超低密度水泥漿體系設(shè)計(jì)與室內(nèi)研究

韓 婧

(中石化華北石油工程有限公司 技術(shù)服務(wù)公司，河南 鄭州 450000)

我國低壓易漏失復(fù)雜油氣井在長慶油田、塔里木油田、吉林油田、大牛地氣田等廣泛分布，例如異常低壓油氣層鄂爾多斯盆地北部大牛地氣田的氣層壓力梯度小于1.0 g/cm3，其中一些薄弱地層要求水泥漿密度低至1.20 g/cm3，故超低密度水泥漿對(duì)于油氣層的保護(hù)和固井質(zhì)量的提高具有重要意義。但國內(nèi)外超低密度減輕材料成本較高，且各油田嚴(yán)格要求固井全井段封固、水泥漿返出地面，造成低密度水泥漿用量增大，進(jìn)一步導(dǎo)致固井成本增加，而市場(chǎng)環(huán)境下勘探開發(fā)成本大幅縮減，造成超低密度水泥漿性能和成本之間的矛盾尤為突出，得不到廣泛應(yīng)用。例如密度低于1.30 g/cm3的水泥漿通常采用空心玻璃微珠作為減輕劑，該種水泥漿體系性能較好、密度較低，但是成本很高，推廣應(yīng)用難度大[1-2]。綜上，以降低成本兼顧性能為目標(biāo)，本文采用了3種性能不同的低密度材料開發(fā)出一種復(fù)合低密度減輕劑HBJQ-1，采用HBJQ-1作為減輕劑，可形成成本低廉、性能優(yōu)良的1.15～1.25 g/cm3超低密度水泥漿，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用。

1 低密度復(fù)合減輕劑的制備

1.1 材料選擇

在低密度水泥漿體系研究過程中，外摻料的優(yōu)選是最重要的工作環(huán)節(jié)之一。結(jié)合常用的低密度減輕劑種類，按照以下優(yōu)選原則，優(yōu)選與水泥復(fù)配效果好且強(qiáng)度高的減輕劑及填充顆粒。1)優(yōu)選減輕作用明顯，密度恒定，能有效降低水泥漿水固比，提高水泥漿固相量，利于實(shí)現(xiàn)緊密堆積的減輕劑；2)優(yōu)選顆粒尺寸較小的球形材料，在摻量的允許下，密度與漿體密度相接近，保持水泥漿漿體穩(wěn)定的減輕劑；3)優(yōu)選抗壓強(qiáng)度較高，能滿足施工要求的減輕劑；4)優(yōu)選具有反應(yīng)活性，物理化學(xué)性能對(duì)水泥漿性能有貢獻(xiàn)的減輕劑[3-4]。

當(dāng)多種材料混摻時(shí)，根據(jù)特定的需要可以采取負(fù)面影響相制約或補(bǔ)充、正面影響相激勵(lì)等不同的協(xié)調(diào)材料自身的性質(zhì)和特點(diǎn)來選擇配制材料組分，結(jié)合上述內(nèi)容，本文優(yōu)選了兩種減輕劑A、B，一種懸浮穩(wěn)定劑C，三者按照一定的比例進(jìn)行復(fù)配，形成復(fù)合低密度減輕劑HBJQ-1。其中A是一種中空球狀粉末物質(zhì)，密度小,成本低，在降低水泥漿密度的同時(shí)有效控制成本增幅；B是一種人造空心微珠，具有質(zhì)量輕、體積大、抗壓強(qiáng)度高、流動(dòng)性好等特點(diǎn)，既能滿足降低水泥漿密度又能保證其具有較好的強(qiáng)度；其物理性能參數(shù)如表1所示；C是一種高吸水材料，主要成分是SiO2，密度約為2.5 g/cm3，比表面積約為16～20 m2/g，吸附能力強(qiáng)，使微細(xì)顆粒之間形成均勻致密的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步完善水泥漿的沉降穩(wěn)定性，減少漿體的沉淀、分層現(xiàn)象，并提高了水泥石的抗壓強(qiáng)度和抗?jié)B能力。

表1 減輕劑A、B的物理性能參數(shù)

1.2 緊密堆積

復(fù)合低密度減輕劑作為外摻料與水泥同時(shí)使用，添加一定劑量的油井水泥外加劑，形成一定密度的水泥漿體系，因此，在設(shè)計(jì)復(fù)合低密度減輕劑中三種物質(zhì)的比例時(shí)，首先根據(jù)水泥與三種物質(zhì)之間的最佳堆積率進(jìn)行計(jì)算各固相之間的比例。根據(jù)物質(zhì)A、B、C與水泥的粒徑分布(如圖1所示)得出物質(zhì)A粒徑最大，作為第一級(jí)填充；物質(zhì)C顆粒最小，作為最后一級(jí)填充。根據(jù)多元連續(xù)顆粒體系緊密堆積理論模型，以最高堆積密實(shí)度為原則，采用VB編程進(jìn)行計(jì)算，設(shè)定目標(biāo)漿體密度為1.20 g/cm3,根據(jù)各物質(zhì)需水量設(shè)定水灰比為1.2，計(jì)算結(jié)果如表2所示，水泥組分占比50%～60%，復(fù)合減輕材料中三種物質(zhì)中物質(zhì)B和C占比越大，堆積率越大。

表2 堆積率計(jì)算

水泥/%A/%B/%C/%堆積率6320890.763562226100.769861208110.776150208200.8499

顆粒體緊密堆積與顆粒體或顆粒制品的性質(zhì)有密切的關(guān)系，加上顆粒間復(fù)雜的作用力等諸多因素的影響，很難用準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型來描述各種粒度分布和堆積率的關(guān)系。根據(jù)顆粒級(jí)配理論指導(dǎo)實(shí)踐中得出的以下結(jié)論：較細(xì)顆粒的數(shù)量，應(yīng)足夠充填于緊密排列顆粒構(gòu)成的空隙中，當(dāng)有三種組分堆積時(shí)，三級(jí)堆積顆粒的數(shù)量比為7 ∶1 ∶2時(shí)，當(dāng)有兩個(gè)組分堆積，粗細(xì)顆粒數(shù)量比為7 ∶3時(shí)，水泥漿的穩(wěn)定性較好[4-6]。筆者結(jié)合長期實(shí)踐中積累的部分經(jīng)驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果進(jìn)行一定比例的抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步確定復(fù)合減輕劑中三種物質(zhì)的比例。

1.3 抗壓強(qiáng)度

在上述顆粒級(jí)配計(jì)算的基礎(chǔ)上，采用水泥與物質(zhì)A、B、C按照一定比例進(jìn)行混配，在相同漿體密度條件下，固相物中水泥占比58.8%，復(fù)合低密度減輕劑占比41.2%，液固比110%。結(jié)合堆積率計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行5組固相基礎(chǔ)配比實(shí)驗(yàn)，考察各配比的抗壓強(qiáng)度情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。由表3可知，復(fù)合低密度減輕劑中物質(zhì)B和物質(zhì)C的比例增大，抗壓強(qiáng)度相應(yīng)增高；物質(zhì)A占比相同時(shí)，物質(zhì)C比物質(zhì)B比例高，抗壓強(qiáng)度相應(yīng)增高。綜上，結(jié)合抗壓強(qiáng)度及顆粒級(jí)配計(jì)算分析，物質(zhì)C粒徑較小，可填充至物質(zhì)A和B之間，使結(jié)構(gòu)更致密；因此，采用物質(zhì)A、B、C的比例為5 ∶4 ∶5進(jìn)行復(fù)配，開發(fā)復(fù)合低密度減輕劑HBJQ-1。

表3 固相基礎(chǔ)配比抗壓強(qiáng)度

2 超低密度水泥漿體系綜合性能優(yōu)化

2.1 早期強(qiáng)度

超低密度水泥漿液固比較大，強(qiáng)度發(fā)展緩慢，本文針對(duì)超低密度水泥漿特性優(yōu)選了促凝早強(qiáng)劑XJQ-2，該材料是由幾種有機(jī)物和無機(jī)物復(fù)合的化學(xué)增強(qiáng)劑，在中低溫條件下，使C-S-H成為更開放的絮凝結(jié)構(gòu)，增大滲透率，增加Ca(OH)2在水相中的溶解度，縮短水泥漿的候凝時(shí)間，提高水泥石早期強(qiáng)度。通過調(diào)節(jié)早強(qiáng)劑XJQ-2的加量，分別測(cè)試密度1.20 g/cm3和密度1.15 g/cm3水泥漿在70 ℃條件下養(yǎng)護(hù)24 h、48 h水泥石的抗壓強(qiáng)度，測(cè)試結(jié)果如表4所示。由表4可以看出，不添加早強(qiáng)劑的密度1.20 g/cm3水泥石養(yǎng)護(hù)24 h的抗壓強(qiáng)度為4.5 MPa左右，強(qiáng)度隨著早強(qiáng)劑XJQ-2摻量增加而增加，在加量2%以上時(shí)，強(qiáng)度增加較為顯著；不添加早強(qiáng)劑的密度1.15 g/cm3水泥石養(yǎng)護(hù)24 h的抗壓強(qiáng)度為4.85 MPa左右，強(qiáng)度隨著早強(qiáng)劑XJQ-2摻量增加而增加，在加量3%以上時(shí)，24 h強(qiáng)度增加較為顯著，48 h 的抗壓強(qiáng)度為增幅較為緩慢。這是由于XJQ-2對(duì)早期強(qiáng)度的影響比較顯著，且密度1.15 g/cm3水泥漿中的水泥組分較少，液固比較大，強(qiáng)度較弱。因此，密度1.20 g/cm3水泥漿采用XJQ-2的摻量為2.5%，密度1.15 g/cm3水泥漿采用XJQ-2的摻量為3.5%。

表4 早強(qiáng)劑XJQ-2不同加量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

2.2 濾失性能

固井施工時(shí)，水泥漿在壓力下經(jīng)過高滲透地層時(shí)將發(fā)生“滲濾”。水泥漿濾液進(jìn)入地層，導(dǎo)致水泥漿失水，流動(dòng)性變差，同時(shí)造成不同程度的污染儲(chǔ)層；超低密度水泥漿因液固比較大，濾液較多，因此需要在水泥漿中加入降失水劑。本文優(yōu)選了降失水劑XJL-2，該種降失水劑是一種新型的交聯(lián)聚合物，利用高分子聚合物材料在水泥漿中吸附于水泥顆粒表面，互相交聯(lián)后在水泥漿體系中形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，在水泥漿與地層之間存在一定壓差時(shí)于界面處形成致密的濾餅，降低水泥漿的濾失量，沒有明顯的增稠現(xiàn)象。XJL-2加量對(duì)1.20 g/cm3水泥漿濾失性能的影響如表5所示，XJL-2加量超過5%后降濾失效果較為減弱，結(jié)合超低密度固井施工要求及成本控制，失水量控制在100 mL內(nèi)，采用XJL-2的摻量為4.5%。

表5 降失水劑XJL-2加量對(duì)水泥漿濾失性能的影響

2.3 耐壓性能

復(fù)合減輕劑HBJQ-1中的物質(zhì)A是一種空心球狀顆粒，自身密度較低，加入水泥漿后可能造成水泥漿的耐壓性能較差，施工過程中水泥漿在井內(nèi)受壓后密度增高等現(xiàn)象。因此，采用復(fù)合減輕劑HBJQ-1與水泥分別配制成密度1.15～1.25 g/cm3的水泥漿配方，通過增壓稠化儀在70 ℃、30 MPa條件下養(yǎng)護(hù)30 min，測(cè)試養(yǎng)護(hù)前后的密度變化。如表6所示，采用HBJQ-1制備的密度1.15～1.25 g/cm3水泥漿配方經(jīng)過加壓養(yǎng)護(hù)后，密度變化最大為0.02 g/cm3，隨著漿體密度降低，HBJQ-1的加量增大，養(yǎng)護(hù)前后的密度差相應(yīng)增大；為更好地對(duì)比，采用漂珠制備密度1.30 g/cm3水泥漿配方，加壓養(yǎng)護(hù)后密度增加0.03 g/cm3。因此采用HBJQ-1制備密度高于1.15 g/cm3的水泥漿耐壓性良好(1#～4#水泥漿配方：G級(jí)水泥+HBJQ-1+水+XJQ-2)。

表6 水泥漿加壓養(yǎng)護(hù)密度變化

2.4 稠化性能

為保證超低密度水泥漿體系的稠化時(shí)間，確保施工安全，采用緩凝劑XJH-2將稠化時(shí)間控制在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)。XJH-2是一種有機(jī)復(fù)合物緩凝劑，吸附于水泥水化產(chǎn)物表面，此吸附層可以屏蔽水泥顆粒與水的接觸從而降低水化速度、延長稠化時(shí)間，稠化時(shí)間與加量呈線性單調(diào)關(guān)系。因早強(qiáng)劑XJQ-2具有一定的促凝作用，本文在已添加早強(qiáng)劑XJQ-2的水泥漿配方中采用緩凝劑調(diào)整稠化時(shí)間。稠化時(shí)間如表7所示，三種密度的水泥漿配方的稠化時(shí)間均隨緩凝劑XJH-2摻量增加而延長，線性相關(guān)性良好；3#配方比2#配方中的早強(qiáng)劑XJQ-2摻量大，緩凝劑摻量也相應(yīng)增大才能延長相應(yīng)的時(shí)間。

表7 緩凝劑不同加量對(duì)水泥漿稠化時(shí)間影響

2.5 綜合性能

以油井G級(jí)水泥、復(fù)合減輕材料HBJQ-1作為主體干混材料，適當(dāng)增大水灰比降低密度，同時(shí)選擇其他配套油井水泥外加劑，兼顧成本與性能，最終形成1.15～1.25 g/cm3水泥漿體系[7]。該水泥漿穩(wěn)定性良好，上下密度差小于0.02 g/cm3，濾失量可控，考慮盡可能降低成本的前提下，失水量控制為 100 mL 以內(nèi)，24 h強(qiáng)度能達(dá)到4 MPa以上，以1.15 g/cm3水泥漿為例，如表8所示。該體系滿足封固要求且成本低廉，在性能相差不大的前提下，比常規(guī)采用玻璃微珠的1.15 g/cm3超低密度體系成本降低40%。

表8 1.15 g/cm3水泥漿體系綜合性能參數(shù)

2.6 成本評(píng)價(jià)

以1.15 g/cm3超低密度水泥漿體系為例進(jìn)行成本核算，分別以玻璃微珠和復(fù)合減輕劑配制1.15 g/cm3超低密度水泥漿體系，體系單價(jià)如表9所示。玻璃微珠超低密度水泥漿體系單價(jià)5 704元/m3，復(fù)合低密度減輕劑體系單價(jià)3 505元/m3，相比玻璃微珠體系成本下降39.6%。

表9 1.15 g/cm3超低密度水泥漿體系成本評(píng)價(jià)

3 結(jié)論

1)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，采用適量的減輕材料及高吸水物質(zhì)復(fù)配開發(fā)的復(fù)合減輕劑HBJQ-1，輔以相應(yīng)的油井水泥添加劑，利用緊密堆積理論配制出了1.15～1.25 g/cm3超低密度水泥漿，漿體性能優(yōu)良，解決了超低密度水泥漿存在的漿體穩(wěn)定性差、早期強(qiáng)度低、加壓條件下密度增大等問題,具有良好的施工性能。

2)超低密度水泥漿密度降低主要依靠優(yōu)質(zhì)的減輕材料，密度降低伴隨著成本增加，采用復(fù)合減輕材料配制密度低于1.20 g/cm3超低密度水泥漿，成本比行業(yè)內(nèi)常見的玻璃微珠水泥漿體系降低40%，價(jià)格低廉，具有良好的應(yīng)用前景。