適用于稠油熱采井熱膨脹水泥的外摻料優選

步玉環，　常智楊，　邵子璇，　王雪英

適用于稠油熱采井熱膨脹水泥的外摻料優選

步玉環1，常智楊1，邵子璇1，王雪英2

（1.中國石油大學（華東）石油工程學院，山東青島266580；2.中原油田供水管理處，河南濮陽457001）

步玉環等.適用于稠油熱采井熱膨脹水泥的外摻料優選［J］.鉆井液與完井液，2016，33（4）：87-91.

對于稠油開發來說，開采溫度可以達到300 ℃，劇烈的溫度增加會造成水泥石強度的衰退，同時高溫條件下套管、水泥環膨脹變形不一致，會導致水泥環內部產生過大的應力，這些都是造成水泥環密封完整性被破壞的主要原因。除了解決水泥石高溫強度衰退問題之外，加入不同的外摻料改善水泥石的熱膨脹性能是保證密封完整性的主要措施之一。熱膨脹系數是其熱膨脹性能的主要表征參數，為此研究了各種外摻料在不同溫度下對油井水泥石熱膨脹系數的影響，并分析探討了其影響機理。實驗結果表明：硅粉和漂珠等外摻料會不同程度地降低硬化水泥石的熱膨脹系數，而膠乳和碳質材料的摻入可以適當增大油井水泥石的熱膨脹系數。這種碳質材料為工業廢料，價格低廉，因此在油井水泥中摻入適量的碳質材料不僅節約固井成本，還可以提高水泥石的熱膨脹性能，保證水泥環的密封完整性，提高熱采井的生產壽命。

熱膨脹水泥；熱采井；外摻料；熱膨脹系數

隨著對能源需求的加大，作為非常規油氣資源的稠油油藏的開發越來越受到人們的重視。世界稠油資源相當豐富，預計儲量可達（6.04～9.86）× 1011m3，并有逐年增加的趨勢［1］。熱采是稠油開采的主要方式，通過對油層注蒸汽或層內燃燒提高油層溫度，降低稠油黏度，增加其流動性，使稠油更易采出。目前，中國在進行稠油熱采時主要以蒸汽吞吐和蒸汽驅方法為主。對于固井水泥石來說，當溫度達到110 ℃時，水泥石的水化硅酸鈣凝膠便不再穩定，水化硅酸鈣凝膠和鈣礬石等各種水化產物開始脫水，造成水泥環體積收縮［2］。在熱采井中套管、水泥環及近井地層的溫度、壓力波動會導致固井水泥環與套管不同程度地膨脹變形［3］。在蒸汽吞吐過程中，由于循環加熱和冷卻使井筒溫度發生劇烈變化，套管在熱載荷作用下會發生明顯膨脹，但熱膨脹系數較小的水泥環束縛了套管的膨脹，使水泥環在與套管交界面處產生較大的應力，造成固井水泥環密封完整性的破壞［4］，繼而導致油井封固失效，由此產生的井口冒蒸汽現象經常發生，嚴重威脅到稠油的開采效率及油井壽命，甚至是人身安全。在熱采井中，為了防止高溫下水泥石強度衰退，常用的辦法就是摻入硅粉或硅砂來控制CaO/SiO2質量比，從而減緩水泥石性能的衰退。雖然硅粉或硅砂可以一定程度地解決水泥石高溫強度衰退的問題，但在溫升過程中由于套管和水泥環的熱膨脹差異造成的水泥環密封完整性失效無法消除。為此，加入不同外摻料改善水泥石的熱膨脹性能是解決熱采井溫升應力造成密封完整性失效的主要措施之一。因此，優選出適當增大水泥石熱膨脹系數的外摻料，使水泥環與套管熱膨脹效應接近一致，減弱因套管膨脹導致的水泥環產生的應力，從而保證熱采井水泥環的密封完整性，提高熱采井的生產壽命。

1　實驗材料與方法

1.1實驗材料

實驗選用嘉華G級高抗硫水泥，粒徑為0.076 mm的硅粉，丁苯膠乳BCT-800L，微硅，漂珠和碳質材料。部分原材料的化學組分見表1。

表1　原材料化學成分 %

1.2實驗方法

1.2.1試樣制備方法

試樣尺寸設計為φ8 mm×（50 mm±0.5 mm）的圓柱形。試樣制備過程如下：①裝配好成型模具；②根據不同配方按API標準制備水泥漿（水灰比為0.44）；③將配制好的水泥漿用注射器從模具的底部開始注入，不斷用細銅絲攪拌，以免塑料管中存有氣泡，注滿后表面抹壓平整；④依次對水泥石試樣編號，放置在養護箱中養護，24 h后拆模，待測。

1.2.2熱膨脹系數的測定方法

采用湘潭湘科ZRPY系列熱膨脹系數測定儀測量各種水泥石在室溫～300 ℃下的熱膨脹系數，分析其熱膨脹差異性。該儀器采用差示熱膨脹原理，適用于測定在高溫狀態金屬材料、陶瓷、玻璃、釉料、耐火材料以及其它非金屬材料在受熱焙燒過程中的膨脹和收縮性能。實驗設定升溫速度為 5 ℃/min，熱膨脹系數隨測試溫度變化曲線由測定儀連續自動記錄。升溫過程中水泥石的形變主要是由水化產物自發收縮和熱膨脹造成的［5］，而自收縮是水泥不斷水化的結果，熱膨脹形變是由熱膨脹系數決定的。在水濕環境下，由于水泥水化產物自收縮的影響，儀器所測得的熱膨脹系數（圖1中黑色曲線）并不能反映水泥石真實的熱膨脹系數。為了消除水泥水化產物自收縮的影響，同時考慮到熱采井注蒸汽時水泥石處于高溫環境中，水泥石中的大部分自由水被蒸發，在測量前需要將試樣在250 ℃高溫爐中充分烘干12 h，使其水化作用大大減弱，從而獲得較為真實的水泥石熱膨脹系數（圖1中紅色曲線）。

圖1　不同條件下水泥石熱膨脹系數測定結果

2　外摻料對水泥石熱膨脹系數的影響

2.1硅粉

含硅粉水泥石（200 ℃、10 MPa）熱膨脹系數測定結果如圖2所示。測量初始階段由于溫度的傳導需要一定的時間，使水泥石試樣的表面和內部溫度分布不均造成水泥石的延遲膨脹，在實驗結果上表現為測量初期水泥石的熱膨脹系數較大。由圖2可以看出，3種水泥石試樣經充分烘干后，同摻量條件下其熱膨脹系數基本不隨溫度改變而變化，并且隨硅粉摻量的增加，水泥石的熱膨脹系數降低。摻入45%硅粉的水泥石在200 ℃的熱膨脹系數由原來的11×10-6/℃左右減小到9×10-6/℃。

圖2　硅粉對水泥石熱膨脹系數的影響

在水泥水化過程中主要物相的熱膨脹系數如表2所示［6］。當向水泥中加入硅粉時，具有較高反應活性的SiO2能消耗水泥漿體中的氫氧化鈣，與初期水化產物反應而形成結晶較緊密的一類硅酸鈣凝膠，改善水泥漿體組分的鈣硅比。這種凝膠在高溫時將轉變成為雪硅鈣石，當溫度升高到150 ℃時，雪硅鈣石將再次轉變為硬硅鈣石［7-8］。隨硅粉摻量的增加，水泥石中雪硅鈣石和硬硅鈣石的含量增加，而氫氧化鈣等熱膨脹性較好的固體組分含量將極大地削減，從而使水泥石的熱膨脹系數降低。

表2　水泥水化主要物相的熱膨脹系數

2.2膠乳

圖3為含膠乳硬化水泥石（75 ℃、10 MPa）的熱膨脹性系數與測量溫度的關系。在200 ℃下，膠乳摻量為0、15%、20%、25%時，水泥石的熱膨脹系數分別為11.48×10-6/℃、11.98×10-6/℃、11.65×10-6/℃、11.43×10-6/℃。

圖3　膠乳對水泥石熱膨脹系數的影響

由圖3可知，相同摻量下水泥石試樣的熱膨脹系數隨測量溫度變化略有波動，并且200 ℃時含膠乳水泥石的熱膨脹系數相對于原漿水泥石有所增加，膠乳摻量為15%的水泥石的熱膨脹系數最大，之后隨摻量增加而減小。分析現象產生的原因認為，膠乳摻量太多會在水泥石中產生較多氣泡，加入消泡劑也很難徹底消除，導致水泥石的孔隙率增大，熱膨脹系數降低。有關研究發現［9-10］，在油井水泥中摻入膠乳外加劑后影響了水泥的水化過程，改善了水泥石的微觀結構。其影響機理主要分為3步：首先，加入苯丙膠乳聚合物后，膠乳顆粒隨即融入漿體中；其次，隨著水化程度的增加，漿體中水分減少，部分膠粒就聚集在水泥顆粒表面并形成連續的薄膜，同時細小的膠粒也會填充在較大的凝膠空隙中和水泥水化產物之間；最后隨著水泥的進一步水化，在水化產物表面形成的連續薄膜和水化產物黏連在一起，從而形成一種聚合物和水化產物互相纏繞滲透的網狀組織結構。通過上述過程發現，少量膠乳的摻入改善了水泥石的微觀結構，使水泥石結構變得密實，最終增大了水泥石的熱膨脹系數。

2.3漂珠

含漂珠硬化水泥石（75 ℃、常壓）的熱膨脹系數測量結果如圖4所示。在200 ℃下，漂珠摻量為0、10%、20%時，水泥石的熱膨脹系數分別為12.25×10-6/℃、11.43×10-6/℃、11.08×10-6/℃。由圖4可以明顯看出，相同摻量下3種水泥石的熱膨脹系數隨溫度變化曲線比較平緩，而且隨著漂珠摻量的增加，水泥石熱膨脹系數減小。分析其熱膨脹系數下降的原因主要有2方面［11］：一是漂珠顆粒分散在水泥中，導致硬化水泥石的孔隙增多；二是由于漂珠加量的增大，水固比隨之增大，保水性能降低。在水泥漿體中，隨著水固比的增加，水泥石中的水分增多，固體組分含量減少，使內部孔隙率也增大，為水泥石的熱膨脹提供了較大的緩沖空間，因此使得硬化水泥石的熱膨脹系數降低［12］。含漂珠水泥石的抗壓強度測量結果如表3所示，由表3可知，同樣由于這2方面的影響，摻入漂珠水泥石的抗壓強度也逐漸下降。

圖4　漂珠對油井水泥石熱膨脹系數的影響

表3　含漂珠水泥石抗壓強度測量結果

2.4碳質材料

碳質材料是一種工業廢料，與焦炭粉成分相似，密度小，可以考慮作為水泥減輕劑使用。合理適量地使用該材料可顯著降低水泥用量，節約成本。Loizzo等［13］研究發現，焦炭粉、無煙煤的加入可以在一定程度上增大水泥石的熱膨脹系數，并且熱膨脹系數隨材料顆粒尺寸（160～450 μm）的增加而增大。因此，實驗研究了這種碳質材料對水泥石熱膨脹系數的影響。含碳質材料水泥石（75 ℃、10 MPa）熱膨脹性系數隨溫度變化曲線如圖5所示。在200 ℃下，碳質材料摻量為0、30%、40%和50%時，水泥石的熱膨脹系數分別為11.48×10-6/℃、11.71×10-6/℃、12.35×10-6/℃和12.96×10-6/℃。由圖5可以看出，經高溫烘干后，原漿水泥石和同摻量下含碳質材料水泥石的熱膨脹系數隨溫度變化不大，并且碳質材料的加入可以增大水泥石試樣的熱膨脹系數， 摻量越大， 其增加程度越大。分析認為熱膨脹系數增大的原因在于碳質材料中含有碳烴化合物的揮發分， 在升溫過程中， 分散在水泥漿體中的揮發分會受熱膨脹，從而引起硬化水泥石的體積膨脹。該材料摻量越大，揮發分含量越多，因此水泥石的熱膨脹系數就越大。通常油井套管的熱膨脹系數為13×10-6/℃，而摻入碳質材料后水泥石的熱膨脹系數可以提高到（12～15）×10-6/℃，此時水泥環和套管的熱膨脹效應基本一致，溫升過程由2者熱膨脹性能差異所產生，水泥環熱應力會隨之減小［14］，從而保證熱采井水泥環的密封完整性，提高熱采井的生產壽命。

圖5　碳質材料對水泥石熱膨脹系數的影響

在熱采井中水泥環長期處于高溫高壓下，考慮到碳質材料的揮發分在高溫熱循環條件下能否穩定存在的問題，測試了在高溫（250 ℃）下烘干時間對含碳質材料（40%）水泥石熱膨脹系數的影響，測試結果如圖6所示。

圖6　烘干時間對含碳質材料水泥石熱膨脹系數的影響

由圖6可知，隨著烘干次數和烘干時間的增加，含碳質材料水泥石的熱膨脹系數有所降低，且降低程度越來越小，最終穩定在11×10-6/℃左右；而不含碳質材料的水泥石在烘干24 h后出現明顯裂縫，如圖7（a）所示。可見加入碳質材料可以提高水泥石的耐高溫性能，防止水泥石在高溫下開裂。

圖7　連續烘干24 h的水泥石樣品

3　結論

1.硬化水泥石的熱膨脹系數隨膠乳的摻入而增大， 而隨漂珠和硅粉的摻入有所減小。在熱采井中為了提高水泥石的熱膨脹性能，在保證水泥漿綜合性能良好的前提下， 應減少硅粉和漂珠的用量，而且膠乳摻量不宜過多， 在一定條件下可以考慮將實驗優選出的輕質碳質材料作為減輕劑代替漂珠使用。

2.實驗優選出的碳質材料可以適當增大固井水泥石的熱膨脹系數，使水泥環與套管熱膨脹效應接近一致，減小因兩者熱膨脹性能差異產生的水泥環應力，同時提高水泥石的耐高溫性能，從而保證熱采井水泥環的密封完整性，提高固井質量，延長熱采井的生產壽命。

［1］LU T，LI Z，LI S，et al. Enhanced heavy oil recovery after solution gas drive by water flooding［J］. Journal of Petroleum Science and Engineering， 2016， 137：113-124.

［2］GARNIER A，SAINT-MARC J，BOIS A P. A singular methodology to design cement sheath integrity exposed to steam stimulation［C］//International Thermal Operations and Heavy Oil Symposium. Canada：Society of Petroleum Engineers，2008.

［3］DEBRUIJN G，LOISEAU A， CHOUGMET-SIRAPIAN A . Innovative cementing solution for long-term steam injection well integrity［R］. SPE 131324，2010.

［4］SAINT-MARC J，GARNIER A，BOIS A P. An innovative methodology for designing cement-sheath integrity exposed to steam stimulation［J］. SPE Drilling & Completion，2010，25（1）：58-69.

［5］MARUYAMA I，TERAMOTO A. Impact of timedependant thermal expansion coefficient on the earlyage volume changes in cement pastes［J］. Cement and Concrete Research，2011，41（4）： 380-391.

［6］趙海濤， 吳勝興， 曹秀麗， 等. 一種普通水泥凈漿早齡期熱膨脹系數多尺度預測方法：中國， 103091352A［P］. 2013. ZHAO Haitao，WU Shengxing，CAO Xiuli，et al. Multiscale prediction method of coefficients of thermal expansion of common cement paste in early stages：CN，103091352A［P］. 2013.

［7］ZHANG J，XU M，YAN Z. Hydration and hardening of class G oilwell cement with and without silica sands under high temperatures［J］. Journal of the Chinese Ceramic Society，2008，36（7）： 939-945.

［8］ALEEM S A E， HEIKAL M， MORSI W M. Hydration characteristic， thermal expansion and microstructure of cement containing nano-silica［J］. Construction and Building Materials，2014，59： 151-160.

［9］劉仍光，周仕明，陶謙，等. 摻橡膠乳液和彈性粒子柔性油井水泥石的微結構［J］. 硅酸鹽學報，2015，43（10）： 1475-1482. LIU Rengguang，ZHOU Shiming，TAO Qian，et al. Microstructure of flexible oil-well cement stone mixed with latex and elastic particle ［J］. Journal of the Chinese Ceramic Society，2015，43（10）： 1475-1482.

［10］張忠旭，齊志剛，馮茜，等. 高溫下膠乳水泥的室內研究［J］. 鉆井液與完井液，2013，30（6）： 52-54. ZHANG Zhongxu， QI Zhigang， FENG Qian， et al. Laboratory research of latex cement in high temperature［J］. Drilling Fluid & Completion Fluid，2013，30（6）： 52-54.

［11］張新明. 西藏高溫地熱井低密度固井水泥研究［D］. 北京：中國地質大學（ 北京），2013. ZHANG Xinming. Research on lightweight cements for high temperature geothermal wells in tibet［D］. Beijing：China University of Geosciences（ Beijing），2013.

［12］ZENG Q，LI K，FEN-CHONG T，et al. Effect of porosity on thermal expansion coefficient of cement pastes and mortars［J］. Construction and Building Materials，2012，28（1）： 468-475.

［13］KHALFALLAH I，LOIZZO M，LECAMPION B，et al. Compositions and methods for well treatment： US，Patent application 13/642，849［P］. 2011-4-28.

［14］TOMILINA E M，CHOUGNET-SIRAPIAN A. New thermally responsive cement for heavy oil wells［C］// SPE Heavy Oil Conference Canada. Canada：Society of Petroleum Engineers，2012.

Optimization of Admixture for Thermal Expansion Cement Used for Cementing Heavy Oil Thermal Recovery Well

BU Yuhuan1， CHANG Zhiyang1， SHAO Zixuan1， WANG Xueying2
（1. College of Petroleum Engineering， China University of Petroleum （East China）， Qingdao， Shandong 266580；2. Department of Water Supply， Zhongyuan Oilfield， Puyang， Henan 457001）

In heavy oil thermal recovery， the high temperatures， 300 ℃， for instance， will deteriorate the strengths of set cement， and generate over high interior pressure inside the cement sheath because of the difference between the swelling capacities of the casing string and cement sheath. The strength deterioration and the over high interior pressure are the main factors contributing to damage to the integrity of the airtightness of the cement sheath. Several methods can be used to maintain the airtightness of the cement sheath， for example， controlling the strength deterioration of the set cement at elevated temperatures， or adding admixtures to the thermal expansion cement to improve the expansion behavior. Factors affecting the coefficient of thermal expansion of a set cement， the main parameter characterizing the thermal expansion behavior of the set cement， have been studied by adding various admixtures into cement slurries at different temperatures. Mechanisms of these factors affecting the coefficient of thermal expansion have also been investigated. It was found that some admixtures， such as silica powder and hollow micro spheres， reduce the coefficient of thermal expansion of set cement to varying degrees， while other admixtures， such as latex and carbonaceous materials can increase the coefficient of thermal expansion of set cement. Carbonaceous materials， as industrial waste， are cheap and their use in oil well cement not only reduces the cost of well cementing， but also improves the thermal expansion behavior and the airtightness of set cement， thereby prolonging the lifespan of a thermal recovery well.

Thermal expansion cement； Thermal recovery well； Admixture； Coefficient of thermal expansion

TE256.6

A

1001-5620（2016）04-0087-05

10.3696/j.issn.1001-5620.2016.04.018

國家973計劃“海洋深水油氣安全高效鉆完井基礎研究”（2015CB251202）；教育部長江學者創新團隊“海洋油氣井鉆完井理論與工程”（IRT1086）。

步玉環，教授，1966年生，現在主要從事固完井工程技術研究工作。電話 13884951607 ；E-mail ：buyuhuan@163.com。

（2016-3-5；HGF=1604M1；編輯馬倩蕓）