熱采井固井低密度水泥漿體系室內優化研究

劉北強，方國偉

（中海油田服務股份有限公司，天津 300452）

稠油熱采技術已經推廣開來，稠油熱采井水泥漿技術也已經成型，普通油井水泥中加入硅粉防止強度衰退的方法是目前最常見的熱采井水泥漿技術。加入硅砂后，高溫下水泥石內部晶體的轉變朝對水泥石強度穩定性有利的方向進行。鋁酸鹽/磷酸鹽水泥漿體系則由于水化速度及抗污染能力等問題其應用性受到了局限。

對于蒸汽熱采井而言，水泥環強度必須在滿足高溫條件下不衰退，保持水泥環在蒸汽吞吐和蒸汽驅條件下的完整性，延長熱采井的使用壽命。稠油熱采井生產一定周期后往往會出現井口抬升及環空帶壓現象。文章主要是對現有水泥漿體系再優化，以提高水泥石抗壓強度為基礎，以保障高溫下水泥環完整性為目標，以此改善井口抬升及環空帶壓現象[1]。

1 熱采井固井水泥漿技術體系難點

1.1 面臨低溫與高溫雙重考驗

熱采井固井作業采用常規單級固井作業方式，某海域稠油區塊固井作業時普遍溫度不高（一般小于70℃），水泥漿首先需要滿足低溫固井施工性能的要求，固井作業結束后，為滿足稠油區塊高溫（一般為300～350℃）熱力開采要求，水泥石還應具備高溫下強度不衰退性能要求[2]。

1.2 面臨高低溫交變環境的考驗

固井結束后，注蒸汽開采是往復的，先注熱，再燜井，后開采，產油量先增加后降低，當日均產油量低到一定值之后，就繼續進行下一個注熱燜井開采大循環。如此一來，井下水泥石就要面臨高低溫交變環境的考驗，水泥石在此期間要具備抗熱振性能良好，保持水泥石完整性，維持水泥石原抗壓強度不衰退的特性。

2 固井水泥漿技術解決對策

2.1 加入高溫穩定劑，避免強度衰退

水泥加水后都將形成一種膠狀的硅酸鈣，稱之為“C-S-H”，當油井溫度低于110℃時，它是一種很好的膠結材料。高于110℃會形成強度小于20kg/cm2的α-C2SH和C2SH（C）為主體的混合相，當養護溫度進一步提高時，由于生成的水化產物結晶完善程度受到限制，晶體脫水、水泥石孔隙度增大等因素也會明顯地降低水泥石的強度，這種現象稱作“強度衰退”。強度衰退問題可以通過加入高溫穩定劑，降低水泥石中石灰與二氧化硅的鈣硅比（C/S）得以改善。

水泥水化生成“C-S-H”凝膠，110℃時，生成C2SH（鈣硅比接近2∶1），加入硅粉后形成C5S6H5（鈣硅比接近5∶6）,150℃，形成可在400℃內穩定的C6S6H（鈣硅比接近6∶6），250℃開始出現可在400℃內穩定的C7S12H3（鈣硅比接近7∶12），過多的硅粉存在，會增加C7S12H3的含量，也是對強度不利的因素。

可以說，隨著溫度的增加，水泥水化產物中鈣硅比和結晶水的比例逐步在減少。需求的高溫穩定劑加量也在不斷的增大。

2.2 顆粒級配，強化水泥漿強度性能

生成產物的穩定性是我們前期追求的目標，生成穩定性產物的多寡則是我們水泥石最終面臨考驗時展現出來的實力。高溫穩定劑粗細搭配，一方面起到骨架作用，另一方面起到穩固充填作用，交互搭配，相得益彰。

3 固井水泥漿體系室內優化研究

3.1 高溫穩定劑的優化

高溫穩定劑是熱采水泥漿的關鍵所在，為了更好地了解作為高溫穩定劑的硅砂（粉），我們做了相關技術參數分析。圖1～3是硅粉電鏡掃描圖。

圖1 100目硅粉放大500倍

圖2 300目硅粉放大500倍

圖3 800目硅粉放大500倍

從圖1～3看出：高溫穩定劑是不規則的棱片狀，幾乎不存在球形顆粒，800目硅粉非常細，且粒級很單一，幾乎不存在大顆粒。超細材料的比表面積較大，其材料的加入會大大提高水泥漿的穩定性能。通過對800目硅粉粒度分布圖分析，800目硅粉有明顯的兩個級配，小顆粒多呈球狀，粒徑在1μm左右。

100目硅砂（粉）與800目硅粉（PC-C88）粗細顆粒搭配，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，優化水泥漿水化產物等內部結構。一方面細顆粒快速發生反應形成一定量的硬硅鈣石，抵抗高溫強度衰退，另一方面粗顆粒充當一定量的骨架，阻止水泥水化產物的過大增長帶來的內部應力的破壞。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。高溫穩定產物的增加，增加了水泥石的密實程度，也增加了高溫水泥石的抗壓強度。

從水泥石抗壓強度出發，基于實驗研究，我們最終優化的高溫穩定劑為100目硅粉與800目硅粉相互搭配，比例為2∶1，總加量約為水泥的60%（質量比）。其他關于高溫穩定劑純度等研究在此不再贅述。

3.2 顆粒級配的優化

水泥水化需要的結晶水是一定的，約為水泥的20%～30%，為了配置相應密度的水泥漿以及確保現場施工時水泥漿的可泵性，我們往往加入更多的水。水灰比過大，水泥漿中的吸附水和自由水就越多，高溫下對水泥石強度及孔隙度的影響就越大。

采用硅藻土、珍珠巖、沸石、硅質減輕材料1、硅質減輕材料2和PC-P62S六種減輕材料，見表1。通過計算，確定水泥、高純硅粉以及減輕材料的量，調整鈣硅比（CaO∶SiO2）1∶1，合理搭配級配，制備密度為1.5g/cm3低密度水泥漿。

表1 不同減輕材料制備低密度耐高溫水泥石抗壓強度

對不同類水泥漿配方高溫生成產物進行分析，發現通過添加足夠量的硅質材料，使水泥石在高溫下生成硬度相對較高的硬硅鈣石，不同結果的原因可能是單位體積內水泥膠凝材料占比不同以及固相含量不同所致。或者說顆粒級配不夠，生成高溫穩定產物密實度不足。

顆粒級配理論是指以常規磨細水泥材料及細顆粒減輕、加重材料為主料的孔隙充填，其數學物理模型集中應用了范德華力效應、結晶學礦物增強效應、充填增強及抗腐蝕效應、流變學改善、熱峰消減效應的實用基礎理論。

顆粒級配的核心是，粗細顆粒合理搭配。采取的措施主要是采用高效分散劑，釋放更多的束縛水，增加水泥漿流動性，為水泥漿固相含量的提高留下更多的空間。

實驗中，主要以增加水泥漿體固相體積分數（SVF），來表達水泥石密實程度（見圖4）。

圖4 硅粉加量與固相體積分數的關系

經顆粒級配技術設計的水泥漿，使用高效分散劑增加固相體積分數接近60%，遠超過常規水泥漿，抗壓強度明顯提升。

4 認識與結論

文章以目前常用的硅酸鹽加硅粉體系為基礎，利用顆粒級配原理增大水泥漿的固相含量優化熱采井低密度水泥漿體系。結論：1)高溫穩定劑粗細2∶1相互搭配，總加量為水泥60%較佳。2)利用高效分散劑，增加低密度水泥漿固相體積分數接近60%，抗壓強度明顯提升。