低密高強(qiáng)水泥漿體系室內(nèi)研究

吳澤舟 李 沖 左天青 高 珊 于紅倩 李丹陽

低密高強(qiáng)水泥漿體系室內(nèi)研究

吳澤舟1李 沖1左天青1高 珊1于紅倩1李丹陽2

（1.中石油華北油田采油工程研究院，河北 任丘 062552；2.中國(guó)石油塔里木油田分公司開發(fā)事業(yè)部，新疆 庫(kù)爾勒 841000）

針對(duì)長(zhǎng)封固段、低壓易漏井固井質(zhì)量較差的問題，通過對(duì)漂珠和微硅的優(yōu)選，確定一套適合不同井底壓力的微硅漂珠復(fù)合水泥漿體系。室內(nèi)研究表明，該體系具有密度低、抗壓強(qiáng)度高、失水量小、流變性好，稠化時(shí)間可調(diào)的特點(diǎn)，能有效提高長(zhǎng)封固段、低壓易漏井的固井質(zhì)量。

低密度水泥漿；長(zhǎng)封固段；低壓易漏

隨著勘探程度的不斷深化，鉆井向更深、更復(fù)雜或更苛刻的環(huán)境延伸，長(zhǎng)封固段井、低壓易漏失井也不斷增多。現(xiàn)階段，針對(duì)漏失與長(zhǎng)封固段的解決辦法主要有兩種：一種是分級(jí)注水泥技術(shù)；另一種就是采用低密度水泥漿。然而，前者增加了鉆井時(shí)間與建井周期，使鉆井成本增加，所以現(xiàn)階段多選擇后者。目前，國(guó)內(nèi)應(yīng)用最廣泛的低密水泥漿體系為漂珠水泥漿體系。漂珠的物理化學(xué)特性使水泥石強(qiáng)度降低。本文以微硅作為增強(qiáng)材料，通過對(duì)漂珠以及微硅的優(yōu)選，建立一套微硅漂珠復(fù)合水泥漿體系，從而滿足油田建設(shè)需要。

1 漂珠優(yōu)選

漂珠是一種玻璃質(zhì)材料，具有顆粒粒徑大、密度低等特點(diǎn)。漂珠低密度水泥漿的密度調(diào)節(jié)是通過漂珠摻加量的多少來決定的，通常密度可低至1.10g/cm3。

在一定壓力條件下，水泥漿中的水進(jìn)入空心圓球內(nèi)部或者漂珠被壓碎，會(huì)造成水泥漿密度在一定程度上增加，從而使施工作業(yè)中的風(fēng)險(xiǎn)增加。本文從漂珠的密度變化率、承壓能力等出發(fā)，對(duì)8種不同的漂珠進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，最終優(yōu)選出綜合性能優(yōu)良的漂珠［1-2］。

1.1 漂珠承壓能力優(yōu)選實(shí)驗(yàn)

常用漂珠的產(chǎn)品性能參數(shù)見表1。

表1 常用漂珠的產(chǎn)品性能參數(shù)表

實(shí)驗(yàn)方法：按照標(biāo)準(zhǔn)配置低密度水泥漿，首先測(cè)量常壓下的密度，然后放入高溫高壓稠化儀內(nèi)部進(jìn)行加壓攪拌，穩(wěn)壓60min后，釋放壓力，取出水泥漿，再次測(cè)量其密度。

保持加量相同的情況下加入不同的漂珠配制水泥漿在10～90MPa之間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)方法如上所示，在不同的壓力下，對(duì)各配方壓后密度進(jìn)行測(cè)定，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1。

實(shí)驗(yàn)表明：①隨著壓力增大，水泥漿密度也增大；②當(dāng)壓力小于20MPa，密度變化較小，在0.02g/cm3以內(nèi)，當(dāng)壓力在30～60MPa之間時(shí)，密度增幅加大，當(dāng)壓力達(dá)到70MPa時(shí)，水泥漿密度趨于平穩(wěn)，說明漂珠的破碎和空心圓球內(nèi)部所容納的水已經(jīng)達(dá)到極限；③相同規(guī)格參數(shù)的國(guó)產(chǎn)漂珠和進(jìn)口漂珠相比，密度變化率較大，漂珠承壓能力較差，而且進(jìn)口漂珠與國(guó)內(nèi)漂珠相比，在加量相同的情況下，對(duì)水泥漿的減輕作業(yè)更強(qiáng)，配制的水泥漿密度更低。

圖1 不同漂珠在不同壓力情況下的密度變化曲線圖

1.2 不同類型漂珠對(duì)水泥漿性能影響

實(shí)驗(yàn)方法：保持加量相同的情況下加入不同的漂珠配制水泥漿，測(cè)試漂珠對(duì)水泥漿性能影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 不同漂珠對(duì)水泥漿性能的影響

注：基漿配方為G級(jí)水泥+懸浮穩(wěn)定劑+分散劑+降失水劑+消泡劑+水+10%漂珠。

實(shí)驗(yàn)表明：①國(guó)內(nèi)與國(guó)外的漂珠相比，漂珠的類型對(duì)水泥漿的初始稠度、流動(dòng)度、失水影響不大；②水泥漿流動(dòng)性能較好，均大于18cm，初始稠度也均小于30Bc，滿足固井施工標(biāo)準(zhǔn)。

綜上所述，進(jìn)口漂珠各類型指標(biāo)均高于國(guó)產(chǎn)漂珠，但考慮進(jìn)口漂珠價(jià)格昂貴，在同類型國(guó)內(nèi)漂珠各項(xiàng)參數(shù)差異不大的情況下，優(yōu)先選擇國(guó)產(chǎn)漂珠。

結(jié)合考慮推薦抗壓強(qiáng)度，當(dāng)井底壓力小于27MPa時(shí)，優(yōu)先選用進(jìn)口1號(hào)漂珠；當(dāng)井底壓力小于42MPa時(shí)，優(yōu)先選用國(guó)產(chǎn)2號(hào)漂珠，當(dāng)井底壓力小于56MPa時(shí)，優(yōu)先選用進(jìn)口3號(hào)漂珠。當(dāng)井底壓力小于80MPa時(shí)，優(yōu)先選用進(jìn)口4號(hào)漂珠。

2 微硅優(yōu)選與研究

漂珠顆粒的平均粒徑為150～250μm、水泥的平均粒徑為70μm。根據(jù)Furnas顆粒堆積最密實(shí)級(jí)配原理，即需要一種顆粒能填充在漂珠與水泥顆粒之間，使混合體堆積的空隙率減小，提高水泥漿整體性能。而微硅可以從兩方面增強(qiáng)水泥石強(qiáng)度，首先硅粉會(huì)參與水泥漿水化反應(yīng)，增強(qiáng)水化產(chǎn)物之間的膠結(jié)作用，其次微硅平均粒徑為0.1μm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于漂珠和水泥的平均粒徑，可以直接填充水泥與漂珠之間的空隙。

2.1 不同微硅對(duì)水泥漿性能的影響研究

目前，國(guó)內(nèi)常用的微硅產(chǎn)于多地，但不同產(chǎn)地的微硅，物理性能和化學(xué)性能都有很大差異。因此，根據(jù)低密度水泥漿的要求，針對(duì)不同微硅進(jìn)行優(yōu)選［3］。

實(shí)驗(yàn)方法：在加量相同的情況下加入不同類型的微硅，測(cè)試不同微硅對(duì)水泥漿性能的影響。對(duì)BJ-1與BD-1微硅進(jìn)行對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

實(shí)驗(yàn)表明：不同廠家的微硅對(duì)水泥漿的抗壓強(qiáng)度、失水影響不大，但對(duì)水泥漿的流動(dòng)度及初始稠度影響較大。BJ-1微硅所配制的水泥漿流動(dòng)性能較好，能更好地滿足固井施工的安全要求。

表4 微硅對(duì)水泥漿性能影響表

表3 不同廠家微硅對(duì)水泥漿性能的影響

2.2 微硅加量對(duì)水泥漿性能的影響

實(shí)驗(yàn)方法：在相同條件下優(yōu)選BJ-1微硅配制水泥漿，其微硅加量對(duì)水泥漿性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。

實(shí)驗(yàn)表明：①漂珠低密度水泥漿24h抗壓強(qiáng)度為6.6MPa，微硅漂珠復(fù)合低密度水泥漿24h抗壓強(qiáng)度隨著微硅加量的增加而增加，當(dāng)微硅加量達(dá)到一定值時(shí)，水泥石抗壓強(qiáng)度開始降低；②當(dāng)微硅加量達(dá)到8%時(shí)，各項(xiàng)性能參數(shù)達(dá)到最優(yōu)。

3 水泥漿體系配方優(yōu)選

實(shí)驗(yàn)方法：根據(jù)漂珠與微硅優(yōu)選的結(jié)果，將漂珠作為減輕劑，微硅作為增強(qiáng)劑，加入其他外加劑，配制成一套適合不同井底壓力的微硅漂珠復(fù)合低密度水泥漿體系。配方如下：

當(dāng)井底壓力小于27MPa時(shí)，配方1：G級(jí)水泥+8%微硅+懸浮穩(wěn)定劑+分散劑+降失水劑+緩凝劑+消泡劑+抑泡劑+水+15%進(jìn)口1漂珠；

當(dāng)井底壓力小于42MPa時(shí)，配方2：G級(jí)水泥+8%微硅+懸浮穩(wěn)定劑+分散劑+降失水劑+緩凝劑+消泡劑+抑泡劑+水+15%國(guó)產(chǎn)2漂珠；

當(dāng)井底壓力小于56MPa時(shí)，配方3：G級(jí)水泥+8%微硅+懸浮穩(wěn)定劑+分散劑+降失水劑+緩凝劑+消泡劑+抑泡劑+水+15%進(jìn)口3漂珠；

當(dāng)井底壓力小于80MPa時(shí)，配方4：G級(jí)水泥+8%微硅+懸浮穩(wěn)定劑+分散劑+降失水劑+緩凝劑+消泡劑+抑泡劑+水+10%進(jìn)口4漂珠。

實(shí)驗(yàn)表明：微硅漂珠復(fù)合低密度4種配方在水泥漿失水量、流動(dòng)度方面均能滿足施工要求；初始稠度較小，稠化時(shí)間可調(diào)（見表5）。

表5 微硅漂珠復(fù)合低密度水泥漿性能

4 結(jié)論

①漂珠水泥漿中加入增強(qiáng)材料微硅能有效提高水泥石抗壓強(qiáng)度。

②微硅漂珠復(fù)合低密度水泥漿體系失水、游離液、流動(dòng)度能滿足固井施工的要求。

③根據(jù)各種漂珠承壓能力情況，可以根據(jù)不同井底壓力推薦使用相應(yīng)的漂珠類型。

［1］張克堅(jiān)，周仕明，張學(xué)平.微硅一漂珠復(fù)合低密度水泥漿體系在松南地區(qū)的應(yīng)用研究［J］.石油鉆探技術(shù)，2004（2）：33-35.

［2］韓衛(wèi)華.漂珠對(duì)低密度水泥漿的密度影響［J］.鉆完液與完井液，2004（5）：56-57.

［3］劉德平，鐘策，王群，等.微硅低密度水泥固井技術(shù)研究［J］.天然氣工業(yè)，2001（6）：65-66.

Laboratory Study on Low Density and High Strength Cement Slurry System

Wu Zezhou1Li Chong1Zuo Tianqing1Gao Shan1Yu Hongqian1Li Danyang2
（1.PetroChina Oilfield Engineering Research Institute,CNPC，Renqiu Hebei 062552；2.Development Department of PetroChina Tarim Oilfield Company，Korla Xinjiang 841000）

In view of the problem that the quality of cementing in low-pressure and easy-leakage wells is poor.Through the optimization of the floating beads and micro-silicon,to determine a set of different bottomhole pressure micro-silica floating beads composite slurry system.The results show that the system has the characteristics of low density,high compressive strength,low water loss,good rheological property and adjustable viscosity time.Can effectively improve the long sealing section,low pressure and easy leakage of cementing quality.

low density cement slurry；long sealing section；low pressure leakage

TE256.6

A

103-5168（2017）09-0100-03

2017-08-02

吳澤舟（1987-），男，本科，工程師，研究方向：固井水泥漿。