抗高溫硅酸鹽水泥漿體系研究

張弛， 陳小旭， 李長坤， 王瑜， 于永金， 丁志偉

（1.中國石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院，北京102206；2. 大慶鉆探工程公司鉆井生產(chǎn)技術(shù)服務(wù)二公司，吉林松原138000；3.中國石油集團(tuán)西部鉆探公司準(zhǔn)東鉆井公司，新疆昌吉831500；4.中國石油冀東油田分公司勘探開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目部，河北唐山063200）

抗高溫硅酸鹽水泥漿體系研究

張弛1， 陳小旭2， 李長坤3， 王瑜4， 于永金1， 丁志偉1

（1.中國石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院，北京102206；2. 大慶鉆探工程公司鉆井生產(chǎn)技術(shù)服務(wù)二公司，吉林松原138000；3.中國石油集團(tuán)西部鉆探公司準(zhǔn)東鉆井公司，新疆昌吉831500；4.中國石油冀東油田分公司勘探開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目部，河北唐山063200）

針對高溫條件下，常規(guī)硅酸鹽加砂水泥漿體系存在的穩(wěn)定性差、水泥石抗壓強(qiáng)度衰退和開裂等問題，有針對性地開展了水泥高溫增強(qiáng)材料優(yōu)選、水泥石力學(xué)性能優(yōu)化和抗高溫硅酸鹽水泥漿體系綜合性能優(yōu)化等研究，結(jié)果表明，高溫條件下，摻加火山灰類高活性礦物材料能保證水泥石抗壓強(qiáng)度良好發(fā)展，無衰退現(xiàn)象；優(yōu)選的晶須/纖維材料對水泥石“降脆、增韌”作用顯著，水泥石高溫養(yǎng)護(hù)無開裂現(xiàn)象，且彈性模量能控制在9.0 GPa以內(nèi)；通過配套使用高性能抗高溫降失水劑、緩凝劑和高溫穩(wěn)定劑等外加劑，水泥漿體系綜合性能良好，具有低失水、高溫穩(wěn)定性好、稠化時(shí)間可調(diào)、過渡時(shí)間短等特點(diǎn)。該研究成果對保證深井、超深井固井安全，提高固井質(zhì)量具有重要意義。

硅酸鹽水泥；高溫；韌性；固井；固井質(zhì)量

近年來，深層油氣資源開發(fā)已經(jīng)成為油田“上產(chǎn)增效”工作新的增長點(diǎn)，但隨著鉆井技術(shù)的發(fā)展和油田勘探開發(fā)的不斷深入，井下復(fù)雜地質(zhì)、工程技術(shù)難題凸顯，給固井帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。特別在超高溫下，國內(nèi)常規(guī)硅酸鹽加砂水泥漿體系暴露出諸多問題，水泥石高溫強(qiáng)度衰退、開裂、收縮和水泥漿高溫穩(wěn)定性差等問題尤為突出。國外如斯倫貝謝、哈里伯頓等公司都具有抗溫能力超過200 ℃的硅酸鹽水泥漿體系，國內(nèi)則缺乏溫度在200 ℃以上且綜合性能穩(wěn)定的硅酸鹽水泥漿體系，部分油田重點(diǎn)高溫深井水泥漿體系大都首選國外水泥漿體系。針對高溫深井、超深井固井技術(shù)需求，通過運(yùn)用水泥高溫增強(qiáng)材料與配套激發(fā)劑優(yōu)選復(fù)配、水泥石力學(xué)性能優(yōu)化、配套水泥漿外加劑等技術(shù)手段，優(yōu)化形成了抗高溫硅酸鹽水泥技術(shù)，完善了水泥漿體系綜合性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

實(shí)驗(yàn)材料：撫順G級油井水泥；水泥改性材料、粒徑為0.025 mm石英砂、晶須材料、纖維材料，均為工業(yè)級；降失水劑DRF-120L、緩凝劑DRH-200L、高溫穩(wěn)定劑DRK-3S、分散劑DRS-1S。

主要設(shè)備：Chandler Model7120翻轉(zhuǎn)式高溫高壓失水儀、Chandler Model8040D10雙缸高溫高壓稠化儀、Chandler Model7375高溫高壓養(yǎng)護(hù)釜、Chandler Model4207水泥石抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)，美國Chandler公司；JSM 6490LV型掃描電子顯微鏡，日本JEOL公司；TAW—1000微機(jī)控制電液伺服水泥石三軸試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)，朝陽試驗(yàn)儀器有限公司。

實(shí)驗(yàn)方法：水泥漿制備及性能測試按照API RP 10B油井水泥實(shí)驗(yàn)推薦方法，第22版標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

2 關(guān)鍵外摻料優(yōu)選與評價(jià)

2.1 高溫增強(qiáng)材料研究

2.1.1 高溫增強(qiáng)材料優(yōu)選設(shè)計(jì)思路

高溫下，原漿水泥石主要水化產(chǎn)物是以板塊狀C2SH和CH為主的混合物相，水化產(chǎn)物強(qiáng)度低且產(chǎn)物間膠結(jié)疏松，存在微裂紋[1]。這些微觀缺陷的存在，使水泥石在受到外力作用下產(chǎn)生應(yīng)力集中，形成宏觀裂紋，這是原漿水泥石高溫強(qiáng)度衰退的主要影響因素之一。楊遠(yuǎn)光、張景富等學(xué)者通過原漿水泥石強(qiáng)度衰退規(guī)律研究，結(jié)合室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提出了防止水泥石衰退的石英砂加量[1-3]，但過多提高石英砂加量（60%以上），對保證水泥漿高溫穩(wěn)定性、水泥石完整性帶來很多困難。

結(jié)合前期關(guān)于水泥水化規(guī)律、水泥石強(qiáng)度衰退規(guī)律等文獻(xiàn)資料，通過添加火山灰類高活性礦物材料，達(dá)到消耗不利于水泥石強(qiáng)度發(fā)展的C2SH、Ca（OH）2等水化產(chǎn)物的目的，提升水泥石抗高溫性能；其次通過對水泥顆粒間進(jìn)行有效充填，提高水泥石密實(shí)度，保證力學(xué)性能良好發(fā)展。

2.1.2 高溫增強(qiáng)材料優(yōu)選與結(jié)果分析

1） 高溫增強(qiáng)材料優(yōu)選。室內(nèi)從材料理化性質(zhì)、晶體結(jié)構(gòu)等方面，初步篩選了10余種耐高溫活性礦物材料。通過對水泥漿配漿過程、漿體狀態(tài)等方面進(jìn)行考察，初步優(yōu)選3種材料作為硅酸鹽水泥高溫增強(qiáng)材料。材料基本參數(shù)如表1所示。

表1 高溫增強(qiáng)材料基本參數(shù)

2）單獨(dú)添加高溫增強(qiáng)材料實(shí)驗(yàn)結(jié)果。室內(nèi)考察了添加3種高溫增強(qiáng)材料的硅酸鹽水泥石與凈漿水泥石，在200 ℃下養(yǎng)護(hù)2 d和7 d的抗壓強(qiáng)度發(fā)展，水泥漿配方如下。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

W0#水泥+1.2%DRK-3S+0.9%DRS-1S+4.5%DRF-120L+2.5%DRH-200L+水，密度為1.90 g/cm3

W1#W0#+40%石英砂+10%G1

W2#W0#+40%石英砂+5.0%G2

W3#W0#+40%石英砂+5.0%G3

W4#W0#+40%石英砂

W5#W0#+50%石英砂

表2 改性硅酸鹽水泥石抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)表

由表2可知，200 ℃下養(yǎng)護(hù)時(shí)，摻加40%石英砂的水泥石抗壓強(qiáng)度由2 d的80.0 MPa降低至7 d的62.8 MPa，而摻加50%石英砂的水泥石抗壓強(qiáng)度發(fā)展不僅慢，且衰退更明顯。而抗高溫硅酸鹽水泥石抗壓強(qiáng)度發(fā)展較為緩慢，但未出現(xiàn)衰退現(xiàn)象。

3）復(fù)配高溫增強(qiáng)材料實(shí)驗(yàn)結(jié)果。綜合表2數(shù)據(jù)，按3種高溫增強(qiáng)材料最初加量進(jìn)行復(fù)配實(shí)驗(yàn)，評價(jià)抗高溫硅酸鹽水泥石在200 ℃、350 ℃下分別養(yǎng)護(hù)2 d、7 d的抗壓強(qiáng)度發(fā)展，水泥漿配方如下，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3、表4。

P0#水 泥 +1.2%DRK-3S+0.9%DRS-1S+4.5%DRF-120L+2.5%DRH-200L+水，密度為1.90 g/cm3

P1#P0#+10%G1+5.0%G2+40%石英砂

P2#P0#+5.0%G1+5.0%G2+40%石英砂

P3#P0#+5.0%G2+5.0%G3+40%石英砂

P4#P0#+10%G1+5.0%G2+5.0%G3+40%石英砂（存在觸變性）

表3 高溫增強(qiáng)硅酸鹽水泥石抗壓強(qiáng)度（200 ℃）

表4 高溫增強(qiáng)硅酸鹽水泥石抗壓強(qiáng)度（350 ℃）

由表3可以看出，200 ℃下養(yǎng)護(hù)，復(fù)配后的水泥石均未出現(xiàn)衰退現(xiàn)象；對比P1#、P2#配方的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，提高高溫增強(qiáng)材料G1加量制約了水泥石抗壓強(qiáng)度的發(fā)展，這是由于高溫增強(qiáng)材料不能完全分解，未能充分參與水泥水化；對比P1#、P2#、P3#配方的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，200 ℃下G1與G2復(fù)配比G3與G2復(fù)配效果更好；對比P1#、P4#配方實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，高溫增強(qiáng)材料G3對水泥石抗壓強(qiáng)度發(fā)展影響不大。

由表4可以看出，P1#、P4#配方水泥石7 d抗壓強(qiáng)度未發(fā)生衰退。特別地，P4#配方水泥石抗壓強(qiáng)度增長51.71%。

我國校園足球競賽多以學(xué)校為基本參賽單位，這會(huì)導(dǎo)致足球競賽成績優(yōu)勢學(xué)校與劣勢學(xué)校差距進(jìn)一步加大，影響學(xué)校參賽積極性，造成劣勢學(xué)校優(yōu)秀足球人才流失。建議增設(shè)以區(qū)級、市級、省級為單位的校園足球競賽體系，尤其是以區(qū)為單位的校園足球賽事，促進(jìn)片區(qū)內(nèi)學(xué)校間足球優(yōu)勢資源共享，將散落于區(qū)域內(nèi)的各學(xué)校優(yōu)秀球員集中起來，為他們提供一同訓(xùn)練與比賽的機(jī)會(huì)，通過高水平校園足球競賽體系的構(gòu)建，也為職業(yè)足球發(fā)現(xiàn)與選拔基層青少年人才提供平臺。

2.2 水泥石力學(xué)性能優(yōu)化

摻加高溫增強(qiáng)材料（復(fù)配）形成的硅酸鹽水泥石抗壓強(qiáng)度高，解決了200 ℃下硅酸鹽水泥石抗壓強(qiáng)度衰退的問題，但仍存在水泥石開裂現(xiàn)象，證明高溫增強(qiáng)材料對降低水泥石脆性無明顯作用。室內(nèi)優(yōu)選了一種改性鈣質(zhì)晶須材料和1種低彈模纖維材料（基本參數(shù)見表5），優(yōu)化水泥石力學(xué)性能，使脆性硅酸鹽水泥石達(dá)到“高強(qiáng)度、低彈?！钡哪繕?biāo)。

表5 晶須/纖維材料基本參數(shù)

水泥石配方如表6所示。其中P4配方為未摻加晶須/纖維材料的水泥石試樣，Q1、Q2分別為單獨(dú)摻加低彈模纖維、晶須水泥石試樣，Q3為摻加低彈模纖維/晶須水泥石試樣。

表6 晶須/纖維水泥石實(shí)驗(yàn)配方（密度為1.90 g/cm3）

晶須/纖維材料增強(qiáng)增韌的本質(zhì)是把水泥石的脆性破裂轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄云屏?，阻斷或者延長水泥石受力時(shí)微裂紋的擴(kuò)展路徑。作用機(jī)理主要有橋連機(jī)制、裂紋偏轉(zhuǎn)機(jī)制和拔出機(jī)制[4]。從表6可知，晶須/纖維材料復(fù)配的水泥石Q3力學(xué)性能最為突出，相比P4水泥石，彈性模量降低達(dá)36.23%。

圖1c）是低彈模纖維/碳酸鈣晶須水泥石的微觀形貌，在微裂紋產(chǎn)生和發(fā)展的過程中，尺寸較小的晶須將會(huì)率先在較小尺寸區(qū)域作用，限制微裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展；隨著應(yīng)力的增大，微裂紋通過積累、匯合轉(zhuǎn)變?yōu)楦蟪叽绲暮暧^裂紋，此時(shí)尺寸較大的低彈模纖維將起主導(dǎo)作用，通過橋連、裂紋偏轉(zhuǎn)及拔出等方式增韌水泥石[5-8]。同時(shí)，纖維與晶須具有不同的尺寸與長徑比，可明顯改變水泥石的微觀結(jié)構(gòu)，在不同結(jié)構(gòu)層次對微裂紋進(jìn)行有效限制。

圖1 晶須/纖維水泥石電鏡掃描圖像

3 抗高溫硅酸鹽水泥漿體系性能評價(jià)

3.1 降失水性能

調(diào)整水泥漿中降失水劑DRF-120L的加量，測定水泥漿在不同溫度下的失水量，結(jié)果見圖 2。水泥漿配方如下。

撫順G級水泥+10%G1+5.0%G2+5.0%G3+ 5.0%低彈模纖維+4.0%晶須+40%石英砂+0.6%穩(wěn)定劑DRK-3S+0.9%分散劑DRS-1S+降失水劑DRF-120L+2.5%緩凝劑DRH-200L+水，密度為1.88 g/cm3

圖2 抗高溫硅酸鹽水泥漿體系在不同溫度下的失水量

從圖2可以看出，水泥漿的失水量隨溫度的升高逐漸增大；增大降失水劑DRF-120L加量可以降低抗高溫硅酸鹽水泥漿體系在高溫下的失水量，當(dāng)DRF-120L加量為6%時(shí)，在200 ℃下，水泥漿的API失水量可以控制在100 mL以內(nèi)，說明降失水劑DRF-120L具有良好的抗高溫性能。

3.2 高溫穩(wěn)定性

1#撫 順 G 級 水 泥 +10%G1+5.0%G2+ 5.0%G3+5.0%低彈模纖維+4.0%晶須+40%石英砂+0.4%穩(wěn)定劑DRK-3S+0.9%分散劑DRS-1S+6.0%降失水劑DRF-120L+2.5%緩凝劑DRH-200L+水

2#1#+0.2%穩(wěn)定劑DRK-3S

表7 抗高溫硅酸鹽水泥漿體系高溫穩(wěn)定性評價(jià)

從表7可以看出，抗高溫硅酸鹽水泥漿體系具有良好的高溫穩(wěn)定性，當(dāng)循環(huán)溫度超過180 ℃時(shí)，提高懸浮穩(wěn)定劑加量，能保證水泥漿體系穩(wěn)定性。

3.3 綜合性能

不同溫度下，對抗高溫硅酸鹽水泥漿體系綜合性能進(jìn)行了評價(jià)，結(jié)果見表8和圖3。

表8 抗高溫硅酸鹽水泥漿體系綜合性能評價(jià)（密度為 1.90 g/cm3）

圖3 抗高溫硅酸鹽水泥漿體系170 ℃稠化曲線

從表8和圖3可以看出，抗高溫硅酸鹽水泥漿體系流動(dòng)性好；API失水量小于100 mL；稠化時(shí)間可調(diào)，不存在稠化時(shí)間“倒掛”現(xiàn)象；過渡時(shí)間短，基本呈“直角”稠化。體系綜合性能良好，能保證高溫深井、超深井固井技術(shù)需求。

4 結(jié)論

1.優(yōu)選火山灰類高活性礦物材料進(jìn)行復(fù)配，提高硅酸鹽水泥石抗溫性能，保證抗壓強(qiáng)度良好發(fā)展。長期抗高溫性能還需進(jìn)一步驗(yàn)證。

2.晶須/纖維材料具有“降脆、增韌”作用，由于晶須/纖維材料具有不同顆粒級別，能夠在不同級別下，發(fā)揮各自作用，協(xié)同增效，阻止或減少水泥石內(nèi)不同尺度裂紋的發(fā)展。因此，晶須/纖維材料混合摻加效果更為顯著。

3.抗高溫硅酸鹽水泥漿體系綜合性能良好，具有失水量低、高溫穩(wěn)定性好、稠化時(shí)間可調(diào)、過渡時(shí)間短等特點(diǎn)；且水泥石力學(xué)性能突出，高溫條件下仍具有“強(qiáng)度高、彈性模量低”的力學(xué)特點(diǎn)。

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Study of High Temperature Silicate Cement Slurry

ZHANG Chi1, CHEN Xiaoxu2, LI Changkun3, WANG Yu4, YU Yongjin1, DING Zhiwei1
(1. CNPC Drilling Research Institute, Beijing 102206; 2. The Second Drilling Techniqcal Service of Daqing Drilling Engineering Corporation, Songyuan, Jilin 138000; 3. Zhundong Drilling Branch of CNPC Xibu Drilling Engineering Company Limited, Changji, Xinjiang 831500; 4. Department of Exploration and Development Construction Projects,PetroChina Jidong Oilf i eld Company, Tangshan, Hebei 063200)

Conventional silicate cements at elevated temperatures have a series of problems, such as poor stability, declining of compressive strengthof set cement and cracking of set cement etc. To address these problems, studies have been conducted on the selection of materials for modif i cation of cement, optimization of the mechanical properties of set cement and the overall properties od modif i ed silicate cement slurry. It was concluded that, at elevated temperatures, addition of highly active minerals (such as volcanic ash) into cement can ensure the sound development of the compressive strength of set cement. Crystal whiskers/f i bers selected play an important role in the “brittleness reduction and toughness enhancement” of set cement, ensuring that set cement does not crack when curing at elevated temperatures and its elastic modulus is controlled to less than 9.0 GPa. Using high performance f i lter loss reducers,retarders and high temperature stabilizers suitable for the cement, the cement slurry will have good overall properties, i.e., low f i lter loss, good high temperature stability, thickening time that is controllable and short transit time etc. This study is of importance to safe cementing of deep and ultra-deep wells with high job quality.

Silicate cement; High temperature; Toughness; Well cementing; Job quality of well cementing

張弛，陳小旭，李長坤，等.抗高溫硅酸鹽水泥漿體系研究[J].鉆井液與完井液，2017， 34（5）：62-66.

ZHANG Chi，CHEN Xiaoxu，LI Changkun，et al.Study of high temperature silicate cement slurry[J].Drilling Fluid &Completion Fluid，2017，34（5）：62-66.

TE256

A

1001-5620（2017）05-0062-05

10.3969/j.issn.1001-5620.2017.05.012

“十三五” 國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題二“固井工程用高耐蝕高韌性水泥基材料的研究與應(yīng)用” （2016YFB0303600）。

張弛，1987年生，工程師，畢業(yè)于西南石油大學(xué)油氣井工程專業(yè)，主要從事固井技術(shù)研究與現(xiàn)場服務(wù)工作。E-mail：zhangchidr@cnpc.com.cn。

2017-5-21；HGF=1704M2；編輯 馬倩蕓）