建筑水泥設計一次上返低密度防漏水泥漿體系室內研究

路　寧，王文斌，羅麗霞

（1.低滲透國家工程實驗室，陜西西安710018；2.川慶鉆探鉆采工程技術研究院，陜西西安710018）

建筑水泥設計一次上返低密度防漏水泥漿體系室內研究

路寧*1，2，王文斌1，2，羅麗霞1，2

（1.低滲透國家工程實驗室，陜西西安710018；2.川慶鉆探鉆采工程技術研究院，陜西西安710018）

針對長慶油田吳起、定邊區塊一次上返固井過程中易發生漏失造成水泥返高不夠或低密度水泥封固段固井質量差的問題，研究開發防漏低成本膠凝材料建筑水泥、減輕材料和低密度水泥漿體系，形成適合吳定區塊一次上返固井施工要求的低密度防漏失水泥漿體系。通過大量室內試驗研究，用建筑水泥與人造微珠、輕珠配制低密度水泥漿；密度1.15g/cm3的水泥石抗壓強度大于6.0MPa/7d （40℃）；同時研究完成改進型低溫早強劑GQD-2配方；研究完成A級水泥配制低密度水泥漿配方；完成建筑水泥、A級、G級水泥配制低密度水泥漿抗壓強度對比實驗。實驗結果表明，建筑水泥配制低密度低成本水泥石抗壓強度7d大于6MPa，滿足現場施工要求；改進后的低溫水泥早強劑GQD-2水泥石抗壓強度提高；A級油井水泥石滿足低密度水泥石抗壓強度的要求。

建筑水泥；減輕材料；低密度；低溫早強；抗壓強度；稠化時間

長慶油田吳起、定邊區塊地層結構松散，壓力低易形成漏層。尤其是洛河層，鉆進過程中易發生大型漏失，其漏失特點是漏層裂縫發育、漏失層位地層壓力低，同時伴有活躍的地層水。發生井漏后井筒內缺失水泥段長達800～1000m，難以保證井筒內水泥環的完整，固井施工存在返高不夠（吳定區塊40%的井返高不夠）。同時分級固井已不能完全滿足目前完井施工的需要，目前低密度水泥漿，一次上返固井液柱壓力超過地層破裂壓力導致漏失現象時常發生，因此，迫切需要進行固井過程中的防漏水泥漿體系及相關施工工藝的研究。國內外進行低密度水泥漿研究分為：①填充空心漂珠；②充填泡沫形成泡沫水泥漿；③充填空心玻璃微珠；④人造微珠；⑤緊密堆積低密高強水泥漿體系［1-2］。研究需要解決的關鍵技術問題：根據吳定區塊地層漏失特性，進行水泥漿減輕材料優選及評價試驗，設計密度1.15 g/cm3的防漏水泥漿體系，在溫度40℃條件下抗壓強度大于6.0MPa。解決吳定區塊低密度水泥封固段返高不夠和固井質量差的技術難題。

研發“防滲漏”和“減輕”2種不同特性集成為一體的水泥復合減輕劑，形成新型低密度防滲漏水泥漿體系。復合減輕劑產生一定的膨脹壓力，增大水泥漿在井壁與套管掛壁的摩阻，從而降低了環空壓力，對漏失有明顯的減緩和阻止的作用。水泥漿密度范圍1.15～1.35g/cm3，水泥漿體系穩定、析水小、抗壓強度高，適用于低壓易漏地層固井，自身膨脹、降低地層壓力增強體系防漏失能力。地層承壓能力1.25～1.30g/cm3時，經過理論計算，防漏水泥漿提高地層承壓能力，水泥漿密度可達到1.40g/cm3，現場使用密度1.25g/cm3的水泥漿可以返到地面。防漏失水泥漿復合減輕劑在長慶儲氣庫井榆37-2H井、靖平22-4-1井、G34-021井和其它井上現場施工上百口井。解決了低壓易漏地層一次上返固井質量問題，固井質量合格率達到100%。現在用建筑水泥代替G級水泥能達到同樣的防漏失提高固井質量的目的。

1　實驗原料選擇及評價實驗

選擇525#建筑水泥（添加抗硫酸鹽腐蝕劑）、減輕材料輕珠（珍珠巖）、體系穩定材料為低密度水泥漿基礎材料，優選性能更優的新減輕材料（人造微珠）輔配使用，優選性能優良的早強劑，配制低密度水泥漿體系。人造微珠具有良好的耐壓性能，且密度可控，具有更好的應用適應性。空心微珠是以堿石灰硼硅酸鹽玻璃為主要基質材料的空心微球，通過人工控制加氣量、粒度、壁厚等控制其密度，具有質輕、空心、導熱系數小、抗壓強度高、密度可控等特點［3］。

建筑水泥性能評價試驗：選擇525#建筑水泥做稠化時間、抗壓強度、析水試驗。稠化時間：建筑水泥700g，水灰比：0.46，密度1.85g/cm3；實驗條件：52℃、28min、36.5MPa，初稠：25Bc，稠化時間：100min。稠化曲線見圖 1。抗壓強度（38℃）：12.8MPa/8h，30.8MPa/24h，30.8MPa/48h，抗 壓 強 度（60℃）：10.3MPa/8h，33.8MPa/24h，35.8MPa/48h，析水率：0；實驗結果表明，525#建筑水泥（改性后）符合油井水泥固井要求。

圖1　建筑水泥性能評價試驗稠化曲線

建筑水泥耐溫性能實驗：水泥漿配方：建筑水泥∶粉煤灰=95∶5+2%降失水劑GSJ+0.2%USZ+0.05%消泡劑GXP；水灰比：0.46，密度 1.83g/cm3；70℃/24h抗壓強度：30.6MPa，70℃/48h抗壓強度：32.0MPa，70℃/72h抗壓強度：33.0MPa，70℃/7d抗壓強度：22.7MPa。隨養護時間延長，抗壓強度有降低趨勢。水泥漿流動性能實驗：常壓稠化儀70℃條件下攪拌25min稠度達到40BC。常壓稠化儀60℃條件下攪拌20min稠度達到35BC。這說明建筑水泥耐溫性能小于60℃條件。試驗結果表明：建筑水泥在60℃以上流動性變差，抗壓強度有降低趨勢，因此建筑水泥可以使用在60℃以下的油井上。

研究思路：為了降低固井成本，用建筑水泥代替油井水泥，用減輕材料和穩定材料設計強度滿足要求的低密度水泥漿體系，解決油井低壓漏失段固井質量問題。

2　建筑水泥配制低密度水泥漿試驗研究

用新減輕材料T45、T60（人造微珠）和低成本輕珠設計低密度水泥漿，抗壓強度評價優選實驗數據見表1。

表1　減輕材料評價優選實驗數據表

試驗結果表明：密度設計1.15g/cm3的水泥漿，水灰比選擇0.9比較合適。密度1.15 g/cm3的水泥漿最后確定配方是：建筑水泥∶輕珠∶WG∶CX∶T46=55∶27∶5∶5∶8+GQD-2 3%，48h、24×7h抗壓強度分別為5.0MPa、7.0MPa（40℃）。稠化時間165min（40℃、25min、20MPa）。

水泥漿耐溫性能試驗：水泥漿配方，525#建筑水泥：GJQ=70∶30+GSJ2.5%，水灰比0.9，密度1.29g/cm3。50℃條件下API失水，16mL/30min/6.9MPa；50℃稠化實驗，初稠：17BC，稠化時間：170min（50℃/25min/25MPa），稠化曲線見圖2；抗壓強度，實驗條件：50℃/0.1MPa，24h：4.8MPa，48h：6.8MPa，72h：11.2MPa，7d∶12.0MPa。

60℃條件下稠化時間，實驗條件：60℃/30min/30MPa，初稠：15BC，稠化時間：145min，稠化曲線見圖3。60℃條件下抗壓強度，實驗條件：60℃/0.1MPa，24h：6.3MPa，48h：8.1MPa，72h：8.4MPa，7d：8.4MPa。

圖2　密度1.29 g/cm3低密度低失水水泥漿50℃條件下稠化曲線

圖3　密度1.29 g/cm3低密度低失水水泥漿60℃條件下稠化曲線

70℃稠化實驗：初稠：15BC，稠化時間：130min （70℃/35min/35MPa）；70℃抗壓強度：24h：8.0MPa，48h：9.8MPa，72h：10.8MPa，7d：9.5MPa。

3　低溫早強劑GQD-2配方試驗研究

用硅酸鹽、碳酸鹽等無機鹽、有機物等復配早強劑GQD-2［4］；在40℃溫度下設計密度1.75g/cm3、密度1.28g/cm3的低密度水泥漿，評價早強劑性能，復配出低溫低密度水泥早強劑GQD-2。

4　A級水泥配制低密度水泥漿

A級水泥是一種相對粗磨的油井水泥，通常在無特殊性能要求循環溫度低于45℃的淺井中使用；G級油井水泥加促凝劑或緩凝劑，可在各種井深與溫度范圍內使用［5］。由于現場生產用A級水泥進行油井表層固井，因此用A級水泥配制低密度水泥漿，減低固井成本。

水泥漿配方：A級水泥∶輕珠=70∶30+微硅5%+ GQD-2 2%+KSJ 0.1%+GSJ3%，水灰比1.0，密度1.22g/cm3，40℃抗壓強度：48h：5.0 MPa，7d：6.2 MPa；失水35mL（30min/6.9MPa/60℃）；稠化時間180min （60℃/30min/30MP a）。稠化曲線見圖4。65℃條件下稠化實驗，稠化時間：165min（65℃/35min/35MPa）。

5　建筑水泥、G級、A級水泥抗壓強度對比實驗

圖4　A級水泥配置密度1.22 g/cm3水泥漿稠化曲線

建筑水泥配制2種低密度水泥漿體系，A級、G級水泥配制低密度水泥漿體系，進行抗壓強度對比實驗。實驗結果見表2。

實驗結果表明：水泥石抗壓強度建筑水泥＞A級＞G級；建筑水泥配制的低密度水泥漿抗壓強度高于A級和G級水泥漿。

6　結論與認識

（1）建筑水泥初稠較高，在40℃條件下抗壓強度高于G級油井水泥，60℃以上耐溫性能差（流變性變差），70℃條件下后期抗壓強度有減小的趨勢，它適合配制低密度水泥漿體系（使用溫度50℃），滿足定吳油田一次上返固井技術要求。

（2）用建筑水泥、新的減輕料設計密度1.15g/cm3的水泥漿，7d抗壓強度大于7MPa。用建筑水泥、輕珠減輕劑設計密度1.15g/cm3的低密度低成本水泥石抗壓強度7d大于6MPa，滿足現場施工要求。改進后的低溫低密度水泥早強劑GQD-2，抗壓強度提高。A級油井水泥石抗壓強度小于建筑水泥石抗壓強度，但滿足低密度水泥石抗壓強度的要求。

表2　各種體系配方和抗壓強度試驗對比表

［1］路寧，陳興中.低密高強水泥漿固井技術研究［C］//石油天然氣高效開采國際學術研討會論文選編，2003.

［2］袁孟嘉，雷桐，路寧，等.長慶天然氣欠平衡鉆井低密度高強水泥漿固井技術研究應用［J］.天然氣工業，2002（6）.

［3］馬春旭，等.人造微珠低密度水泥漿的研究與應用［J］.鉆井液與完井液，2014，31（2）：63.

［4］徐璧華，等.深水低溫早強水泥漿體系的研究［C］//2010年固井技術研討會論文集.

［5］劉崇建，等.油氣井注水泥理論與應用［M］.北京：石油工業出版社，2001：43-45.

TE2

A

1004-5716（2016）09-0059-04

2015-09-17

2015-09-29

路寧（1961-），男（漢族），甘肅鎮原人，工程師，現從事固井技術研究工作。