膨脹珍珠巖復(fù)合漂珠低密度水泥漿體系的應(yīng)用研究

張 偉，王志剛，余 建，蔣中晟

（川慶鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司，四川成都 610051）

作為低密度水泥漿的減輕材料國內(nèi)主要有漂珠、膨潤土、水玻璃、粉煤灰等[1-4]，漂珠低密度水泥漿是油田固井最常用的水泥漿體系之一,而漂珠作為減輕材料具有質(zhì)輕、空心、密閉、粒細(xì)、活性好等特點。漂珠與微硅復(fù)配的低密度水泥漿具有良好的低密高強(qiáng)性能，在油田固井領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

但漂珠作為主要的減輕材料，隨著火電廠燃煤方式的改變，漂珠的產(chǎn)量越來越少，而固井每年的需求量不斷增長，造成了漂珠、微硅等原材料價格不斷飆升，從而使低密度水泥漿成本直線上升。為降低固井成本，有必要另辟途徑選擇其他質(zhì)優(yōu)、價廉、來源廣的減輕材料滿足低壓易漏長裸眼封固段固井需要，尋找更廣泛的能夠替代漂珠的新型減輕材料勢在必行。通過對常用減輕材料的評價與優(yōu)選，并結(jié)合粒度級配等原理[5]，以膨脹珍珠巖和漂珠作為主要減輕原料，研制出一套適合于中深井低壓易漏長封固段固井的膨脹珍珠巖復(fù)合漂珠的低密度水泥漿體系。

1 膨脹珍珠巖的特點

膨脹珍珠巖屬于火山玻璃質(zhì)熔巖，屬富含二氧化硅的酸性巖類。其突出的物理性能是具有膨脹性，化學(xué)上它屬于惰性，在水中pH值大概為7左右，硬度5.2～6.4。具有較小的密度和較大的比表面積，吸水率高和保水性能強(qiáng)等特點[6]。膨脹珍珠巖為白色或淺灰色顆粒，無定型結(jié)晶，縐褶的蜂窩結(jié)構(gòu)，其中含有大量的孔隙。膨脹珍珠巖的密度一般為2.40 g/cm3，堆積密度為0.10 g/cm3～0.20 g/cm3，孔隙間可吸存比自質(zhì)量重5～6倍的水分，因此可用作水泥減輕劑。膨脹珍珠巖是一種較好的水泥外摻料，但是在低密度水泥漿體系中當(dāng)做減輕材料的運(yùn)用較少，國內(nèi)見報道的只有膨脹珍珠巖低密度水泥漿體系在長慶油田順寧區(qū)塊應(yīng)用，成功解決了該區(qū)塊固井漏失問題[7]。膨脹珍珠巖的主要化學(xué)成分與漂珠的相近（見表1）。

2 實驗材料及儀器

嘉華G級高抗硫酸鹽水泥，四川嘉華水泥廠；漂珠、增強(qiáng)劑，四川托陽；膨脹珍珠巖，河南信陽降失水劑SD18、懸浮穩(wěn)定劑SD85、分散劑 SD35、川慶鉆探井下作業(yè)公司。變速攪拌器，壓力試驗機(jī)，8240型高溫高壓稠化儀，7120型高溫失水儀，美國千德樂工業(yè)儀器公司；OWC-9350A型常壓稠化儀，沈陽航空工業(yè)學(xué)院應(yīng)用技術(shù)研究所；DNN-D6型六速旋轉(zhuǎn)黏度計，數(shù)顯密度計，青島海通達(dá)專用儀器廠；OWC-118型雙溫強(qiáng)度養(yǎng)護(hù)箱，沈陽航空工業(yè)學(xué)院應(yīng)用技術(shù)研究所。

水泥漿配制、養(yǎng)護(hù)及各項性能測試評價，按照GB/T 19139-2012《油井水泥試驗方法》和石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（SY/T 6544-2017）進(jìn)行。

3 室內(nèi)配方研究

室內(nèi)對用膨脹珍珠巖當(dāng)減輕材料與漂珠復(fù)配進(jìn)行了實驗研究。將膨脹珍珠巖先按照25%、50%、75%、100%的比例替代漂珠復(fù)配到水泥漿中，經(jīng)過大量室內(nèi)實驗數(shù)據(jù)篩選，最終確定膨脹珍珠巖按照50%比例復(fù)合到漂珠中所形成的低密度水泥漿性能具有最佳的配合比和性價比，室內(nèi)確定的低密度水泥漿配方（見表2）。

4 膨脹珍珠巖低密度水泥漿性能

4.1 沉降穩(wěn)定性

膨脹珍珠巖和漂珠的密度與水泥的密度相差較大，易出現(xiàn)珍珠巖和漂珠上浮，水泥下沉等分層現(xiàn)象。為解決漿體的沉降穩(wěn)定性，加入一定量的懸浮穩(wěn)定劑和超細(xì)高活性材料組成的增強(qiáng)劑。這些顆粒可以充填在水泥漿中，起到填充嵌實和懸浮穩(wěn)定作用，而超細(xì)顆粒周圍還能吸附大量的水分子，水分子之間通過氫鍵相互連接，使微細(xì)顆粒之間形成均勻、致密的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，并與水泥中的其他顆粒吸附的水分子通過氫鍵連接，使水泥漿形成具有致密網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的懸浮體系[8-10]。同時采用了多元聚合物類的降失水劑，在水泥漿體內(nèi)部能夠形成多點吸附，從而使水泥漿保持良好的穩(wěn)定性。其沉降穩(wěn)定性能（見表3）。

表1 珍珠巖礦石的一般化學(xué)成分與漂珠的對比

表2 不同密度的水泥漿配方

表3 低密度水泥漿沉降穩(wěn)定性實驗結(jié)果

從表3可得，利用膨脹珍珠巖作為減輕劑，通過顆粒級配緊密堆積設(shè)計的低密度水泥漿體系，在常溫和60℃條件下，穩(wěn)定性好，上下密度差最大為0.02 g/cm3，游離液為零，漿體能夠滿足固井施工要求。

4.2 靜水承壓能力

用膨脹珍珠巖復(fù)合漂珠配制的1.45 g/cm3和1.60 g/cm3這兩種低密度水泥漿，在增壓稠化儀中（60℃×35 MPa×40 min）加壓攪拌1 h后，測其密度分別增加至1.52 g/cm3和1.64 g/cm3，在加壓養(yǎng)護(hù)后，漂珠和膨脹珍珠巖會有一定程度的破損，而導(dǎo)致密度會有一定程度的升高。膨脹珍珠巖耐靜水壓力能夠滿足在淺井、中深井應(yīng)用的要求。

4.3 流變性能

利用膨脹珍珠巖復(fù)合漂珠配制的低密度水泥漿體系的流變性能良好，其流變性能符合冪律流體，結(jié)果（見表4）。

由表4可以得出，利用膨脹珍珠巖復(fù)合漂珠配制的低密度水泥漿體系，在30℃和60℃下流變指數(shù)較高，表明水泥漿中的水泥、漂珠、膨脹珍珠巖和增強(qiáng)劑等材料之間能形成穩(wěn)定的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，可以阻止水泥漿中易沉降顆粒的沉降和漂珠的上浮，從而保持良好的穩(wěn)定性和流動性，水泥漿體流動性能好，易于泵送和提高頂替效率，有助于固井質(zhì)量的提高。

4.4 API失水及稠化時間

利用膨脹珍珠巖復(fù)合漂珠配制的不同密度的水泥漿失水和稠化時間性能（見表5）。

由表5可以得出，利用膨脹珍珠巖復(fù)合漂珠配制的低密度水泥漿體系配伍性好，稠化時間可調(diào)，凝結(jié)時間快，性能完全能夠滿足現(xiàn)場2 000 m中深井的施工需要。

4.5 水泥石的抗壓強(qiáng)度

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[11，12]。膨脹珍珠巖復(fù)合漂珠低密度水泥漿體系采用4種不同粒徑的材料進(jìn)行顆粒級配，膨脹珍珠巖和漂珠的粒度適中，同時使用高活性的超細(xì)材料作為增強(qiáng)劑，它既能有效充填在水泥和其他顆粒形成的空隙之中，同時能促進(jìn)和改善水泥的水化過程，增加了水泥內(nèi)部的硅鈣比，提高了水泥石內(nèi)部水化硅酸鈣凝膠的比例，從而使該體系具有很強(qiáng)的早期抗壓強(qiáng)度（見表6）。

表4 不同溫度的水泥漿的流變性能的實驗結(jié)果

表6 不同密度水泥漿抗壓強(qiáng)度

表7 膨脹珍珠巖復(fù)合漂珠水泥漿體系固井質(zhì)量

由表6可以得出，膨脹珍珠巖復(fù)合漂珠低密度水泥漿體系在30℃和60℃條件均有較好的強(qiáng)度，同時24 h早期強(qiáng)度能達(dá)到低密度水泥漿的要求，能滿足后期開采的要求。

5 現(xiàn)場應(yīng)用介紹

膨脹珍珠巖復(fù)合漂珠低密度水泥漿體系，在室內(nèi)大量實驗基礎(chǔ)上，先后在哈薩克斯坦Akshabulak油區(qū)進(jìn)行了6口井的應(yīng)用。

該油區(qū)主要為高滲透性的砂巖，砂巖分布廣和長，在鉆井和固井期間漏失風(fēng)險大。完鉆井深在1 600 m～2 000 m，井深結(jié)構(gòu) Φ244.5×750 m+Φ168.3×（1 600 m～2 000 m），固井時要求水泥返高至300 m左右或者地面。根據(jù)井況，固井設(shè)計采用兩凝水泥漿體系，領(lǐng)漿采用膨脹珍珠巖復(fù)配漂珠低密度水泥漿，尾漿采用常規(guī)密度水泥漿封固產(chǎn)層。設(shè)計領(lǐng)漿密度為1.60 g/cm3，尾漿密度為1.90 g/cm3。在該區(qū)域所施工的6口井，施工順利，施工中未出現(xiàn)異常情況。

候凝72 h后采用CBL-VDL測井，膨脹珍珠巖低密度水泥漿體系所封固井段，4井次優(yōu)質(zhì)，2井次合格（見表7）。說明膨脹珍珠巖低密度水泥漿體系在中深井有很好的適應(yīng)性和實用性，可以進(jìn)行大范圍的推廣使用。

6 結(jié)論

（1）膨脹珍珠巖化學(xué)成分與漂珠相近，具有密度低等特點，可以代替漂珠作為水泥漿減輕劑，研究發(fā)現(xiàn)膨脹珍珠巖對漂珠的替代率為50%時，形成的低密度水泥漿體系性能最佳，該體系具有良好的沉降穩(wěn)定性、流動性和抗壓強(qiáng)度。

（2）膨脹珍珠巖相對漂珠具有明顯的價格優(yōu)勢和貨源廣泛，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。因此在中淺井中應(yīng)用膨脹珍珠巖復(fù)合漂珠低密度水泥漿，可以節(jié)省固井成本，創(chuàng)造更大的利潤空間。

（3）現(xiàn)場應(yīng)用6井次，合格率100%，優(yōu)質(zhì)率68%，說明該水泥漿性能完全滿足固井要求，該體系對于中淺井、易漏井、低壓井、高滲透井等具有良好的推廣應(yīng)用價值。