一種經濟型低密度水泥漿體系的開發與應用

＊侯亞偉 許前富 王義昕 陳宇

（中海油田服務股份有限公司油田化學研究院 河北 065201）

海內外各類低壓易漏失復雜油氣井廣泛分布，低密度水泥漿的應用越來越普遍。目前常用成熟的低密度水泥漿體系有兩種：一種以空心微珠為減輕材料配制水泥漿，優點是可根據需求配制不同低密度的水泥漿且水泥漿性能優異，缺點是水泥漿成本高；一種是利用傳統減輕材料如膨潤土、粉煤灰等配制的水泥漿，雖然成本較低，但是水泥漿密度一般為1.5g/cm3以上，且水泥漿穩定性差、強度低，尤其是低溫性能差，無法滿足市場施工需求[1-3]。

近年來，油氣田開發降本增效的壓力逐漸增大，因此開發性能適宜的經濟型水泥漿體系具有重要的現實意義。本研究采用具有吸水性能較強、比表面積大、水化反應快的材料開發了多功能材料C-P10，并以C-P10為核心材料輔以外摻料和功能性外加劑開發經濟型低密度水泥漿體系。構建的1.40～1.55g/cm3水泥漿體系成本低，配方簡單，性能滿足一般低壓漏失地層技術套管固井。

1.實驗部分

(1)材料準備

實驗材料包括G級油井水泥（SD‘G’），降失水劑C-FL83L、增強劑C-BT1、早強劑C-A93L、消泡劑C-X60L等固井外加劑。

針對經濟型低密度水泥漿體系需水量大，固相含量低導致水泥漿不穩定、水泥石強度發展慢的問題，中海油服開發出具備高懸浮性能、早強性能、促凝性能的多功能添加劑C-P10。該添加劑由硅氧晶體組成的層狀結構物質A，小粒徑、高比表面積的活性材料B，納米級活性材料C構成。

物質A是一種由硅氧晶體組成的層狀結構物質，具有較強吸水性，能吸收自身體積20倍的水，吸水后在水中成膠態，具有一定黏滯性和觸變性，同時其層間存在大量金屬、非金屬陽離子，有較強的離子交換能力和吸附性能，有利于提高體系的懸浮穩定性，在提高液固比的同時能夠有效控制游離液和穩定性。

物質B是一種反應速度較快的材料，有利于增加水泥早期水化反應速率，促進水化反應的進程，增加體系鈣礬石的數量有利于早期強度的發展，同時還可以與體系中的聚合物降失水劑發生鰲合，從而增加體系穩定性。

物質C是一種納米尺寸具有高比表面積的活性材料，需水量較高，同時能加速水泥水化反應，同時與水化產物Ca(OH)2反應生成C-S-H凝膠，加速水化反應向正向進行，在增加水化產物數量的同時還能夠填充水泥硬化體中的細小空隙，形成的結構均勻致密，改善水泥石的力學性能[4-5]。

(2)實驗儀器

美國TA公司TAM air水化熱分析儀，美國Chandle公司8040型增壓稠化儀和3500LS旋轉粘度計，DFC-0705S型高溫高壓失水儀，YJ-2001型勻加荷壓力試驗機等。

(3)實驗方法

水泥漿配方如下：

配方A：100%SD‘G’+20%C-BT1+X%C-P10+8%C-FL83L+1%C-A93L+0.25%C-X60L+自來水，水泥漿密度為1.4g/cm3。

配方B：100%SD‘G’+15%C-BT1+X%C-P10+6%C-FL83L+0.6%C-A93L+0.25%C-X60L+自來水，水泥漿密度為1.55g/cm3。

在不同溫度、加量等條件下，分別考察了C-P10對構建的低密度水泥漿的穩定性、抗壓強度、稠化性能等性能的影響。

2.結果與討論

(1)C-P10對水泥漿穩定性影響

本研究構建的低密度經濟型水泥漿中并未添加任何空心微珠等減輕材料，而是依靠提高配降水用量來降低漿體密度。隨著配漿水量提高，水泥漿穩定性下降，從而出現自由液增多，上下密度差變大的現象。

表1 C-P10對水泥漿穩定性的影響Tab.1 Effect of C-P10 on slurry stability

水泥漿配方：100%SD‘G’+15%C-BT1+X%C-P10+Y%CFL83L+3+0.6%C-A93L+0.25%C-X60L+自來水。

從表1數據可以發現，體系中同時含有減輕劑C-P10與降失水劑C-FL83L時，水泥漿自由液明顯減少，流變性讀數提高，水泥石上下密度差也逐步縮小，這說明水泥漿穩定性得到很大改善。構建的體系可以有效控制自由水＜1%，上下密度差小于0.02g/cm3，滿足固井的施工要求。

(2)C-P10對水泥漿流變性能的影響

表2 C-P10對水泥漿流變性能的影響Tab.2 Effect of C-P10 on rheological property

從表2數據可以發現，不同溫度下，隨著C-P10加量的提高，水泥漿的低轉速讀數增大明顯，但高轉數讀數較低。表明C-P10可以有效提高水泥漿的切力和水泥漿的穩定性。水泥漿較低的高轉速讀數，保證了水泥漿在泵送過程中磨阻較低。

(3)C-P10對水泥石強度的影響

對于低密度水泥漿，水泥石抗壓強度是衡量水泥漿能否施工的重要指標，采用配方B，在不同的溫度下，研究了C-P10對水泥石強度的影響。

表3表明，在不同溫度下，水泥石強度均隨著C-P10加量增多而增大。隨著加量的增加水泥石強度緩慢增加。C-P10在一定加量范圍內可以有效提高水泥石強度，但是隨著加量增大，C-P10的促凝作用達到飽和，部分C-P10不再參與水泥早期水化，無法進一步起到提高早期強度效果。圖1表明相同溫度下，水泥石的抗壓強度隨著C-P10加量的增加而逐漸增加。

表3 不同C-P10加量下1.55g/cm3水泥石抗壓強度Tab.3 Compressive strength of 1.55g/cm3 cement set with different dosage of C-P10

圖1 同一溫度（40℃）不同加量C-P10對水泥石抗壓強度的影響變化規律Fig.1 The influence of C-P10 on the compressive strength of cement set at the same temperature(40℃)with different dosage

(4)C-P10對水泥漿稠化時間的影響

C-P10在不同加量時對水泥漿稠化時間的影響如圖3所示。

圖2 C-P10加量對水泥漿稠化時間的影響Fig.2 Influence of C-P10 on thickening time of cement slurry with different dosage

由圖2可以看出，不同溫度下，水泥漿的稠化時間隨著C-P10的加量增大而縮短，C-P10具備較好的促凝性能，可以有效促進水泥漿的水化，低溫下可將稠化時間從418min縮短至226min左右，大大提高了低溫下水泥漿稠化時間的可調性。

圖3緩凝劑加量對水泥漿稠化時間的影響表明，水泥漿的稠化時間隨緩凝劑加量增大而規律性延長，具備良好的可調性，認為C-P10的促凝性能并未破壞緩凝劑的作用，較高溫度下可以通過添加緩凝劑的方法調節水泥漿的稠化時間。

圖3 緩凝劑加量對水泥漿稠化時間的影響（50℃）Fig.3 Effect on thickening time of cement slurry(50℃) with different retarder dosage

(5)水泥漿綜合性能

以C-P10構建的1.4～1.5g/cm3水泥漿的基本性能如表4。

表4 1.4～1.55g/cm3水泥漿基礎性能Tab.4 Basic performance of 1.4～1.55g/cm3 cement slurry

圖4 1.4g/cm3水泥漿稠化曲線Fig.4 Thickening curve of 1.4 g/cm3 cement slurry

3.現場應用

由于渤海海域各區塊水深均較淺，約為數十米，對表層固井水泥漿性能的要求較低，表層固井過程中，多采用領尾漿配合固井，其中領漿主要起填充功能，一般水泥漿密度需滿足密度1.4～1.6g/cm3，稠化時間4～6h可調，24h水泥石強度不小于6.9MPa，API失水小于100ml，自由水小于1%，循環溫度大多介于20～50℃。如采用常規的空心微珠配制的水泥漿雖然水泥漿性能好，但通常價格很高，成本回報率低，使用以C-P10為主要材料的低密度水泥漿體系作為領漿在渤海灣岐口（QK）18-XX井進行了首次應用。

岐口（QK）18-XX井完鉆井深為573m，完鉆鉆井液密度為1.16g/cm3，一開固井，φ17-1/2”井眼，下入φ13-3/8”套管，井底BHCT/BHST為28℃/35℃，尾漿采用常規的1.9g/cm3水泥漿（水灰比0.44），領漿采用水泥漿密度為1.5g/cm3，要求稠化時間4～5h，低密度水泥漿性能如表4所示，滿足領漿固井需求，固井結束后，電測固井質量優。

表5 經濟型低密度水泥漿性能Tab.5 Performance of cement slurry with low cost and low density

以C-P10為主要材料配制的低密度水泥漿體系，因主要依賴水為減輕材質，大幅降低空心材料的添加量，使得水泥漿成本大幅降低，且性能良好，具備很好的現場應用價值。

4.結論

（1）C-P10在提高水泥漿液固比的同時還有助于體系穩定和水泥石強度發展，可將其作為減輕劑配制低密度水泥漿。

（2）C-P10原料來源廣泛，市場價格低，可減少甚至不使用高成本的人造微珠構建水泥漿體系，從而顯著降低體系成本。

（3）以C-P10為核心構建的1.40～1.55g/cm3經濟型低密度水泥漿各項技術性能均滿足施工要求。該體系的現場應用結果良好，可以推廣使用。