論與應用 [M].北京:石油工業出版社,2001.

[6]桑來玉.硅粉對水泥石強度發展影響規律 [J].鉆井液與完井液,2004,21(6):41-44.