新型實(shí)心低密度水泥研究

雷鑫宇，陳爽，陳大鈞，齊志剛，李卉，楊武

(1.中國科學(xué)院成都有機(jī)化學(xué)研究所，四川成都 610041;2.西南石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，四川成都 610500;3.中國石油長城鉆探鉆井液公司歡喜嶺項(xiàng)目部，遼寧盤錦 124010;4.中國石化勝利油田鉆井工藝研究院，山東東營 257000)

低密度水泥漿對于易漏失低壓井段、深井長封固井段和欠平衡鉆井井段等特殊井、復(fù)雜井的固井施工具有良好的適用性［1-2］。目前國內(nèi)外常用的低密度水泥漿體系主要有微硅低密度水泥漿體系、泡沫水泥漿體系和漂珠低密度水泥漿體系。微硅低密度水泥因?qū)ξ⒐杵焚|(zhì)要求較高而成本偏高;泡沫水泥穩(wěn)定性較差，存在安全隱患;漂珠耐剪切性不足，導(dǎo)致井下密度和設(shè)計密度不符。除此之外，3種低密度水泥漿的失水量均偏大，造成地層污染嚴(yán)重。

本研究室長期從事固井水泥漿體系設(shè)計與應(yīng)用研究工作［3-4］，與勝利油田鉆井工藝研究院合作開發(fā)的實(shí)心低密度水泥漿體系已進(jìn)入施工籌備階段［5］。本文在此基礎(chǔ)上，通過對實(shí)心減輕材料合成和水泥體系的優(yōu)化，進(jìn)一步提高了該新型實(shí)心低密度水泥的性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

嘉華G級高抗硫油井水泥、微細(xì)水泥、微硅JM-1、漂珠 PZ-1、早強(qiáng)劑 CK2-1、海泡石 HPS-1、活性SiO2S-1、分散劑SWJZ-1、降失水劑SWJ-4和SWJ-7、緩凝劑SWH-1、增韌劑X-1、表面活性劑TC-WT均為工業(yè)品;環(huán)氧氯丙烷、羥甲基雙酚A、二乙烯三胺等均為分析純。

API水泥實(shí)驗(yàn)全套裝置;DFC-0710B型增壓稠化儀;OWC-750型恒溫養(yǎng)護(hù)釜;NYL-300型壓力機(jī);SD-75C型數(shù)顯抗折強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)。

1.2 實(shí)心減輕材料DJ-2的合成

1.2.1 基料合成 反應(yīng)瓶中依次加入環(huán)氧氯丙烷、羥甲基雙酚A和表面活性劑TC-WT，于80℃攪拌0.5 h。降溫至70℃，在3 h內(nèi)滴加30%的 NaOH水溶液35 mL，滴畢，升溫至80℃，反應(yīng)2 h，得透明的油狀液體;經(jīng)萃取，蒸餾，干燥得白色基料。

1.2.2 DJ-2合成 于室溫攪拌下在反應(yīng)瓶中依次加入白色基料、S-1、HPS-1和TC-WT，升溫至80℃，加入二乙烯三胺15 g，反應(yīng)1 h。降溫至60℃繼續(xù)反應(yīng)2 h。將產(chǎn)物干燥，粉碎、過篩，得深黃色固體，即實(shí)心減輕劑DJ-2。

1.3 水泥性能評價

水泥漿配方見表1。

表1 水泥漿配方Table 1 Grout formulations

1.3.1 密度穩(wěn)定性 用配方1和2配漿，經(jīng)高速攪拌機(jī)拌漿后，分別測試實(shí)際密度，計算密度差值。

1.3.2 失水量 按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) SY/T 6544—2010《油井水泥漿性能要求》，改變降失水劑種類和加量，優(yōu)化水泥漿體系的失水性能。

1.3.3 稠化曲線 在70℃，40 MPa下測試水泥漿體系的稠化曲線，考察配伍性。

1.3.4 力學(xué)性能 按照國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 19139—2012《油井水泥試驗(yàn)方法》，測試水泥試件于75℃養(yǎng)護(hù)24 h和72 h后的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 密度穩(wěn)定性

表2為拌漿速度對水泥體系密度的影響。

表2 拌漿速度對水泥體系密度的影響Table 2 Effect of mixing speed to cement density

由表2可知，配方1的實(shí)際密度基本不受拌漿速度的影響，與設(shè)計密度吻合度較高;配方2的實(shí)際密度受拌漿速度影響較大，高速攪拌下，部分漂珠破裂進(jìn)水，密度升高。因此，配方1的密度穩(wěn)定性優(yōu)于配方2。

2.2 失水量

表3為失水量的優(yōu)化。

由表3可知，纖維素型降失水劑SWJ-4對實(shí)心低密度水泥漿的失水量控制不如成膜型降失水劑SWJ-7好。為降低水泥漿對地層的污染，優(yōu)選SWJ-7作為低密度水泥漿的降失水劑，加量在1.5%左右。

表3 降失水劑的優(yōu)化Table 3 Optimization of fluid loss agent

2.3 稠化曲線

圖1為密度1.35 g/cm3的實(shí)心低密度水泥的稠化曲線。

由圖1可知，水泥漿稠化過程無“鼓包”或者“階梯”情況出現(xiàn)，從30～100 Bc呈現(xiàn)直角稠化特點(diǎn)，稠化時間可調(diào)。

圖1 實(shí)心低密度水泥稠化曲線Fig.1 Thickening curves of solid low-density cement

2.4 力學(xué)性能

表4為實(shí)心低密度水泥石的力學(xué)性能。

表4 實(shí)心低密度水泥石力學(xué)性能Table 4 Mechanical properties of solid low-density cement

由表4可知，相同密度下，實(shí)心低密度水泥石的力學(xué)性能優(yōu)于DJ-1實(shí)心低密度水泥石和漂珠低密度水泥石。養(yǎng)護(hù)72 h后，配方1的抗壓強(qiáng)度高出配方2，超過20%，抗折強(qiáng)度高出11%。

3 結(jié)論

(1)通過對合成減輕材料的原料的表面改性，引入更多親水基團(tuán)，同時復(fù)配親水顆粒作為填料，提高了減輕劑與水泥的親和性，減輕劑耐剪切。

(2)通過優(yōu)化降失水劑，減少了實(shí)心低密度水泥漿體系對地層的污染。

(3)75℃養(yǎng)護(hù)72 h，實(shí)心低密度水泥石抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別較漂珠低密度水泥石高20%和11%。

［1］羅發(fā)強(qiáng)，郭小陽，楊遠(yuǎn)光.一種新型天然類火山灰低密度水泥漿的實(shí)驗(yàn)研究［J］.天然氣工業(yè)，2004，24(2):51-54.

［2］何育榮，彭志剛，馮茜.高強(qiáng)塑性水泥漿實(shí)心減輕材料FXW室內(nèi)研究［J］.鉆井液與完井液，2006，23(6):50-52.

［3］雷鑫宇，陳大鈞，張直建，等.纖維-自修復(fù)水泥改善固井質(zhì)量研究［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2013，13(19):5597-5599.

［4］雷鑫宇，陳大鈞，李小可，等.油井水泥緩釋自修復(fù)技術(shù)研究［J］.鉆井液與完井液，2013，30(5):60-62.

［5］楊武，陳大鈞，李小可，等.新型高強(qiáng)復(fù)合材料減輕劑YW-1 的室內(nèi)研究［J］.鉆井液與完井液，2013，30(6):58-60.