納米二氧化硅對(duì)固井水泥漿性能的影響

李波 陸永偉

摘 要：納米二氧化硅是一種新型高性能材料，能夠有效改善水泥基材料的力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)。為了研究納米二氧化硅對(duì)固井水泥漿性能的影響，通過(guò)加入不同比例的納米二氧化硅，評(píng)價(jià)水泥漿的流變性、穩(wěn)定性、稠化時(shí)間、失水量、抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度及抗沖擊強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，加入適量的納米二氧化硅會(huì)使水泥漿體系增稠，沉降穩(wěn)定性更好，失水性能得到明顯改善，稠化時(shí)間縮短。納米二氧化硅可以有效改善水泥漿體系的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度及抗沖擊強(qiáng)度，尤其提高了水泥漿體系的早期強(qiáng)度。研究結(jié)果為納米二氧化硅在固井水泥漿中的應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：納米二氧化硅;固井;水泥漿;力學(xué)性能;早期強(qiáng)度

中圖分類號(hào)：TE256 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）13-0096-04

Abstract： Nano-silica is a new type of high performance material， which can effectively improve the mechanical properties and microstructure of cement-based materials. In order to study the influence of nano-silica on the performance of cement slurry， the rheology， stability， thickening time， water loss， compressive strength， flexural strength and resistance of cement slurry were evaluated by adding different proportion of nano-silica. The impact strength test results show that adding appropriate amount of nano-silica can thicken the cement slurry system， improve the settlement stability， improve the water loss performance and shorten the thickening time. Nano-silica can effectively improve the compressive strength， flexural strength and impact strength of cement slurry system， especially the early strength of cement slurry system. The research results provide a reference for the application of nano-silica in cementing slurry.

Keywords： nano-silica;cementing;cement slurry;mechanical properties;early strength

油氣井固井就是在環(huán)空井壁與套管之間注入水泥漿，然后凝固形成水泥環(huán)，目的是封隔油、氣、水層，防止層間互竄，保護(hù)套管，增加油氣井壽命。隨著油氣田的深入開(kāi)發(fā)，地層的復(fù)雜情況對(duì)固井技術(shù)要求也越來(lái)越高。油氣井在開(kāi)發(fā)過(guò)程中在井下射孔、壓裂及開(kāi)采等作業(yè)時(shí)，水泥環(huán)易遭到損壞。為了使水泥環(huán)能夠有效封隔地層，在水泥基中添加高性能材料來(lái)提高其性能成為一種必然[1-4]。

納米二氧化硅粒徑小、具有比常規(guī)材料更大的比表面積和表面能，且具有火山灰活性，加入水泥漿中能夠有效改善水泥基材料的力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)[5]。Ershadi等[6]研究發(fā)現(xiàn)，與空白水泥石相比，納米二氧化硅水泥石的孔隙度和滲透率分別下降了33.3%和99%。Tjemsland[7]研究了納米二氧化硅對(duì)水泥漿性能的影響。研究結(jié)果表明，水泥漿的流變性能得以改善，水泥石的早期強(qiáng)度也得到明顯提高。陳安生等[8]測(cè)試了不同納米二氧化硅含量下的混凝土的力學(xué)性能，評(píng)價(jià)表明，當(dāng)納米二氧化硅摻量為2%～3%，抗壓強(qiáng)度增加11%。楊洪雨等[9]在油井水泥中加入納米二氧化硅，水泥漿體系的穩(wěn)定性提高，稠化過(guò)渡時(shí)間縮短，水泥石抗壓強(qiáng)度顯著提高。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)摻入不同加量的納米二氧化硅，評(píng)價(jià)納米二氧化硅對(duì)固井水泥漿性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及儀器

嘉華G級(jí)油井水泥（四川嘉華特種水泥有限公司）;納米二氧化硅（宣城晶瑞新材料有限公司）;降失水劑、分散劑、增強(qiáng)劑、緩凝劑及消泡劑（荊州嘉華有限公司）。實(shí)驗(yàn)所用主要儀器如表1所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)配方。實(shí)驗(yàn)配方為100%G級(jí)油井水泥+44%水+2%增強(qiáng)劑+2%降失水劑+0.4%緩凝劑+0.5%分散劑+0.5%消泡劑+納米二氧化硅。

1.2.2 納米二氧化硅使用方法。將準(zhǔn)確稱取的納米二氧化硅加入到所需加量的配漿水中，用攪拌器勻速攪拌5min，然后利用超聲波清洗器50kHz超聲分散處理20min，讓納米二氧化硅充分分散，從而得到納米二氧化硅溶液。再用此溶液進(jìn)行水泥漿的配置。

1.2.3 水泥漿性能的評(píng)價(jià)。參照《油井水泥試驗(yàn)方法》（GB/T 19139—2012）配制水泥漿，并對(duì)配制的水泥漿進(jìn)行測(cè)試。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 納米二氧化硅水泥漿流變性的研究

油井水泥漿的流變性決定水泥漿在井筒環(huán)形空間中的流態(tài)，是水泥漿配方設(shè)計(jì)的核心以及安全施工的前提。水泥漿具有良好的流變性可以保證水泥漿在固井施工過(guò)程中的安全性和泵送效率[10]。

為了研究納米二氧化硅對(duì)水泥漿流變性的影響，采用六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)試不同納米二氧化硅加量下的流變性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。由表2可知，隨著納米二氧化硅加量的增大，水泥漿體系會(huì)逐漸增稠。不同納米二氧化硅加量下的流變性都能滿足固井施工泵送要求。因此，納米二氧化硅的加入不會(huì)對(duì)水泥漿體系產(chǎn)生很大的影響。為了保證良好的流變性，需要控制納米二氧化硅的加量。由于納米二氧化硅固體含量的加大，顆粒之間的摩阻變大，導(dǎo)致水泥漿體系增稠。

2.2 納米二氧化硅水泥漿穩(wěn)定性的研究

水泥漿體系穩(wěn)定性差會(huì)導(dǎo)致體系分層，影響水泥環(huán)質(zhì)量。為了研究水泥漿在井下的靜態(tài)穩(wěn)定性，可測(cè)量水泥漿的游離液和利用密度計(jì)測(cè)量水泥漿上下液層的密度差。游離液和密度差越大，水泥漿體系的穩(wěn)定性越差，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，隨著納米二氧化硅加量的增大，游離液逐漸變小一直到零，密度差也在逐步減小。因此，加入適量的納米二氧化硅可以有效改善水泥漿體系的穩(wěn)定性。加入納米二氧化硅后，水泥漿體系的黏度增大，顆粒的懸浮穩(wěn)定性增加，改善了水泥漿體系的穩(wěn)定性[11]。

2.3 納米二氧化硅水泥漿失水性能的研究

水泥漿失水量過(guò)大，會(huì)使水泥漿的水灰比發(fā)生變化，導(dǎo)致水泥漿體系不穩(wěn)定，促使水泥漿過(guò)早凝固，稠化時(shí)間變短，也會(huì)損害地層。水泥漿的失水性能直接影響固井施工質(zhì)量和油井的產(chǎn)能等，故失水量越小越好[12]。為了研究納米二氧化硅對(duì)水泥漿失水性能的影響，室內(nèi)測(cè)試不同納米二氧化硅加量下的失水量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，隨著納米二氧化硅加量的增大，水泥漿體系的失水量逐步減小，失水性能越好。當(dāng)納米二氧化硅的加量達(dá)到2.5%時(shí)，水泥漿的失水量從58mL降到24mL。由于納米二氧化硅具有較大的比表面積，粒徑較小，可以有效充填泥餅的孔隙，顆粒之間的自由水也會(huì)減小，有效降低水泥漿體系的失水量。

2.4 納米二氧化硅水泥漿稠化時(shí)間的研究

稠化時(shí)間是指在一定溫度與條件下，水泥漿稠度達(dá)到100BC所需的時(shí)間。固井作業(yè)時(shí)，為了保證有絕對(duì)的施工時(shí)間，避免事故的發(fā)生，必須對(duì)使用的水泥漿進(jìn)行稠化時(shí)間實(shí)驗(yàn)。一般在滿足施工時(shí)間的基礎(chǔ)上，附加一點(diǎn)時(shí)間來(lái)設(shè)計(jì)水泥漿的稠化時(shí)間。水泥漿的稠化時(shí)間直接關(guān)系到固井作業(yè)的施工安全。室內(nèi)對(duì)不同納米二氧化硅加量下的稠化時(shí)間進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，隨著納米二氧化硅加量的增大，水泥漿體系的稠化時(shí)間逐漸縮短。當(dāng)納米二氧化硅加量為2.5%時(shí)，稠化時(shí)間從空白的241min降到173min，稠化時(shí)間減少了28%。這是由于納米二氧化硅加快了水泥的水化反應(yīng)。

2.5 納米二氧化硅水泥漿力學(xué)性能的研究

水泥漿注入套管與地層環(huán)空后最終會(huì)凝固并形成水泥環(huán)。固井水泥環(huán)可以保護(hù)套管，減少地層流體或地層壓力對(duì)套管的損害，起到保護(hù)油氣井套管的作用，增加油氣井壽命，并提高油氣產(chǎn)量。油氣開(kāi)采中，在射孔、壓裂等作業(yè)下，水泥環(huán)會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力變化，易發(fā)生脆性破壞而導(dǎo)致其力學(xué)完整性失效，輕則造成氣竄和環(huán)空帶壓，重則導(dǎo)致油氣井報(bào)廢。水泥漿的力學(xué)性能直接影響油氣井的使用壽命。為了探究納米二氧化硅的摻入對(duì)水泥石力學(xué)性能的影響規(guī)律，測(cè)試了在不同納米二氧化硅加量下，80℃養(yǎng)護(hù)0.5、1、3d 及7d后的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度及抗沖擊強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3、圖4及圖5所示。

由圖3、圖4和圖5可知，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間增長(zhǎng)，抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度及抗沖擊強(qiáng)度都有所提高。隨著納米二氧化硅加量加大，抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度及抗沖擊強(qiáng)度也會(huì)有所增大。

與空白樣相比，當(dāng)納米二氧化硅加量為2.5%時(shí)，養(yǎng)護(hù)0.5d后，抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度及抗沖擊強(qiáng)度分別提高41.8%、54.9%及33.3%。養(yǎng)護(hù)3d和7d的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、抗沖擊強(qiáng)度較空白樣分別提高13.8%、43.1%、21.3%和17.1%、52.8%、19.4%。因此，加入適量的納米二氧化硅后，抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度都得到提高，尤其0.5d的早期強(qiáng)度得到顯著提高。納米二氧化硅可以有效改善水泥石的力學(xué)性能。

3 結(jié)論

①加入適量的納米二氧化硅會(huì)使水泥漿體系增稠，沉降穩(wěn)定性更好，失水性能得到明顯改善，稠化時(shí)間縮短。

②納米二氧化硅可以有效改善水泥漿體系的力學(xué)性能，尤其提高了水泥漿體系的早期強(qiáng)度。當(dāng)納米二氧化硅加量為2.5%時(shí)，養(yǎng)護(hù)0.5d后，抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度及抗沖擊強(qiáng)度分別提高41.8%、54.9%及33.3%。

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