一種低溫早強(qiáng)低密度水泥漿

耿建衛(wèi)

（大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江大慶 163413）

一種低溫早強(qiáng)低密度水泥漿

耿建衛(wèi)

（大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江大慶 163413）

低溫下，常規(guī)低密度水泥漿體系早期強(qiáng)度發(fā)展緩慢，水泥石膠結(jié)能力差，影響了水泥環(huán)封固質(zhì)量，淺層易漏井固井質(zhì)量問題日益突出，為此，進(jìn)行低溫早強(qiáng)低密度水泥漿體系研究。根據(jù)緊密堆積理論及綜合室內(nèi)實驗研究，研制了密度為1.30～1.50 g/cm3的低溫早強(qiáng)低密度水泥漿體系，主要優(yōu)選了超細(xì)膠凝材料和鋰鹽復(fù)合早強(qiáng)劑，增加了低密度水泥石的致密性，提高了低密度水泥石的早期強(qiáng)度，25 ℃凝結(jié)時間為13 h，24 h抗壓強(qiáng)度為10.2 MPa。該體系具有低溫早期強(qiáng)度高，凝結(jié)時間短，穩(wěn)定性好等優(yōu)點。在大慶油田現(xiàn)場成功應(yīng)用2口井，固井質(zhì)量合格率100%，取得良好的應(yīng)用效果。

低溫固井； 超細(xì)膠凝材料； 早強(qiáng)劑； 低密度水泥漿

大慶長垣[1]葡萄花、敖包塔區(qū)塊，外圍煤層氣區(qū)塊均存在上部淺氣層發(fā)育，下部地層破裂壓力低的地層特點，在固井施工過程中，既要考慮上部防竄、下部防漏，又要考慮低溫下，水泥環(huán)封固質(zhì)量和后期的有效開發(fā)，對固井技術(shù)提出了更高的要求。非漂珠低密度水泥漿密度相對高，低溫下，早期強(qiáng)度發(fā)展緩慢，導(dǎo)致水泥石膠結(jié)能力差，且該密度無法滿足煤層氣固井防漏施工要求。漂珠低密度體系密度大于1.10 g/cm3，滿足淺層易漏井施工要求，但該類體系固相材料含量較多，低溫下也存在強(qiáng)度發(fā)展緩慢等問題。尤其當(dāng)高壓層、淺氣層與易漏層并存時，易發(fā)生流體上竄，嚴(yán)重影響固井施工安全及質(zhì)量。因此，通過優(yōu)選外摻料及應(yīng)用顆粒級配原理，形成一套密度在1.30～1.50 g/cm3范圍內(nèi)的不可壓縮低密度水泥漿體系，并通過優(yōu)選外加劑，提高體系的穩(wěn)定性及水泥石低溫早期強(qiáng)度，提高淺層易漏井施工安全及固井質(zhì)量。

1 低溫低密度水泥漿體系

根據(jù)緊密堆積理論[2]及室內(nèi)綜合實驗研究，研制了一套以漂珠、G級水泥及微硅復(fù)配的密度為1.30～1.50 g/cm3的三元低密度水泥漿體系[3]，該體系能滿足深井長封固段固井施工要求，具有降低封固段液柱壓力、增加一次固井封固段高度、提高長封固段固井施工安全的性能特點。但是，該體系由于外摻料加量大、 固相膠凝材料少、 水泥水化速度慢， 尤其在低溫下水泥漿凝結(jié)時間長，水泥石強(qiáng)度發(fā)展緩慢，不利于淺層易漏失層間的有效封隔，不同密度水泥漿體系抗壓強(qiáng)度及凝結(jié)時間見表1。

表1 不同密度水泥漿體系抗壓強(qiáng)度及凝結(jié)時間對比

2 低溫低密度水泥漿體系早強(qiáng)技術(shù)

2.1 超細(xì)膠凝材料的優(yōu)選

盡管漂珠、G級水泥及微硅3種材料實現(xiàn)了緊密堆積，且相互間配比達(dá)到最優(yōu)化，但在45 ℃下，密度為1.30 g/cm3水泥漿形成的水泥石強(qiáng)度僅為5.2 MPa，不能滿足低溫早強(qiáng)的技術(shù)要求。因此，實驗測定了含有3種超細(xì)膠凝材料水泥石的抗壓強(qiáng)度[4-6]，結(jié)果見圖1。從圖1中可以看出，S-3低溫下早期強(qiáng)度比G級水泥提高了80%，因此，優(yōu)選S-3作為研究的超細(xì)膠凝材料。

S-3的主要成分為CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3，與G級水泥組分相似，粒徑為4～6 μm，比表面積大于3 000 cm2/g，具有粒徑小、比表面積大、水化速度快的特點，低溫下早期強(qiáng)度高，與G級水泥配合，可提高低密度水泥漿早期強(qiáng)度。不同S-3加量下水泥石強(qiáng)度實驗見圖2和表2。從圖2可以看出，隨著S-3加量的提高，水泥石強(qiáng)度逐漸增加，當(dāng)加量為40%，水泥石強(qiáng)度達(dá)到最高，加量進(jìn)一步增大，強(qiáng)度增加不明顯。從表2還可以看出，S-3加量為40%時，水泥石強(qiáng)度由5.2 MPa提高到9.6 MPa。由表2可知，25 ℃下凝結(jié)時間由36 h減少到28 h。

圖1 不同膠凝材料與G級水泥強(qiáng)度對比

圖2 S-3加量對比實驗

表2 S-3加量確定實驗

2.2 低溫早強(qiáng)劑的優(yōu)選

針對低溫環(huán)境（25～45 ℃）， 研選了鋰鹽復(fù)合早強(qiáng)劑， 其作用機(jī)理是Li+半徑小、 極化作用強(qiáng)、水化半徑大，加速破壞水泥水化保護(hù)膜，縮短水化誘導(dǎo)期，提高低密度水泥漿體系中C3S和C2S低溫水化能力[7]。同時，復(fù)合早強(qiáng)劑組分在水中電離生成的陽離子能壓縮水泥顆粒的擴(kuò)散雙電層，降低水泥顆粒的電動電位，使顆粒間斥力下降，水化反應(yīng)容易進(jìn)行。早強(qiáng)劑中的主要組分與液相中的Ca（OH）2產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，生成的次生石膏更容易與C3A反應(yīng)生成鈣礬石，使整個液相體系中的Ca2+濃度下降，SiO32-濃度相對增加，使C3S包覆層內(nèi)外離子的濃度差增大，滲透壓增加，致使包覆膜破裂，加速C3S的早期水化速度，起到了低溫早強(qiáng)的效果。

加入鋰鹽早強(qiáng)劑后，體系的低溫水泥石強(qiáng)度明顯提高，見圖3。由圖3可知，當(dāng)鋰鹽早強(qiáng)劑加量為3%時，25 ℃下24 h水泥石強(qiáng)度達(dá)到10.2 MPa，凝結(jié)時間為13 h，實驗數(shù)據(jù)見表3。

圖3 鋰鹽早強(qiáng)劑加量對強(qiáng)度的影響

表3 鋰鹽早強(qiáng)劑加量確定實驗

3 水泥漿綜合性能評價

通過室內(nèi)評價實驗，該體系配方如下，在不同密度下，水泥漿各項性能見表4。

100%G級水泥+（15%～34%）漂珠+（17%～25%）微硅+（30%～40%）S-3+2%降失水劑+（1%～3%）鋰鹽早強(qiáng)劑+（1.8%～2.0%）穩(wěn)定劑+1%膨脹劑+0.5%消泡劑

表4 在不同密度下的水泥漿各項性能實驗

從表4可以看出，低密度水泥漿體系濾失量在50 mL以內(nèi)，初始稠度低，游離液為0，流動度好，稠化曲線具有近似直角稠化的特點（見圖4）。因此，該體系能夠滿足固井施工要求。

圖4 不同密度水泥漿在45 ℃下的稠化曲線

水泥石具有長期穩(wěn)定的強(qiáng)度是確保油氣井固井質(zhì)量的重要因素之一[8-9]，為了驗證水泥石長期強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律，針對不同溫度、不同養(yǎng)護(hù)齡期進(jìn)行了水泥石抗壓強(qiáng)度實驗，實驗數(shù)據(jù)見表5。從表5中可以看出，該體系水泥石有較好的后期強(qiáng)度發(fā)展趨勢，具有良好的抗強(qiáng)度衰退性能。

表5 常壓、高溫條件下不同養(yǎng)護(hù)齡期水泥石強(qiáng)度實驗

低密度水泥漿較好的穩(wěn)定性對固井施工安全至關(guān)重要，采用BP沉降管進(jìn)行實驗測定，水泥石柱上下密度差小于0.02 g/cm3， 具有良好的沉降穩(wěn)定性，見圖5。

圖5 不同密度水泥石的上下密度差

4 現(xiàn)場應(yīng)用

葡某區(qū)塊上部黑地廟存在淺氣層，中部嫩江組斷層發(fā)育，地層破裂壓力低，固井時易發(fā)生井漏事故，固井質(zhì)量難以保證。為此，該體系分別在葡9-5-斜X、葡9-6-斜X井進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用。

在葡9-5-斜X井現(xiàn)場固井施工過程正常，下灰順利，水泥漿可泵性好，密度控制均勻，達(dá)到了設(shè)計要求，整個過程無漏失現(xiàn)象，井口返出7 m3密度為1.30 g/cm3的水泥漿，48 h聲波變密度測井為合格。

圖6 葡9-5-斜X井低密度水泥漿固井聲波變密度聲幅曲線

5 結(jié)論

1.優(yōu)選的超細(xì)膠凝材料顆粒粒徑小，水化速度快，增加了低密度水泥石致密性，提高了低密度水泥石早期強(qiáng)度。

2.優(yōu)選的鋰鹽復(fù)合早強(qiáng)劑低溫早強(qiáng)效果好，水泥漿凝結(jié)時間短，密度為1.30 g/cm3，25 ℃凝結(jié)時間為13 h，24 h強(qiáng)度為10.2 MPa。

3.形成了一套密度范圍在1.30～1.50 g/cm3，適應(yīng)溫度為25～45 ℃的低滲透水泥漿體系，該體系的懸浮穩(wěn)定好，早期強(qiáng)度高，滿足現(xiàn)場固井施工需求。

4.現(xiàn)場應(yīng)用2口井，施工效果好、固井質(zhì)量合格率為100%，可推廣應(yīng)用于低溫易漏井固井。

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Study and Application of Low Temperature Early Strength Low Density Cement Slurry

GENG Jianwei
(Research Institute of Drilling Engineering Technology, Daqing Drilling Engineering Corporation, Daqing, Heilongjiang 163413)

The early strength of conventional low density cement slurries developed very slowly at low temperature, and the poor cementing ability of these slurries negatively affect the quality of well cementing. In shallow wells with frequent mud losses, this problem is quite common. To resolve this problem, studies have been conducted on low temperature early strength low density cement slurry. Based on the close packing theory and laboratory experimental study, low temperature early strength low density (1.30-1.50 g/cm3) cement slurries were developed. Ultra-fine gelled material and an early strength agent made by compounding lithium salts were used to improve the soundness and early strength of the low density set cement. The setting time of the low density cement slurry at 25 ℃ is 13 h, and the 24 h strength is 10.2 MPa. This low density cement slurry has high early strength at low temperatures, short setting time and good stability. It has been used on 2 wells in Daqing Oilfield with great success, and the well cementing jobs were 100% qualified.

Well cementing at low temperature; Ultra-fine gelled material; Early strength additive; Low density cement slurry

耿建衛(wèi).一種低溫早強(qiáng)低密度水泥漿[J].鉆井液與完井液，2017， 34（4）：65-68.

GENG Jianwei.Study and application of low temperature early strength low density cement slurry[J].Drilling Fluid &Completion Fluid，2017， 34（4）：65-68.

TE256

A

1001-5620（2017）04-0065-04

10.3969/j.issn.1001-5620.2017.04.012

耿建衛(wèi)，工程師，1984年生，2007年畢業(yè)于西安石油大學(xué)石油工程專業(yè)。現(xiàn)在主要從事低密度水泥漿科研、技術(shù)服務(wù)工作。E-mail：gengjianwei@cnpc.com.cn。

2017-4-27；HGF=1704M3；編輯 馬倩蕓）