一種低成本低密度水泥漿體系的室內(nèi)研究

李鵬曉， 孫富全， 夏元博， 曾建國(guó)

(1中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程有限公司渤星公司 2 CNPC鉆井工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室固井技術(shù)研究室)

近年來(lái)低油價(jià)成為新常態(tài)，油氣勘探開(kāi)發(fā)低成本戰(zhàn)略成為當(dāng)務(wù)之急。以漂珠、人造微珠為減輕材料的高性能低密度水泥漿體系性能優(yōu)異，滿足低壓易漏層以及低壓油氣層長(zhǎng)封固段的固井作業(yè)[1-4]，但是由于漂珠及人造微珠價(jià)格昂貴，導(dǎo)致水泥漿成本較高，在固井中的應(yīng)用受到極大限制。國(guó)內(nèi)外廣泛利用粉煤灰、膨潤(rùn)土等傳統(tǒng)減輕材料制備普通低密度水泥漿，成本大幅降低，但大多存在著漿體穩(wěn)定性差、失水量大、水泥石強(qiáng)度低且發(fā)展慢等缺點(diǎn)，該類低密度水泥石48 h強(qiáng)度一般不超過(guò)10 MPa[5-6]，抗壓強(qiáng)度難以達(dá)到14 MPa，不能滿足技術(shù)套管對(duì)固井水泥石的性能標(biāo)準(zhǔn)要求。為滿足非目的層固井技術(shù)需求，研究性能上明顯高于普通低密度且與漂珠低密度相差不大的低密度水泥漿，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本研究通過(guò)開(kāi)發(fā)一種低成本、物化性能優(yōu)異的非微珠硅質(zhì)類減輕材料，利用緊密堆積技術(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)了性能上滿足一般低壓漏失地層技術(shù)套管固井的低成本低密度水泥漿。

一、 低密度水泥漿體系設(shè)計(jì)

1. 設(shè)計(jì)原則

以低成本的非微珠材料作為主體減輕材料，盡可能減少高成本的空心微珠用量，合理搭配活性外摻料，按照緊密堆積原理，優(yōu)化設(shè)計(jì)出有利于提高漿體穩(wěn)定性和水泥石強(qiáng)度的復(fù)合減輕增強(qiáng)材料。以該復(fù)合減輕增強(qiáng)材料為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的水泥漿(密度1.35～1.50 g/cm3)應(yīng)具有稠化時(shí)間可調(diào)、足夠抗壓強(qiáng)度、較低失水、良好流變性能和漿體穩(wěn)定性能等。

2. 減輕增強(qiáng)材料優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 減輕材料制備與性能

優(yōu)選出一種低成本天然硅質(zhì)材料，通過(guò)高溫焙燒、磨細(xì)、篩分、提純等二次加工處理，制備了一種硅質(zhì)多孔材料SA。該材料作為主要減輕材料，與粉煤灰、膨潤(rùn)土、膨脹珍珠巖等其他硅質(zhì)材料相比，具有密度更低、比表面積大、孔隙度高、吸附性好、化學(xué)穩(wěn)定性好、不過(guò)分增稠等優(yōu)點(diǎn)，該材料對(duì)水泥漿性能無(wú)不良影響，可依據(jù)其高吸水和高保水性特點(diǎn)，制備低密度水泥漿。幾種非微珠類減輕材料的基本性能進(jìn)行了測(cè)定，如表1所示。

2.2 復(fù)合減輕增強(qiáng)材料的設(shè)計(jì)

按照緊密堆積設(shè)計(jì)原理，從充填增強(qiáng)效應(yīng)、結(jié)晶礦物學(xué)增強(qiáng)效應(yīng)兩個(gè)方面入手進(jìn)行復(fù)合減輕增強(qiáng)材料設(shè)計(jì)。以減輕材料SA為基材，優(yōu)選微硅、超細(xì)膠凝材料SC等高活性超細(xì)外摻材料作為輔助增強(qiáng)材料，利用緊密堆積模型合理優(yōu)化顆粒級(jí)配，設(shè)計(jì)了減輕材料SA-微硅-超細(xì)膠凝材料SC三元體系的復(fù)合減輕增強(qiáng)材料PZL。各個(gè)材料的粒徑分布如表2所示。

表1 幾種減輕材料基本性能

表2 減輕增強(qiáng)材料粒徑分布

以可壓縮堆積模型(CPM)[7]作為顆粒體系緊密堆積基礎(chǔ)模型，通過(guò)VB語(yǔ)言編程對(duì)模型方程進(jìn)行求解，計(jì)算了不同配比三元體系的堆積密度，如表3所示，可知PZL三元體系最大堆積密實(shí)度在0.77～0.78之間。根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)，以最高堆積密實(shí)度和減少微硅用量的原則，優(yōu)選出減輕增強(qiáng)材料PZL的最佳配比(質(zhì)量比)為W減輕材料∶W微硅∶W超細(xì)膠凝材料=65 ∶15 ∶20。

表3 減輕材料SA-微硅-超細(xì)水泥三元體系堆積密實(shí)度計(jì)算

二、水泥漿體系性能研究

勝濰G級(jí)水泥、復(fù)合減輕材料PZL作為主體干混材料組分，優(yōu)選早強(qiáng)劑、懸浮劑、降失水劑、分散劑、消泡劑等配套外加劑，設(shè)計(jì)了密度為1.35～1.50 g/cm3的水泥漿體系配方，按照國(guó)標(biāo)GB/T 19139-2012“油井水泥試驗(yàn)方法”，對(duì)低密度水泥漿綜合性能和水泥石強(qiáng)度性能進(jìn)行了測(cè)定。

1. 水泥漿綜合性能

對(duì)密度為1.35～1.50 g/cm3的水泥漿體系的失水、流變、析水、沉降穩(wěn)定性、稠化等水泥漿綜合性能進(jìn)行測(cè)定，如表4所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，水泥漿漿體流變性能較好，流變參數(shù)合理，符合典型冪律流體流變模式，滿足現(xiàn)場(chǎng)固井對(duì)提高頂替效率的要求；失水、游離液較小，大大低于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6544-2010規(guī)定的技套固井水泥漿失水<150 mL、游離液<1%的要求；漿體沉降穩(wěn)定性能良好且稠化時(shí)間合理。水泥漿綜合性能優(yōu)良，與漂珠低密度相當(dāng)，滿足低壓易漏失地層現(xiàn)場(chǎng)固井施工要求。

表4 水泥漿體系綜合性能

本文研究的低密度水泥漿相比現(xiàn)有普通低密度水泥漿，沉降穩(wěn)定性能大大改善。根據(jù)BP沉降穩(wěn)定性試驗(yàn)，70℃時(shí)不同密度水泥漿體系頂部和底部密度差在0.013～0.041 g/cm3，均小于0.05 g/cm3，穩(wěn)定性顯著優(yōu)于現(xiàn)有普通低密度水泥漿(上下密度差一般大于0.10 g/cm3)，與漂珠低密度水泥漿相當(dāng)。主要原因?yàn)椋何⒐?、超?xì)膠凝材料SC等亞微米、微米級(jí)超細(xì)材料具有較強(qiáng)的懸浮作用，通過(guò)與硅質(zhì)材料SA的高吸附性協(xié)同作用和緊密堆積優(yōu)化，從而形成了具有極強(qiáng)懸浮能力的復(fù)合減輕增強(qiáng)材料，解決了高水固比下漿體穩(wěn)定性難題。

2. 水泥石強(qiáng)度

測(cè)定了低密度水泥石在50℃和70℃時(shí)的抗壓強(qiáng)度，如表5所示。水泥石抗壓強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間和養(yǎng)護(hù)溫度的增加而不斷增加，水泥石早期強(qiáng)度發(fā)展較快，70℃條件下低密度水泥石24 h抗壓強(qiáng)度大于9 MPa，48 h強(qiáng)度可達(dá)14 MPa以上，水泥石強(qiáng)度雖與高強(qiáng)低密度水泥石有一定差距，但遠(yuǎn)高于常規(guī)低密度水泥石，足以滿足現(xiàn)場(chǎng)非目的層技術(shù)套管固井對(duì)水泥石強(qiáng)度的要求。同時(shí)對(duì)低密度水泥石(1.40 g/cm3)進(jìn)行了超聲波強(qiáng)度測(cè)試(圖1)，可以看出，水泥石早期強(qiáng)度發(fā)展較快，24 h和48 h超聲波強(qiáng)度分別達(dá)到了9 MPa和15 MPa，與實(shí)驗(yàn)室測(cè)定結(jié)果相符。

表5 水泥石抗壓強(qiáng)度

圖1 超聲波強(qiáng)度曲線(1.40g/cm3，50℃)

三、水泥漿體系成本對(duì)比

減輕材料SA來(lái)自天然硅質(zhì)火山灰材料，后處理工藝簡(jiǎn)單，原料來(lái)源廣，市場(chǎng)價(jià)格大約是微硅和漂珠價(jià)格的2/3和1/4，配制的水泥漿具有明顯的成本優(yōu)勢(shì)。將本文研究的低密度水泥漿與漂珠低密度水泥漿體系應(yīng)用成本進(jìn)行對(duì)比，漂珠低密度水泥漿采用常用成熟配方(水泥-微硅-漂珠體系)，表6可以看出，相比漂珠低密度水泥漿體系，本文研究的低密度水泥漿體系成本降低可達(dá)40%。

四、結(jié)論

(1)開(kāi)發(fā)了一種新型低成本減輕材料，利用緊密堆積原理，研發(fā)出活性高、物理穩(wěn)定性好的新型低密度復(fù)合減輕增強(qiáng)材料。

表6 不同體系水泥漿成本比較

(2)利用復(fù)合減輕增強(qiáng)材料，可以在高水固比情況下配制出密度為1.35～1.50 g/cm3低密度水泥漿體系。性能評(píng)價(jià)結(jié)果表明，水泥漿體系漿體穩(wěn)定、失水小、流變性和稠化性能良好，水泥石強(qiáng)度足夠，整體性能與漂珠低密度水泥漿相差不大，滿足非目的層固井施工要求。

(3)與漂珠低密度水泥漿相比，低成本低密度水泥漿成本降低可達(dá)40%，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

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