低溫固井水泥漿體系的室內(nèi)研究

步玉環(huán)， 侯獻(xiàn)海， 郭勝來(lái)（中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東青島266580）

步玉環(huán)等.低溫固井水泥漿體系的室內(nèi)研究[J].鉆井液與完井液，2016，33（1）：79-83.

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低溫固井水泥漿體系的室內(nèi)研究

步玉環(huán)， 侯獻(xiàn)海， 郭勝來(lái)
（中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東青島266580）

步玉環(huán)等.低溫固井水泥漿體系的室內(nèi)研究[J].鉆井液與完井液，2016，33（1）：79-83.

摘要針對(duì)煤層氣層的低溫固井以及深水表層套管固井中油井水泥早期強(qiáng)度發(fā)展緩慢的問題，通過將膠體SiO2、硫酸鹽和醇胺類物質(zhì)三元復(fù)配，開發(fā)出一種復(fù)合型無(wú)氯早強(qiáng)劑AA。研究了該早強(qiáng)劑不同加量對(duì)油井水泥的影響，采用XRD、SEM分析水泥水化產(chǎn)物和微觀形貌，并結(jié)合早強(qiáng)劑中各組分作用，分析了它的作用機(jī)理。通過向水泥中加入減輕材料和配套外加劑，形成了一套密度為1.35～1.87 g/cm3的低溫固井水泥漿體系。研究結(jié)果表明，早強(qiáng)劑AA可以加速水泥熟料C3S、C2S的水化反應(yīng)進(jìn)程，同時(shí)消耗水泥水化生成的Ca（OH）2，膠體SiO2可以與Ca（OH）2發(fā)生火山灰反應(yīng)生成C—S—H凝膠，它可以填充水泥顆粒之間的微孔隙，顯著提高水泥石早期強(qiáng)度；該低溫固井水泥漿在30 ℃下的24 h抗壓強(qiáng)度大于13 MPa，稠化時(shí)間在196～258 min之間，失水量為24 mL，游離液為0，流動(dòng)度大于20 cm。此外，該水泥漿體系具有直角稠化、防氣竄性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞水泥漿；低溫；早強(qiáng)劑；固井；煤層氣

Study on Low Temperature Cementing Slurry

BU Yvhuan, HOU Xianhai, GUO Shenglai
(School of Petroleum Engineering, China Petroleum University (East China), Qingdao, Shandong 266580, China)

Abstract A chlorine-free early-strength agent AA was developed by compounding colloidal SiO2, sulfate and alcohol amine. The development of AA is aimed at solving the troubles existed in cementing low temperature coalbed methane wells and cementing the surface hole section of deep water offshore wells. Effects of AA on the performance of oil well cement were studied. Using XRD and SEM, the hydrate of cement and the functioning mechanism of AA were analyzed. A 1.35-1.87 g/cm3cement slurry suitable for low temperature well cementing was prepared using light weight material and other additives. Laboratory study shows that AA simultaneouslyaccelerates the hydration of cement clinkers C3S and C2S, and consumes the Ca(OH)2produced. Pozzlanic reaction between SiO2and Ca(OH)2give birth to a C—S—H gel, which fills the pores and spaces formed by cement particles. Early strength of set cement is thus remarkably enhanced. This low temperature cement slurry has 24 h compressive strength of 13 MPa at 30 ℃, thickening time of 196-258 min, filter loss of 24 mL, free liquid of 0, and mobility greater than 20 cm. Other advantages of this cement slurry include short transient time and gas channeling prevention.

Key words Cement slurry; Low temperature; Early strength agent; Well cementing; Coalbed methane

0　引言

煤層氣層的低溫固井以及深水淺層表層套管固井中，地層溫度較低，油井水泥早期強(qiáng)度發(fā)展緩慢，無(wú)法滿足油氣井固井作業(yè)要求。目前主要采用向油井水泥中添加早強(qiáng)劑的方法縮短水泥凝結(jié)時(shí)間，提高水泥石的早期強(qiáng)度[1-4]。現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外油井水泥早強(qiáng)劑主要分為氯鹽類、硫酸鹽類和有機(jī)物類等。但是這些早強(qiáng)劑都存在一些問題：氯鹽類早強(qiáng)劑會(huì)使水泥漿屈服值升高、水泥石滲透率升高和防硫酸鹽腐蝕能力下降[5]；硫酸鹽類早強(qiáng)劑對(duì)水泥石產(chǎn)生化學(xué)侵蝕，影響水泥石耐久性[6]；有機(jī)物類早強(qiáng)劑摻量極微，不好控制，摻量過多會(huì)造成嚴(yán)重緩凝和水泥石強(qiáng)度下降[7]。所以常用單一組分早強(qiáng)劑通常不能很好地滿足固井施工要求，而將多種類型的早強(qiáng)劑復(fù)合使用可以更好地提高水泥石強(qiáng)度，同時(shí)避免流變性差、套管銹蝕和稠化時(shí)間不易調(diào)節(jié)的問題[8]。

膠體SiO2是一種新型的水泥增強(qiáng)材料，它可以提高水泥基材料的力學(xué)性能和耐腐蝕性能，同時(shí)也具有降低水泥石滲透率的作用[9-10]。筆者通過將膠體SiO2、硫酸鹽和醇胺類物質(zhì)三元復(fù)配，開發(fā)出一種新型無(wú)氯早強(qiáng)劑AA，該早強(qiáng)劑具有優(yōu)異的低溫早強(qiáng)效果，同時(shí)復(fù)配后的早強(qiáng)劑中硫酸鹽含量大幅減小，不會(huì)對(duì)水泥石產(chǎn)生腐蝕。針對(duì)煤層氣和深水淺層表層套管“低壓固井”的要求，向水泥中加入減輕材料和配套外加劑，形成了一套密度為1.35～1.87 g/cm3的低溫固井水泥漿體系[11]。

1　室內(nèi)研究

1.1 AA加量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

分別測(cè)試15 ℃和30 ℃養(yǎng)護(hù)溫度下，加入不同量實(shí)驗(yàn)室自制早強(qiáng)劑AA的G級(jí)水泥的抗壓強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。測(cè)試的基礎(chǔ)配方為：G級(jí)水泥+1%分散劑FHJZ-1+1%降失水劑SWJ-4+0.2%消泡劑SWX-1+44%水。

表1　不同溫度下AA加量對(duì)G級(jí)水泥抗壓強(qiáng)度的影響

從表1可知，在15 ℃和30 ℃下，早強(qiáng)劑AA加量在1%～6%之間都可以顯著提高G級(jí)水泥的抗壓強(qiáng)度；加量為4%時(shí)抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值，在15 ℃下，24 h和48 h抗壓強(qiáng)度相對(duì)純G級(jí)水泥分別提高100%和120%；在30 ℃下，24 h和48 h抗壓強(qiáng)度相對(duì)純G級(jí)水泥提升104%和49%。由此可見，早強(qiáng)劑AA具有優(yōu)異的低溫早強(qiáng)效果。在15 ℃和30 ℃下膠體SiO2組分對(duì)早強(qiáng)劑AA的低溫早強(qiáng)性能有顯著的增強(qiáng)作用，如表2所示。

表2　膠體SiO2組分對(duì)AA低溫早強(qiáng)性能的影響

1.2 水泥石礦物分析

用X射線衍射儀測(cè)試純G級(jí)水泥和加入4%AA 的G級(jí)水泥養(yǎng)護(hù)24 h的水泥石礦物組成，養(yǎng)護(hù)溫度設(shè)定為30 ℃，其XRD圖譜如圖1所示。

圖1　水泥水化24 h后XRD圖譜

由圖1可以看出，2種配方養(yǎng)護(hù)24 h后的水泥石礦物組成相同，但是加入AA的水泥石Ca（OH）2特征峰明顯低于純G級(jí)水泥，這主要是由于膠體SiO2與水泥水化反應(yīng)初期生成的Ca（OH）2反應(yīng)生成C—S—H（水化硅酸鈣）凝膠，消耗了大量的Ca（OH）2。此外加入AA的水泥石C3S、C2S特征峰相對(duì)減弱，說(shuō)明水泥熟料消耗較快，早期水化反應(yīng)加速。XRD結(jié)果表明：AA主要作用是加速水泥熟料C3S、C2S的水化反應(yīng)進(jìn)程，同時(shí)消耗水泥水化生成的Ca（OH）2，但是不改變水化產(chǎn)物類型。

1.3 水泥石微觀形貌分析

用掃描電鏡觀察純G級(jí)水泥和加入4%AA的G級(jí)水泥養(yǎng)護(hù)24 h后的水泥石微觀形貌，養(yǎng)護(hù)溫度設(shè)定為30 ℃，其微觀形貌如圖2所示。從圖2可以觀察到，在30 ℃養(yǎng)護(hù)24 h后，2種配方的水化產(chǎn)物主要有團(tuán)簇狀的C—S—H（水化硅酸鈣）凝膠、針狀的AFt晶體和片狀的Ca（OH）2晶體[12]，與XRD測(cè)試結(jié)果一致；在純G級(jí)水泥中出現(xiàn)了大量的片狀的Ca（OH）2晶體，而加入4%AA的G級(jí)水泥中Ca（OH）2晶體大幅減少，說(shuō)明AA中的膠體SiO2可以消耗大量的Ca（OH）2，驗(yàn)證了XRD分析結(jié)果；同時(shí)，對(duì)比純G級(jí)水泥，加入4%AA 的G級(jí)水泥硬化后，水泥石的孔隙和裂縫更少，水化產(chǎn)物相互連接成整塊，整體結(jié)構(gòu)更緊湊致密。

圖2　水泥水化24 h后SEM圖

1.4 早強(qiáng)劑AA作用機(jī)理分析

早強(qiáng)劑AA主要成分為硫酸鹽、醇胺類物質(zhì)和膠體SiO2。在水泥水化早期，硫酸鹽能提高水泥漿體中的離子強(qiáng)度，在水泥水化過程中，它與水泥水化產(chǎn)生的氫氧化鈣反應(yīng)生成硫酸鈣和氫氧化物。其中硫酸鈣粒度極細(xì)，與C3A（鋁酸三鈣）反應(yīng)生成水化硫鋁酸鈣晶體的速度較快，而氫氧化物作為活性劑使體系的堿性增強(qiáng)，可以提高C3A和石膏的溶解度，從而增加水泥中鈣礬石的數(shù)量，有利于水泥石早期強(qiáng)度的發(fā)展。醇胺類物質(zhì)在水泥水化過程中，與水泥中離子生成易溶于水的絡(luò)合物，提高了水泥顆粒表面的可溶性，阻礙了C3A表面形成水化初期不滲透層，促進(jìn)了C3A和C4AF（鐵鋁酸四鈣）的溶解，加速其與石膏反應(yīng)生成硫鋁酸鈣，從而促使水泥石早期強(qiáng)度增長(zhǎng)[3，12]。膠體SiO2可以與水泥漿中的Ca（OH）2發(fā)生火山灰反應(yīng)生成C—S—H凝膠，它可以填充水泥顆粒之間的微孔隙，增強(qiáng)填充效果，提升水泥石強(qiáng)度[13]。

2　低溫固井水泥漿體系性能評(píng)價(jià)

2.1 低溫固井水泥漿配方

煤層氣層和深水表層套管固井都面臨著地層薄弱、水泥漿易漏失的問題，要求固井水泥漿具有低密度、低失水、防氣竄等性能。通過向G級(jí)水泥中加入空心玻璃微珠降低水泥漿密度，并加入配套的分散劑、降失水劑、消泡劑和早強(qiáng)劑AA，調(diào)節(jié)水泥漿的綜合性能，配制出如下4種低溫固井水泥漿配方。

1#G級(jí)水泥+4%早強(qiáng)劑AA+1%分散劑FHJZ-1+1.5%降失水劑BXF-200L+0.5%消泡劑SWX-1+48%水

2#1#+10%空心玻璃微珠

3#1#+20%空心玻璃微珠

4#1#+30%空心玻璃微珠

2.2 常規(guī)性能評(píng)價(jià)

低溫固井水泥漿體系的常規(guī)性能見表3。

表3　低溫固井水泥漿體系的常規(guī)性能

結(jié)果表明：水泥漿失水量低，不易污染地層；游離液為0，漿體穩(wěn)定；在30 ℃低溫條件下早期強(qiáng)度發(fā)展迅速，后期強(qiáng)度高；稠化時(shí)間（30 ℃、10 MPa）在197～258 min之間，可以滿足施工要求；流動(dòng)度大于20 cm，水泥漿流動(dòng)性良好。說(shuō)明低溫固井水泥漿綜合性能良好，滿足固井施工要求。

2.3 流變性能評(píng)價(jià)

根據(jù)SY/T 5480—1992《注水泥流變性設(shè)計(jì)》，測(cè)試低溫固井水泥漿體系的流變性并計(jì)算流變參數(shù)，結(jié)果如表4所示。結(jié)果表明：4種配方的低溫固井水泥漿流性指數(shù)較大，說(shuō)明該水泥漿體系具有良好的剪切稀釋性，有利于防止井漏和氣竄的發(fā)生；稠度系數(shù)較小，流動(dòng)度大于20 cm，說(shuō)明該水泥漿體系摩阻較小，有利于降低泵注壓力[3]。

2.4 懸浮穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

表5為4種配方BP實(shí)驗(yàn)結(jié)果。結(jié)果表明：4種配方形成的水泥柱最上段與最下段密度差在0.025～0.033 g/cm3之間，表明該水泥漿體系具有較好的懸浮穩(wěn)定性，可滿足現(xiàn)場(chǎng)固井施工要求[14-15]。

表4　低溫固井水泥漿體系的流變性

表5　低溫固井水泥漿體系懸浮穩(wěn)定性

2.5 稠化性能評(píng)價(jià)

圖3為低溫固井水泥漿（1#配方）在30 ℃、10 MPa條件下的稠化曲線。從圖中可以看出，該配方的初始稠度為14.5 Bc，稠化時(shí)間為196 min，稠化前期漿體稠度平穩(wěn)，沒有增稠、閃凝等不良現(xiàn)象，30～100 Bc過渡時(shí)間為17 min，曲線近似“直角稠化”，有利于防氣竄。

圖3　低溫固井水泥漿的稠化曲線

2.6 防氣竄性能評(píng)價(jià)

計(jì)算出低溫固井水泥漿（1#配方）SPN值為2.7，小于3，即屬于強(qiáng)防氣竄的水泥漿[3，16]。

2.7 強(qiáng)度發(fā)展評(píng)價(jià)

圖4為低溫固井水泥漿（1#配方）在30 ℃、15 MPa下的強(qiáng)度發(fā)展曲線。結(jié)果表明：低溫固井水泥漿前期抗壓強(qiáng)度發(fā)展迅速，8 h時(shí)強(qiáng)度達(dá)到4.7 MPa，24 h時(shí)強(qiáng)度達(dá)到了25.2 MPa，完全滿足固井施工的要求。

圖4　低溫固井水泥漿的強(qiáng)度發(fā)展曲線

3　結(jié)論

1. 早強(qiáng)劑AA加量在1%～6%可以顯著提高水泥石強(qiáng)度；在加量為4%時(shí)，15 ℃條件下，24 h和48 h抗壓強(qiáng)度相對(duì)純G級(jí)水泥分別提高100% 和120%，30 ℃條件下，分別提高104%和49%。

2. 早強(qiáng)劑AA為無(wú)氯早強(qiáng)劑，不會(huì)對(duì)套管產(chǎn)生潛在的銹蝕危害，它可以加速水泥熟料C3S、C2S的水化反應(yīng)進(jìn)程，同時(shí)消耗水泥水化生成的Ca（OH）2，使水泥石微觀結(jié)構(gòu)更致密緊湊，但是不改變水化產(chǎn)物類型。

3. 低溫固井水泥漿體系性能：24 h抗壓強(qiáng)度（30 ℃）大于13 MPa；流動(dòng)度大于20 cm；失水量為24 mL；游離液為0；密度在1.35～1.87 g/cm3可調(diào)；稠化時(shí)間（30 ℃、10 MPa）在196～258 min之間，過渡時(shí)間為17 min，近似“直角稠化”；防氣竄性能優(yōu)異；沉降穩(wěn)定性合格。

參 考 文 獻(xiàn)

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收稿日期（2015-10-13；HGF=1601N19；編輯 王小娜）

作者簡(jiǎn)介：第一步玉環(huán)，1966年生，博士，主要從事油氣井工程、油氣井流體力學(xué)、固完井工程領(lǐng)域的教學(xué)與科研工作。電話 13884951607；E-mail：buyuhuan@163.com。

基金項(xiàng)目：973計(jì)劃“海洋深水油氣安全高效鉆完井基礎(chǔ)研究”（2015CB251202）；教育部長(zhǎng)江學(xué)者創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)“海洋油氣井鉆完井理論與工程”（IRT1086）。

doi:10.3696/j.issn.1001-5620.2016.01.016

中圖分類號(hào)：TE256.6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-5620（2016）01-0079-05