1.15 g/cm3 超低密度水泥漿的研究與應用

李韶利

（中石化中原石油工程有限公司固井公司，河南濮陽 457000）

隨著國家“十三五”天然氣大發(fā)展戰(zhàn)略，加快了推進鄂爾多斯盆地天然氣勘探開發(fā)，中石化在定北、塔巴廟2 個開發(fā)區(qū)塊均達2 個千億立方米規(guī)模，在杭錦旗勘探區(qū)塊達到3 個千億方立方米的規(guī)模，整個盆地北部已經(jīng)展現(xiàn)出萬億立方米的天然氣資源基礎。鄂北工區(qū)開發(fā)過程中的最大難題為地層承壓能力低，尤其劉家溝組（埋藏深度為2400～2600 m），承壓當量密度僅為1.10～1.20 g/cm3，漏失嚴重，固井時難以建立平衡；“正注反擠”補救措施無法實現(xiàn)有效對接，導致空井段長，井筒完整性不能保證；國外超低密度水泥漿成本高，國內技術不成熟，水泥漿沉降穩(wěn)定性差，強度發(fā)展緩慢，現(xiàn)場密度控制差，無法推廣應用。

針對鄂北工區(qū)固井難題，中原固井持續(xù)開展超低密度水泥漿研究，通過研制輕制水泥，優(yōu)選減輕材料、填充材料，根據(jù)粉體顆粒群級配分形方程，建立三級級配數(shù)學模型，確立了超低密度設計構架。與外加劑進行配伍，設計出一套密度為1.15 g/cm3高強超低密度水泥漿配方，同時建立了分級混拌工藝，混拌大樣與小樣水泥漿性能符合率達到98%，保證了水泥漿性能的穩(wěn)定。通過評價及應用，超低密度水泥漿性能滿足低壓易漏井固井要求，可有效防止井漏，提高了井筒完整性。

1 主體材料與顆粒級配

1.1 主體材料的研選

1）研制輕質水泥GT。采用分級的辦法，將水泥材料通過一定的分級工藝分成窄粒級的水泥，通過優(yōu)化顆粒級配，實現(xiàn)提高水泥石的強度以及降低滲透率的目的。通過顆粒分級，利用激光粒度分析儀進行檢測，粒徑在3～32 μm 范圍的輕質水泥占69.2%，可控制在60%以上。利用李氏密度瓶測試輕質水泥GT的基礎密度為2.80 g/cm3，配制密度為1.90 g/cm3的水泥漿，水灰比為0.36，需水量小，經(jīng)實驗測得，該輕質水泥GT在實驗條件為52℃、35.6 MPa 下的稠化時間為108 min，初始稠度為15 Bc，游離液量為2.2%，38 ℃、常壓下的8 h抗壓強度達5 MPa，60 ℃、常壓下的8 h 抗壓強度達16 MPa；60 ℃、21 MPa 下的72 h 抗壓強度達22.5 MPa。其具有密度低、強度高、需水量小、游離液小等性能，為超低密度的設計奠定基礎。

2）研選減輕材料。出于成本方面的考慮，選擇國產(chǎn)HL 系空心玻璃微珠作為減輕材料。為了滿足0～50 MPa 壓力范圍內的固井要求，優(yōu)選的高強玻璃微珠要具有密度低、承壓高的性能，對比優(yōu)選HL 系列空心玻璃微珠，其物理性能見表1?？梢钥闯?，HL-2、HL-3 這2 種空心玻璃微珠的物理性能符合要求，抗壓強度能達到50 MPa 以上，適用于較深井固井承壓要求。HL-2 與HL-3 在超低密度水泥漿設計中性能對比見表2。從表2 可以看出，設計密度為1.15 g/cm3的水泥漿，HL-3 的加量要比HL-2 多5%，且55 MPa 下，HL-2 的承壓密度差為0.02 g/cm3，可以滿足55 MPa 的承壓要求，因此，從性能及成本考慮，選用HL-2 作為減輕材料。

表1 HL 系列空心玻璃微珠的物理性質

表2 HL-2 與HL-3 在超低密度水泥漿設計中性能對比

3）研選填充材料。選用微硅作為主要充填材料。微硅的平均粒徑只有0.15 μm，比表面積較大，為15～25 m2/g，一個水泥顆粒周圍可以分布15個微硅顆粒，因此，其可以很好地充填于水泥和漂珠顆粒之間，且含有豐富的無定形SiO2，其與水泥的水化產(chǎn)物Ca（OH）2反應，生成低堿度的含水硅酸鈣碳水化物（C/H=0.67～1.1 得C—S—H），并產(chǎn)生不含或少含Ca（OH）2的不易滲透的水泥石結構。另一方面微硅超細顆粒周圍還能吸附大量水分子，水分子之間通過氫鍵相互連接，在微細顆粒之間形成均勻致密的網(wǎng)架結構，使水泥漿形成穩(wěn)定的懸浮體系，且不同粒徑的顆粒合理級配和極化，使水泥石更加致密，以及附加面的形成進一步完善了水泥漿的沉降穩(wěn)定性，并提高了水泥石的抗壓強度和抗?jié)B能力。另外，微硅屬于納米級材料，細小的粒子在水泥漿中不停地做布朗運動，引起擴散，不僅能很好地充填在空隙中，達到緊密堆積的目的，還能保持水泥漿的穩(wěn)定性。選擇3 種微硅樣品進行優(yōu)選，見表3。由表3 可知，代號為WG-1 的微硅性能明顯優(yōu)于其他2 個，其密度低、游離液降低率高、抗壓強度之比高，更適合超低密度水泥漿的設計。

表3 微硅樣品優(yōu)選實驗

對WG-1 的粒度指標及分布進行分析，見表4。由表4 可知，WG-1 中二氧化硅含量大于92%，平均粒徑為0.15 μm，可以充填于水泥和空心玻璃微珠顆粒之間，滿足水泥漿設計結構穩(wěn)定性。

表4 WG-1 粒度指標及分布

1.2 顆粒級配建模

1.2.1 顆粒級配數(shù)學模型

目前，顆粒級配理論在固井水泥的應用得到了現(xiàn)場試驗的驗證，但是尚未出現(xiàn)適用于固井水泥體系的顆粒級配模型成功被應用的報道，針對顆粒級配理論的研究僅限于定性描述和實驗評價，迫切需要相應的顆粒級配模型指導和推動低密度水泥漿及其他高性能水泥漿體系的開發(fā)與應用。要將顆粒級配模型引入到固井行業(yè)的水泥漿體系研制中，應該考慮到固井水泥自身的水化硬化特性，以及水泥及外摻料自身的顆粒連續(xù)堆積特性。利用顆粒群分形特征方程，以Andreasen 和Dinger-Funk 倡導的經(jīng)典連續(xù)堆積理論為基礎，建立了適合油井水泥外摻料配比設計的顆粒群分形級配模型。假定水泥與外摻料干混后混合料的粒徑分布函數(shù)為：

式中，V（x）為水泥混合料體積分布函數(shù)，%；D為粒徑分布分形維數(shù)；xmin為混合料最小粒徑，μm；xmax為混合料最大粒徑，μm。

分形方程表明，只要測出粉體材料的級配，并知道其最大、最小粒徑，其分形維數(shù)可直接計算出來。同時，通過數(shù)值解析的方法，根據(jù)已知最大、最小粒徑，通過調整相應的分形維數(shù)，可以模擬傳統(tǒng)的密實填充理論方程。

1.2.2 顆粒級配計算

①顆粒粒徑實驗。GT輕質水泥、空心玻璃微珠和微硅的粒徑主要分布在大小不同的3 個范圍內，為達到固相緊密堆積提供了可行性，其粒徑測試結果見表5。根據(jù)粒徑實驗數(shù)據(jù)分析，得到了3種材料的顆粒分布，空心玻璃微珠HL-2 屬于大顆粒組分，形成了大框架結構；GT水泥可充填于空心玻璃微珠中，構成第二級充填結構；微硅充填于空心玻璃微珠與水泥堆積形成的二元孔隙中。

表5 材料粒徑分析結果

②理論計算。由于漂珠加量過大會使?jié){體穩(wěn)定性變差，而微硅加量過大則使?jié){體流變性能難以控制，因此2 類材料的加量必須基于工程要求進行合理優(yōu)選。在分形級配模型中，可通過適當改變極限粒徑和分形維數(shù)的方式進行調整。數(shù)值分析可知，恒定極限粒徑時，隨著分形維數(shù)D的增大，微硅的含量逐漸增大，而漂珠的含量逐漸減小，即分形維數(shù)越大，顆粒越細，反之顆粒越粗；恒定分形維數(shù)時，漂珠體積含量隨xmax的增大而增大，微硅體積含量隨著xmin的減小而減小。Andreasen 曾以統(tǒng)計類似為基礎提出了連續(xù)分布粒徑的堆積模型：

式中，U（DP）為累計篩下顆粒百分含量；DP為當前粒徑，μm；DPL為最大粒徑，μm；q為fuller 指數(shù)。

Andreasen 認為，當q=1/2～1/3 時的空隙率最小，而q＜1/3 是沒有意義的，這與Gaudin-Schu hmann 模型的實驗結果相一致。利用數(shù)值分析方法可對分形級配方程與Andreasen 方程進行對比，得到實現(xiàn)緊密堆積的分形維數(shù)范圍。圖1 為分形級配方程模擬Andreasen 方程指數(shù)分別為1/2 和1/3 時的顆粒堆積情況對比，分形方程的最大粒徑為200.5 μm，最小粒徑為0.07 μm。當分形維數(shù)為2.513 和2.697，分形級配模型分別與Andreasen 方程q=1/2 和q=1/3 時的最緊密堆積曲線基本一致，見圖2，即D值處在2.513 和2.697 之間可實現(xiàn)最緊密堆積。當分形方程的維數(shù)在2.513～2.697 間，與Andreasen 方程指數(shù)1/2～1/3 間非常接近。將極限粒徑和D值代入式（1），可得不同緊密堆積體系的顆粒尺寸分布曲線。

圖1 Andreasen 方程顆粒級配曲線

圖2 分形級配模型的顆粒級配曲線

③計算結果?；谝陨嫌嬎愕玫礁鞣N材料的配比范圍，選取不同的D值代入式（2），計算得到不同D值下的緊密堆積體系。取D=2.513、2.605、2.697，計算得到的顆粒級配曲線如圖3 所示。由圖3 可知，當D=2.513 時，空心玻璃微珠HL-2 和微硅的體積分數(shù)分別為41%和20%，所以GT水泥的體積分數(shù)為39%；當D=2.605 時，HL-2 和微硅的體積分數(shù)分別為45%和18%，所以GT水泥的體積分數(shù)為37%；當D=2.697 時，HL-2 和微硅的體積分數(shù)分別為50%和15%，所以GT水泥的體積分數(shù)為35%。因此，根據(jù)可達到緊密堆積的合理級配計算結果，確定了各材料的加量，得到了配制超低密度水泥漿的固相三元體系充填結構。

圖3 不同D 值時計算的顆粒級配曲線

設計構架為：GT水泥+（40%～50%）空心玻璃微珠HL-2+（15%～20%）微硅。根據(jù)設計構架，室內測試不同比例下水泥漿的密度，見表6。從表6 可以看出，空心玻璃微珠加量增大，水泥漿密度最低為1.12 g/cm3，但漿體流動性差，密度為1.15 g/cm3的水泥漿材料配比，水泥漿流動性較好。

表6 不同比例下水泥漿最低密度設計

2 超低密度配方及性能評價

2.1 優(yōu)選外加劑

2.1.1 優(yōu)選低密度增強劑

以1.14 g/cm3低密度設計框架為基礎，加入3種低密度增強劑樣品，即增強劑A、增強劑B 及C，考察其在30 ℃、0.1 MPa 下8～48 h 的強度，優(yōu)選出符合要求的低密度增強劑，見表7。表7 可以看出，3 種增強劑中C 的增強效果最好。該增強劑C 為惰性物體，經(jīng)球磨而成，為規(guī)則的圓球形，充填在其他顆粒之間，減少其他顆粒之間的黏附力與摩擦力，改善其流動狀態(tài)，與水泥膠結后能進一步增加水泥石的密實性，自身密度為2.0 g/cm3，粒徑大小在1～10 μm 之間。

表7 不同增強劑對水泥漿強度的影響（30 ℃、0.1 MPa）

2.1.2 優(yōu)選早強劑

為了使超低密度水泥漿早期強度發(fā)展快，對低密度早強劑進行篩選，設計1.14 g/cm3低密度基礎水泥漿，分別加入1%早強劑ZQJ-1、ZQJ-2 進行性能對比，見表8。由表8 可知，早強劑ZQJ-1 增加早期強度和后期強度的效果都明顯優(yōu)于ZQJ-2，故選擇 ZQJ-1 作為超低密度水泥漿的早強劑。

表8 不同早強劑對水泥漿強度的影響（60 ℃、0.1 MPa）

2.1.3 降失水劑的優(yōu)選

對降失水劑樣品PVA-1、PVA-2、JSJ-1、JSJ-2進行失水實驗，結果見表9。由表9 可以看出，80～110 ℃下，JSJ-1 能有效控制水泥漿失水量，且加量為3%時，失水量可控制在32～60 mL 之內。

表9 不同降失水劑對水泥漿強度的影響

2.2 超低密度水泥漿配方及性能評價

2.2.1 超低密度水泥漿配方

設計出密度為1.15 g/cm3的高強超低密度水泥漿配方如下。

輕質水泥GT+40% 減輕劑HL-2+16% 微硅WG-1+5%低密度增強劑C+4%早強劑ZQJ-1+3%降失水劑JSJ-1+適量緩凝劑ZYH-1，水灰比為1.40

2.2.2 超低密度水泥漿性能評價

對水泥漿各項性能進行評價，結果見表10?？梢钥闯?，水泥漿密度為1.15 g/cm3，溫度在70～120 ℃范圍內，稠化時間在369 min 內可調，近直角稠化，游離液不大于0.3%，失水量不大于60 mL，密度差不大于0.03 g/cm3，常壓30 ℃的48 h抗壓強度大于6 MPa，加壓60 ℃的48 h 抗壓強度大于14 MPa，綜合性能優(yōu)良。

表10 超低密度水泥漿及水泥石性能

對超低密度水泥漿承壓性能進行評價，將配制好的超低密度水泥漿倒入漿杯，放入增壓稠化儀進行養(yǎng)護，達到目標壓力后，保持30 min，拆出對承壓后的水泥漿測密度，實驗結果見表11。

表11 超低密度水泥漿體系不同壓力下的承壓實驗

由表11 結果看出：超低密度水泥漿體系在55 MPa 的壓力下水泥漿密度變化為0.03 g/cm3，因此，承壓達55 MPa，可滿足深井承壓要求。

3 超低密度混拌工藝

常規(guī)低密度混拌方法在混拌超低密度水泥時，易造成空心玻璃微珠損耗過大的情況，大量空心玻璃微珠在混拌轉罐過程中被除塵器吸走排空，致使成品低密度配方水泥密度偏高，一方面，導致多次重復混拌，造成減輕材料的浪費及環(huán)保風險，另一方面，不能保證超低密度水泥漿的性能。經(jīng)過研究，采用“小批量精細控壓”混拌，混拌工藝為：①在地倉罐先加入1 t 左右水泥，再加入一定配比的高強空心玻璃微珠、微硅及其他添加劑后，精確控制混拌氣壓在0.15±0.01 MPa；②在地倉罐內進行一次預混；③將超低密度外摻料和添加劑及水泥加壓打入初混罐，在初混罐中與4～5 t 水泥進行初混，進入批混罐與10～15 t 水泥進行批混，轉罐后期提前關閉排空閥，依靠平衡壓力實現(xiàn)水泥轉罐，減少減輕材料的消耗；④進入再混罐實現(xiàn)三級混拌后完成混拌。

在地倉罐物料剩余200 kg、初混罐物料剩余500 kg、批混罐物料剩余1000 kg、再混罐物料剩余2000 kg 的情況下關閉排空閥；以上罐余物料在平衡壓力作用下都可以正常被送至下級水泥混拌罐或成品罐。

根據(jù)上述混拌流程，采用了小批量多次混拌，以2.5 t 水泥+1 t 3M 空心玻璃微珠為批混基數(shù)，控制氣壓在0.15 MPa 左右，形成“蓋壓式”混拌，批混了7 次，混拌時間為50 h，共混拌了25 t 水泥+10 t 高強空心玻璃微珠減輕劑+4 t 微硅+3.25 t 外加劑，大樣抽檢結果與小樣對比性能見表12。從表12 看出，水泥漿密度及性能與室內小樣的復合率達到了98%以上，混拌成功率為100%。

表12 超低密度混灰檢驗及其與小樣性能對比（80 ℃、40 MPa）

4 現(xiàn)場應用

4.1 D12-P42井

D12-P42 井位于陜西省榆林市神木市爾林兔鎮(zhèn)吧嚇采當村，構造位置為鄂爾多斯盆地伊陜斜坡東北部。該井井深為2928 m，造斜點位于井深2360 m，使用φ177.8 mm 技術套管，劉家溝組2050 m 處稍有漏失，該井鉆井液密度為1.14 g/cm3。采用三凝水泥漿體系固井工藝，水泥漿返至地面。使用密度為1.15 g/cm3的超低密度水泥漿封固1150～2050 m 井段，固井質量良好，水泥漿流動度為21 cm，游離液為0，沉降穩(wěn)定性好，上下密度差為0，失水量為42 mL，稠化時間為248 min，過渡時間為2 min，承壓35 MPa 高強玻璃微珠破壞率為0，流變性φ600/φ300/φ200/φ100/φ6/φ3為240/195/140/85/12/7.5，75 ℃、21 MPa下的48 和72 h 抗壓強度分別為15.45 和18.52 MPa，40 ℃、0.1 MPa下的48 h 和72 h 抗壓強度分別為7.80和12.0 MPa。

4.2 D17-2井

D17-2 井位于陜西省榆林市神木市大保當鎮(zhèn)高圪堵村，構造位置為鄂爾多斯盆地伊陜斜坡東北部。該井井深為2837 m，造斜點位于2360 m，劉家溝組2010 m 有漏失，使用φ144.3 mm 完井套管，該井鉆井液密度僅為1.12 g/cm3。采用雙凝水泥漿體系固井工藝，超低密度水泥漿返至地面，使用密度為1.15 g/cm3超低密度水泥漿封固0～2252 m井段，固井質量良好，水泥漿流動度為21 cm，游離液為0，沉降穩(wěn)定性好，上下密度差為0，失水量為42 mL，稠化時間為248 min，過渡時間為8 min，承壓35 MPa 高強玻璃微珠破壞率為0，流變性φ600/φ300/φ200/φ100/φ6/φ3為240/195/140/85/12/7.5，75 ℃、21 MPa 下的48 h 和72 h 抗壓強度分別為15.40 和18.20 MPa，40 ℃、0.1 MPa 下的48 h 和72 h 抗壓強度分別為7.60 和12.10 MPa。

4.3 DK13-FP1井

該井位于內蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市烏審旗圖克鎮(zhèn)沙日嘎毛日六社，由西部鉆探50852 隊施工，φ139.7 mm 完井套管，直井，完鉆井深為3196 m，垂深為3166.54 m，套管下深為3195.5 m，阻位3172.56 m，油氣層頂界為2726 m，底界為3190 m，鉆井液密度為1.15 g/cm3。采用一次注水泥雙凝水泥漿體系全井封固固井工藝，使用密度為1.15 g/cm3超低密度水泥漿封固0～2420 m 井段，固井質量合格。水泥漿流動度為21.5 cm，游離液為0，沉降穩(wěn)定性好，上下密度差為0，失水量為44 mL，稠化時間為268 min，過渡時間為12 min，承壓35 MPa 高強玻璃微珠破壞率為0，流變性φ600/φ300/φ200/φ100/φ6/φ3為230/185/130/65/10/5.5，84 ℃、21 MPa 下的48 h 和72 h 抗壓強度分別為16.52 和19.20 MPa，20 ℃、0.1 MPa 下的48 h 和72 h 抗壓強度分別為6.50 和10.80 MPa。

5 結論

1.通過控制水泥的成分、比表面積等物理性能研制了一種輕質水泥GT，優(yōu)選了高強玻璃微珠類減輕材料及納米微硅填充材料。

2.依據(jù)粉體顆粒群級配分形方程，建立了數(shù)學模型，確立了配制超低密度水泥漿的固相三元體系充填結構，設計構架為：GT水泥+（40%～50%）空心玻璃微珠+（15%～20%）微硅。

3.研究出一套密度不大于1.15 g/cm3高強超低密度水泥漿配方。密度為1.14 g/cm3，使用溫度達120 ℃，穩(wěn)定性密度差小于0.03 g/cm3，稠化時間可調，失水量小。水泥漿返至地面后，30 ℃下24 h 抗壓強度達到3.5 MPa 以上，48 h 抗壓強度達到5 MPa 以上，60 ℃下48 h 抗壓強度達到14 MPa。

4.通過改進混拌工藝，控制氣體排量，采用逐級分批混拌的方式，混拌一次成功率達到了98%。

5.研究成果在大牛地區(qū)塊D12-P42、D17-2 及DK13-FP1 等3 口井進行了應用，固井過程中沒有發(fā)生漏失，固井質量合格率為100%，實現(xiàn)了井筒的完整性。