納米基復(fù)合增強劑的研究與性能評價

高繼超，李建華，周雪，李彥軍，盧海川，李德偉，楊晨

（1.中國石油集團海洋工程公司渤星公司，天津 300451；2.長慶油田第四采氣廠，西安 710000；3.川慶鉆探長慶固井公司，西安 710000）

低密度水泥漿技術(shù)是解決低壓易漏層固井問題的有效手段，但由于投資壓縮，目前各大油田常用的低密度水泥漿體系普遍呈現(xiàn)低成本化，因此性能欠佳，水泥石頂部強度低的問題尤為凸顯。加入常規(guī)早強材料后常會明顯縮短稠化時間，然而，為了滿足施工安全可能還需加入緩凝劑，兩者之間存在矛盾。近些年人們考慮到納米材料的優(yōu)異性能，開始將納米材料引入到固井水泥漿中[1-2]，并取得了一些較好的效果，包括在改善固井質(zhì)量、提高水泥石強度、保持井筒完整性等方面起到了重要作用[3-9]。為了緩解稠化時間和強度的矛盾問題，通過引入表面改性的納米材料，并利用復(fù)配技術(shù)，開發(fā)了一種新型納米基復(fù)合增強劑，并對其進行了較為系統(tǒng)的適應(yīng)性評價。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

勝濰G 級水泥，改性納米材料N，減阻劑CF40S（醛酮縮聚物類），降失水劑G60S（PVA 類），緩凝劑BCR-210S（有機鹽類），珍珠巖混材Ⅰ號（密度為0.90 g/cm3），無機鹽A，珍珠巖混材Ⅲ號（密度為1.30 g/cm3），漂珠混材（密度為1.15 g/cm3），粉煤灰，微硅。

1.2 實驗方法

按照 GB/T 19139—2012《油井水泥實驗方法》進行水泥漿的制備及稠化時間、失水量、水泥石抗壓強度等性能測試。將水泥漿在實驗溫度下，使用常壓稠化儀養(yǎng)護20 min 后，倒入500 mL 量筒，靜置于實驗溫度的水浴中2 h，用液體密度計從上到下測試水泥漿的密度，其差值即為水泥漿的上下密度差。

2 結(jié)果與討論

2.1 納米基復(fù)合增強劑的開發(fā)

2.1.1 納米材料N的改性及加量評價

目前應(yīng)用在固井中的納米材料主要包括納米二氧化硅、碳納米管、納米氧化鐵、納米多水高嶺石等。通過對不同種類納米材料的尺寸測試及實驗評價，優(yōu)選出一種由鈣、硅等元素構(gòu)成的納米材料N，其尺寸在30～70 nm。由于納米微粒一旦團聚，就會失去納米材料的優(yōu)異特性，因此采用了改性劑對納米材料N 進行了表面處理，通過空間位阻效應(yīng)和靜電排斥作用，使其易分散于水泥漿中。進行了改性納米材料N 的加量對水泥漿性能影響的實驗，結(jié)果見表1，水泥漿基礎(chǔ)配方如下。

1#勝濰G 級水泥+60%珍珠巖混材Ⅰ號+0.2%減阻劑CF40S+3.3%降失水劑G60S+0.45%緩凝劑BCR-210S+納米材料N+114%水，密度為1.28 g/cm3

2#勝濰G 級水泥+70%珍珠巖混材Ⅱ號+0.2%CF40S+3.6%G60S+0.45%BCR-210S+納米材料N+117%水，密度為1.43 g/cm3

表1 不同加量納米材料N 對水泥漿性能的影響

實驗結(jié)果表明，納米材料N 具有較高的表面活性和一定水化活性，從而可使水泥漿輕微增稠，促進水泥石強度發(fā)展。由表1 可知，隨著納米材料N 的加量提高，會輕微縮短稠化時間，對失水無不良影響。

2.1.2 增強劑的復(fù)配優(yōu)化

大量實驗研究表明，在正確選用早強劑品種、復(fù)合比例、使用加量和使用條件適宜時，復(fù)合早強劑可得到比單組分早強劑更優(yōu)良的早強效果[10-14]。因此，考慮將常用的早強劑作為激活材料與改性納米材料N 進行復(fù)配。通過對常規(guī)早強劑的室內(nèi)實驗篩選，水泥漿使用1#配方，實驗溫度為50 ℃。

表2 不同早強劑最佳加量優(yōu)選實驗

實驗結(jié)果表明，無機鹽A 表現(xiàn)出對稠化時間影響較小、水泥石提強效果明顯的特性。因此，新型復(fù)合增強劑NA 的組分為2.5%改性納米材料N+0.8%無機鹽A，加量為水泥的3.3%。

2.1.3 增強機理分析

納米材料N 具有一定模板成核作用：當(dāng)水化開始后，水化產(chǎn)物能以其為模板形成具有較高強度的晶型結(jié)構(gòu)，從而在不影響水化產(chǎn)物的情況下提高水泥石強度，搭配無機鹽A 的早強特性，二者結(jié)合，共同促進水化反應(yīng)，加快強度發(fā)展速度，同時納米顆粒小而均勻，可對水化產(chǎn)物的微孔隙或是微裂縫等缺陷結(jié)構(gòu)進行填充，使水泥石內(nèi)部更加致密，進而改善水泥石的力學(xué)性能。與此同時，借助納米級粒子活性高、比表面積大等優(yōu)點，減小了低密度水泥漿上下密度差和游離液，對其穩(wěn)定性起到了改良作用。

2.2 性能評價實驗

納米基復(fù)合增強劑NA 的室內(nèi)評價通過控制變量法來進行，其中，變量主要包括加量、溫度、水泥漿密度及體系。實驗分別進行了納米基增強劑在珍珠巖低密度水泥漿、漂珠低密度水泥漿及粉煤灰低密度水泥漿等常規(guī)體系中性能評價。

2.2.1 珍珠巖低密度水泥漿體系

考察增強劑加量變化對水泥漿的影響，見表3。水泥漿配方如下。

3#勝濰G 級水泥+43%珍珠巖混材Ⅰ號+0.2% CF40S+0.21% BCR-210S+3.1% G60S+增強劑NA+107%水，密度為1.32 g/cm3

表3 不同加量增強劑對水泥漿的影響

實驗結(jié)果表明，隨著增強劑加量增加，水泥石抗壓強度逐漸增強，加量大于2.8%時，24 h 頂部強度提高65%以上；受增強劑影響，稠化時間輕微縮短，在增強劑加量高達4.3%時，稠化時間之比仍能保持大于0.80，提強比例為90%。

考察不同溫度對水泥漿的影響，結(jié)果見表4。水泥漿配方如下。

4#勝濰G 級水泥+26%珍珠巖低密度混材Ⅱ號+0.2%CF40S+1.0%BCR-210S+3.2%G60S+3.0%增強劑NA+87%水，密度為1.50 g/cm3

表4 不同溫度下納米增強劑對水泥石強度的影響

表4 結(jié)果表明，加入納米增強劑的水泥石強度均有所提升，24 h 頂部強度提高50%以上。隨著溫度的升高，增強比例呈現(xiàn)“先升后降”的趨勢，在60 ℃左右提強效果達到最佳。

考察密度變化對水泥漿性能的影響，選擇了1.25、1.40、1.50、1.60 g/cm34 個密度點作為研究對象，在不同溫度下對水泥漿綜合性能進行了評價，見表5。水泥漿配方如下。其中，各材料及外加劑加量根據(jù)水泥漿設(shè)計密度決定。

5#勝濰G 級水泥+珍珠巖低密度混材+CF40S+BCR-210S+G60S+增強劑NA+水

表5 不同密度水泥漿綜合性能評價

實驗結(jié)果表明，納米增強劑對不同密度的珍珠巖低密度水泥漿體系均有明顯增強作用，在保證稠化時間之比大于0.83 的前提下，24 h 頂部抗壓強度可提高40%以上，在1.40 g/cm3低密度水泥漿中，提強比例達到峰值109.5%。

考察了不同水灰比對水泥漿性能的影響，見表6。水泥漿配方如下。

6#勝濰G 級水泥+42%珍珠巖混材Ⅱ號+0.2%CF40S +1.2%BCR-210S+3.8%G60S+3.0%增強劑+水（根據(jù)液固比決定）

表6 不同水灰比條件下納米增強劑對水泥漿性能影響

表6 結(jié)果表明，加入增強劑后，低密度水泥漿在較大水灰比下仍具有良好的綜合性能，水灰比由0.73 增大到0.79，48 h 水泥石頂部強度增加96%，水泥漿上下密度差由0.05 g/cm3降至0.02 g/cm3。水灰比增至0.84 時，與空白實驗對比，該體系仍有良好的頂部強度，穩(wěn)定性與水灰比0.73 時相當(dāng)。

2.2.2 漂珠低密度水泥漿體系

增強劑對漂珠低密度水泥漿體系的性能影響見表7。水泥漿配方如下。

7#勝濰G 級水泥+（33%～100%）漂珠混材+0.4%CF40S+0.60%BCR-210S+3.1%G60S+增強劑NA+水

表7 納米增強劑對漂珠低密度水泥漿綜合性能評價

可以看出，在輕微影響稠化時間的情況下，增強劑可明顯提高漂珠低密度水泥石抗壓強度50%以上，最高達88.2%，同時還可改善水泥漿穩(wěn)定性。

2.2.3 粉煤灰低密度水泥漿體系

增強劑對粉煤灰低密度水泥漿體系的性能影響評價實驗結(jié)果見表8。水泥漿配方如下。

8#勝濰G 級水泥+40%粉煤灰+4%微硅+3%G60S+0.75%BCR-210S+增強劑+105%水，密度為1.43 g/cm3

由表8 可以看出，加入納米增強劑的粉煤灰低密度水泥漿體系，在保證稠化時間之比大于0.8 的前提下，提高水泥石強度相對明顯，24 h 抗壓強度提高76.92%以上。

表8 納米增強劑對粉煤灰低密度水泥漿綜合性能的影響

2.3 現(xiàn)場應(yīng)用

結(jié)合長慶油田現(xiàn)場實際井況，進行了水泥漿方案設(shè)計和性能評價。評價了納米基復(fù)合增強劑在長慶油田不同批次、不同區(qū)塊低密度水泥漿體系中的綜合性能。蘇東X 井是蘇里格東部的一口氣井開發(fā)井，該井完鉆井深為3016 m，井底循環(huán)溫度為65 ℃，頂部強度實驗溫度為45 ℃，固井施工采用一次上返固井，為了防止壓漏地層，領(lǐng)漿設(shè)計采用輕珠低密度水泥漿體系，前10 t 領(lǐng)漿灰使用摻有納米基復(fù)合增強劑的干灰，即在原有低密度配方基礎(chǔ)上加入3%納米基復(fù)合增強劑?，F(xiàn)場領(lǐng)漿大樣灰性能復(fù)核實驗結(jié)果表明，與原低密度體系相比，納米增強低密度體系24 h 頂部抗壓強度提高50%，48 h 頂部抗壓強度提高42%，頂部提強效果良好，稠化時間之比為0.83，滿足現(xiàn)場施工安全時間。

3 結(jié)論

1.改性納米材料N 與激活材料A 復(fù)配得到的新型增強劑，可顯著提高低密度水泥石抗壓強度，同時加快水泥石頂部強度發(fā)展速度，且對水泥漿稠化時間影響較小，具有“弱促凝、高早強”的特性。

2.通過對不同減輕材料配制的低密度水泥漿體系進行適應(yīng)性評價，研究結(jié)果表明，納米基復(fù)合增強劑對珍珠巖、漂珠、粉煤灰低密度水泥石均有不同程度的提強作用，結(jié)合不同密度、溫度、水灰比情況下的評價實驗，進一步說明了納米基復(fù)合增強劑適應(yīng)性較強，為其推廣應(yīng)用提供了有力的指導(dǎo)與支撐。