超低密度水泥漿體系研究

劉存鵬，黃志強(qiáng) (長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

劉碩瓊 (中國(guó)石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院完井固井所，北京 100195)

賈建貞 (中原石油勘探局鉆井管具工程處，河南 濮陽(yáng) 457331)

超低密度水泥漿體系研究

劉存鵬，黃志強(qiáng) (長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

劉碩瓊 (中國(guó)石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院完井固井所，北京 100195)

賈建貞 (中原石油勘探局鉆井管具工程處，河南 濮陽(yáng) 457331)

針對(duì)低壓易漏失井的固井漏失問(wèn)題，研發(fā)出一種溫度范圍45～75℃、密度范圍1.10～1.30g/cm3中低溫超低密度水泥漿體系(該水泥漿體系由水泥、增強(qiáng)材料、減輕材料以及固井外加劑構(gòu)成)。對(duì)水泥漿體系減輕材料進(jìn)行了選擇性研究，對(duì)增強(qiáng)材料及材料的整體粒度分布進(jìn)行了優(yōu)化配級(jí)研究，并對(duì)該水泥漿性能進(jìn)行了綜合測(cè)試。該超低度密度水泥漿在52℃下，24h抗壓強(qiáng)度大于9MPa，上下密度差0.03g/cm3，流動(dòng)度18cm，API失水量50ml以內(nèi)，零游離液，綜合性能良好，能夠有效解決低壓易漏井固井過(guò)程中的漏失問(wèn)題，保證固井施工質(zhì)量。

超低密度水泥漿；增強(qiáng)材料；減輕材料；固井外加劑

超低密度水泥漿是以密度劃分，密度低于1.30g/cm3的水泥漿稱為超低密度水泥漿，超低密度水泥漿主要是針對(duì)易漏失低壓地層、深井長(zhǎng)封固或全井封固、欠平衡鉆井、近平衡或平衡固井等特殊井的固井施工的漏失問(wèn)題，它能夠有效地降低作用于地層的液柱壓力，能夠避免水泥漿注替過(guò)程中發(fā)生的漏失，還可以減少注水泥施工和水泥漿候凝過(guò)程中對(duì)產(chǎn)層的污染。目前超低密度水泥將體系還存在很多問(wèn)題，突出表現(xiàn)為：①超低密度水泥漿體系穩(wěn)定性差，體系容易分層離析；②水泥漿失水量難以控制；③水泥漿下灰困難，流動(dòng)性差，泵送困難；④水泥石早期強(qiáng)度發(fā)展緩慢，強(qiáng)度低，水泥石滲透性高，易引起腐蝕性介質(zhì)的腐蝕。為此，筆者開(kāi)發(fā)了一種溫度范圍45～75℃、密度范圍1.10～1.30g/cm3超低密度水泥漿體系，該超低密度水泥漿可以滿足低壓易漏、長(zhǎng)封固段固井要求，對(duì)解決固井中存在的漏失、儲(chǔ)層污染等難題具有重要意義。

1 技術(shù)思路

①通過(guò)選擇適宜的減輕材料，大幅度降低水泥漿密度，同時(shí)超低密度材料應(yīng)該和水泥等具有較強(qiáng)的親和性或反應(yīng)性。②增強(qiáng)材料的選擇，使超低密度水泥漿體系實(shí)現(xiàn)緊密堆積的效果，提高水泥漿中固相量。③研究適宜的分散性外加劑，水泥漿體系不增稠，滿足工程施工性能要求。

2 超低密度減輕材料的選擇性研究

目前常用的水泥漿減輕材料按其減輕原理劃為2類：第1類減輕材料為吸水增粘物質(zhì)，本身密度較高，水泥漿密度取決于水灰比，不適宜超低密度水泥漿體系膨潤(rùn)土、硅藻土、粉煤灰、硬瀝青、膨脹珍珠巖、火山灰、水玻璃以及一些超細(xì)粉末等；第2類減輕材料為低密度材料，本身密度較低，水泥漿密度主要取決于減輕劑本身和摻量多少，水泥漿水灰比較小，如空心玻璃微珠、漂珠等。

選擇減輕劑要根據(jù)水泥漿體系密度要求和應(yīng)用條件等進(jìn)行綜合考慮。筆者優(yōu)選的減輕材料主要是依靠減輕劑本身來(lái)降低水泥漿密度。在相同密度下這一類的超低密度水泥漿具有水灰比小，游離液含量低、強(qiáng)度高和滲透率低等特點(diǎn)。選擇減輕材料遵循的3個(gè)原則[1]:①減輕作用明顯，密度恒定，能有效地降低水泥漿水固比，提高水泥漿的固相含量，有利于實(shí)現(xiàn)緊密堆積；②減輕劑應(yīng)盡量選擇尺寸較小的球形材料，在摻量允許下，密度與漿體密度接近，保持水泥漿漿體穩(wěn)定；③減輕材料具有反應(yīng)活性，物理化學(xué)反應(yīng)能對(duì)水泥漿性能有所貢獻(xiàn)。根據(jù)以上3個(gè)原則優(yōu)選出空心玻璃微珠[2]做為超低密度水泥漿的減輕劑。

1)減輕效果試驗(yàn) 根據(jù)減輕材料的選材原則，選取2種不同壁厚不同目數(shù)的空心微珠(DRL-1S,DRL-2S)作為減輕材料。在超低密度水泥漿中摻入一定量的減輕材料就可以大幅度降低水泥漿的密度，其摻量對(duì)水泥漿密度的影響見(jiàn)圖1(DRL-1S)、圖2(DRL-2S)。從圖1中可以看出，在超低密度水泥漿中，摻入占膠凝材料量63%的空心微珠時(shí)，水泥漿密度可降至1.10g/cm3。從圖2中可以看出，在超低密度水泥漿中，摻入占膠凝材料量66%的空心微珠時(shí)，水泥漿密度可降至1.10g/cm3。這2種減輕材料在保證強(qiáng)度的前提下，密度都能夠降到1.10g/cm3。因此，空心玻璃微珠減輕劑減輕效果明顯。

圖1 減輕材料DRL-1S對(duì)水泥漿密度的影響

圖2 減輕材料DRL-2S對(duì)水泥漿密度的影響

2) 承壓試驗(yàn) 水泥漿配漿后測(cè)量密度，然后按程序在加壓稠化儀中45min內(nèi)升溫達(dá)到75℃，分別在不同壓力下運(yùn)行約1.5h，停止加熱，停止馬達(dá)，拆除水泥漿攪拌5min測(cè)密度，試驗(yàn)結(jié)果如表1和表2所示。根據(jù)表1、表2可以看出，減輕材料在30MPa以下超低密度水泥漿密度變化不大(超低密度水泥漿密度差0.02g/cm3)，DRL-2S的承壓能力比DRL-1S更強(qiáng)。因?yàn)闇p輕劑承壓能力的不同,當(dāng)?shù)貙訅毫Φ陀?0MPa選用減輕劑DRL-1S作為減輕劑，當(dāng)?shù)貙訅毫Φ陀?5MPa選用減輕劑DRL-2S作為減輕劑。

表1 減輕材料DRL-1S的承壓試驗(yàn)

表2 減輕材料DRL-2S的承壓試驗(yàn)

3 增強(qiáng)材料的優(yōu)化級(jí)配研究

緊密堆積設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)就是通過(guò)優(yōu)化各組分粒子的顆粒級(jí)配，實(shí)現(xiàn)粒子間的緊密堆積，從而提高單位體積的固含量。筆者研發(fā)的增強(qiáng)材料DRB-2S是由3種粒度更細(xì)、具有合理顆粒級(jí)配的活性超細(xì)膠凝材料組成，摻入水泥漿中不僅能發(fā)生凝硬性反應(yīng)，還可進(jìn)一步充填水泥石孔隙，形成更加致密的水泥石，可顯著提高低密度水泥漿的強(qiáng)度、穩(wěn)定性等綜合性能。

4 超低密度水泥漿體系及性能測(cè)試

1) 配方 水泥漿配方如下：1#-水泥+114%增強(qiáng)材料DRB-1S+63%減輕材料DRL-1S+(3%～4%)分散劑DRS-1S+(6%～8%)降失水劑DRF-300-1S+(2%～4.5%)早強(qiáng)劑DRA-1S+(165%～180%)水(1.10g/cm3)；2#-水泥+100%增強(qiáng)材料DRB-1S+50%減輕材料DRL-1S+(2%～4%)分散劑DRS-1S+(6%～8%)降失水劑DRF-300S+(2%～5%)早強(qiáng)劑DRA-1S+(145%～155%)水(1.15g/cm3)。

2)沉降穩(wěn)定性能測(cè)試 水泥漿配漿后按程序在加壓稠化儀中45min內(nèi)升溫達(dá)到75℃，壓力達(dá)到30MPa，然后運(yùn)行約1.5h，停止加熱，停止馬達(dá)，拆除水泥漿測(cè)上下密度分布如表3所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，根據(jù)緊密堆積理論設(shè)計(jì)超低密度水泥漿后，超低密度水泥漿穩(wěn)定性大幅度提高(水泥石上下密度差0.036g/cm3)，大大的提高了漿體的穩(wěn)定性。

表3 超低密度水泥漿沉降穩(wěn)定性測(cè)試

3)失水試驗(yàn) 針對(duì)超低密度高強(qiáng)度水泥漿具有合理的顆粒級(jí)配分布且體系本身具有一定的降失水性能的特點(diǎn)[2]，使用成膜降失水劑DRF-300S(一種由有機(jī)物和無(wú)機(jī)物復(fù)合的高效降失水外加劑)，其具有降低水泥漿濾失量、防竄等性能，使用溫度范圍20～90℃，加量范圍2%～5%，能夠有效地控制超低密度水泥漿失水。從圖3中可以看出降失水劑DRF-300S的加量變化對(duì)超低密度水泥漿失水量影響。隨著降失水劑DRF-300S的增加，超低密度水泥漿的失水量逐漸減小且超過(guò)2%超低密度水泥漿的失水量急劇下降至50ml以下。從圖4中可以看出DRF-300S在不同溫度下對(duì)水泥漿失水量的影響。20～90℃溫度范圍內(nèi)，加量3%超低密高強(qiáng)水泥漿失水性能隨溫度變化只有微小波動(dòng)，且APL失水量控制在50ml以內(nèi)。

圖3 不同加量降失水劑DRF-300S對(duì)水泥漿失水量影響

圖4 DRF-300S在不同溫度下對(duì)水泥漿失水量的影響

4)強(qiáng)度測(cè)試 由于整體水泥漿體系根據(jù)緊密堆積設(shè)計(jì)，選用適合超低密度水泥漿強(qiáng)度發(fā)展且不增稠的早強(qiáng)劑，有效地提高了水泥石早期強(qiáng)度的發(fā)展。從表4中可以看出密度為1.10 g/cm3超低密度水泥漿不加早強(qiáng)劑的情況下早期強(qiáng)度發(fā)展減慢，52℃養(yǎng)護(hù)24h水泥石的強(qiáng)度只有2MPa。加入不增稠的早強(qiáng)劑能夠有效的提高水泥石的早期強(qiáng)，水泥石的強(qiáng)度由2MPa升到9MPa。從表5中可以看出超低密度水泥漿75℃養(yǎng)護(hù)24h強(qiáng)度能后達(dá)到10MPa并且水泥石長(zhǎng)期強(qiáng)度緩慢增長(zhǎng)不衰退。

表4 超低密度水泥漿強(qiáng)度發(fā)展

表5 超低密度水泥漿強(qiáng)度長(zhǎng)期發(fā)展

5)綜合性能測(cè)試 超低密度水泥漿配方由水泥、減輕材料(微珠)，活性增強(qiáng)材料，配套固井外加劑(DRF-300S、DRS-1S、DRA-1S等)組成，通過(guò)調(diào)整材料的加量和體系優(yōu)化，可設(shè)計(jì)出超低密度水泥漿體系。超低密度水泥漿綜合性能良好，如表6所示。從表6中可以看出，采用減輕材料DRL-1S后，水泥漿密度雖然很低，可以達(dá)到1.10 g/cm3。使用早強(qiáng)劑DRA-1S能夠有效提高水泥石的早期強(qiáng)度，1.10g/cm3水泥石52℃，24h,強(qiáng)度大于8MPa，75℃下，48h,強(qiáng)度大于12MPa。水泥漿流動(dòng)性好，流動(dòng)度均大于18cm，零游離液。超低密度水泥漿API失水量均小于50ml，有利于保護(hù)油氣層，并具有一定防竄性能，超低密度水泥漿稠化時(shí)間可調(diào)。

表6 超低密度水泥漿配方和性能

5 結(jié) 語(yǔ)

1)選擇了適宜的超低密度水泥漿減輕材料(空心玻璃微珠)，有效的降低了水泥漿密度。

2)體系通過(guò)緊密堆積設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)了低密度增強(qiáng)材料DRB-2S，提高超低密度水泥漿的強(qiáng)度、穩(wěn)定性等性能。

3)研究了適宜的降失水劑、分散劑、調(diào)凝劑等固井水泥外加劑，設(shè)計(jì)出了超低密度水泥漿配方。

4)超低密度水泥漿早期強(qiáng)度發(fā)展快，密度為1.10g/cm3水泥在52℃下,24h強(qiáng)度大于8MPa；在75℃下，24h強(qiáng)度大于10MPa；48h強(qiáng)度大于12MPa。稠化時(shí)間可調(diào)(300～180min)，API失水量均小于50ml，超低密度水泥漿綜合性能良好，能夠滿足低壓易漏井的固井施工安全。

[1]孫富全，侯薇，靳建州，等.超低密度水泥漿體系設(shè)計(jì)和研究[J].鉆井液與完井液，2007，24(5)：31-34.

[2]劉崇建，黃柏宗,徐同臺(tái)，等.油氣井注水泥理論與應(yīng)用[M].北京：石油工業(yè)出版社,2001：132-137.

[編輯] 洪云飛

10.3969/j.issn.1673-1409.2012.01.022

TE256

A

1673-1409(2012)01-N067-04