關于低密度高強度固井水泥漿的應用探討

摘要 為了滿足低密度條件下固井施工的要求，常用的低密度水泥漿必須被淘汰。本文就高強度超低密度水泥漿的基本性能及優勢進行的研究得知其適用的溫度范圍十分廣泛，具有穩定性好、抗壓強度高、滲透率低、防氣竄能力強、失水量易控制等優點，因此可以在更大的方面滿足低壓易漏、氣體鉆井以及欠平衡鉆井的固井要求，簡化了施工工藝，提高了施工效率。

關鍵詞 低密度高強度水泥 固井 應用

1 低密度高強度固井水泥的設計思路及組成體系組成

1.1低密度高強度水泥將的設計思路

隨著科學界對微觀力學與宏觀力學進一步的研究，一些科學工作者提出了通過緊密堆積理論及材料顆粒大小分布來提高材料宏觀力學性能的技術構想。通過調節混合物加固對象的不同顆粒的尺寸分布，進行合理級配和加工，從而使水泥漿體系能夠實現良好的孔隙充填。多種尺寸的顆粒分布的混合物緊密堆積一單位體積水泥漿含有更多的固相，從而得到高性能的水泥漿。低密度高強度水泥漿的組成是根據物料間的物理化學作用來確定的。為提高低密度水泥漿的性能，研究并確定具有一定顆粒分布的充填性好、比表面積小、表面光滑致密、本身化學性能高的礦物活性材料，不僅能夠發生自身凝硬性的反應，還能夠提高水泥漿的整體性能。高強低密度水泥漿是以線性堆積模型和固體懸浮模型為基礎的，根據緊密堆積理論進行設計。這個體系利用合理的物料顆粒級配以及對物料表面性質的改善，減少物料顆粒間的充填水和表面的潤滑水，提高單位體積水泥漿中的固相，形成更加致密的水泥石，通過超細礦物材料之間的物理作用，提高低密度水泥漿的力學性能。體系中的增強劑是由具有合理顆粒級配的活性礦物材料組成的，可在水泥中形成具有致密網架結構的懸浮體系，體系中還能夠產生細小的、均勻分布的、具有一定彈性的封閉泡沫，能夠進一步地充填、連接懸浮體系中的固體顆粒，從而使體系更加穩定。

1.2體系組成

低密度高強度水泥漿主要由油井水泥、漂珠、增強劑PZW－A及相應配套的外加劑等幾個部分組成。不同密度的低密度高強度水泥漿的綜合性能測試結果具有很大的差別。普通低密度水泥漿當中的減輕材料粒徑比較大，在減輕材料和水泥顆粒之間，存在著比較大的間隙，這樣既增大了整個體系的需水量及含水量，又降低了整個體系的密實度，使水泥漿的穩定性和水泥石滲透率受到負面影響。壓力和攪拌速度的增大會使普通低密度水泥漿的密度增大。

超低密度水泥漿選擇減輕作用明顯、球形度好的玻璃微珠作為減輕材料，它能夠顯著的降低水泥漿的密度。玻璃微珠的球形度較好，粒度均勻，從而減少了體系的需水量，使水泥漿固相含量得到了很大的提高，這樣有利于實現體系的緊密堆積，增強體系的承壓能力。玻璃微珠與超細增強材料進行合理的顆粒級配，摻入水泥漿中，不僅能發生凝硬性反應，還能夠充填水泥石孔的間隙，從而形成致密的水泥石，進而、提高低密度水泥漿的強度以及穩定性等綜合性能；同時由于充填顆粒的滾珠效應，即使在較低水固比的情況之下，也能夠使水泥漿擁有良好的流變性。

2 低密度高強度水泥的性能及固井應用

2.1具有良好的穩定性

低密度高強度水泥漿體系及沉降穩定性能良好，這是由于體系增強劑中的部分超細顆粒可以作為一種助劑懸浮水泥漿組成中的其他材料。這些超細顆粒可以充填在其他較大和較重的物料顆粒之間，連接懸浮物料；這些顆粒周圍還能吸附大量的水分子，水分子之間通過氫鍵互相連接，使超細顆粒之間形成均勻致密的網架結構，并與水泥漿組成中其他顆粒吸附的水分子通過氫鍵連接，使水泥漿形成具有致密網架結構的懸浮體系；此外，增強劑發生的水硬性反應及水泥漿發生的膠凝反應，保證了水泥漿具有良好的穩定性。

2.2具有較大的優越性

水泥石在抗壓強度相同條件下，低密度高強度水泥漿與相同密度的普通漂珠低密度水泥漿相比，水泥石的抗壓強度得到了很大程度的提高，這是由于增強劑能有效的提高整個體系的抗壓強度。增強劑由大量的活性材料組合而成，能夠產生大量的水硬性反應，提高水泥顆粒之間的膠結和水泥石強度；增強劑中的超細顆粒還能夠很好地堆積和充填在其他顆粒形成的孔隙中，這樣能夠提高混合物充填比例，形成更加致密的水泥石，進一步增強水泥石的強度。

2.3具有良好的抗腐蝕性能

對水泥石腐蝕機理的研究表明，在腐蝕性溶液中，影響水泥石耐久性的主要因素是：水泥漿由于凝結硬化而形成的水泥石物相組成中的氫氧化鈣晶體的含量及水泥石的致密性。增強劑的設計能夠在很大程度上滿足以上抗腐蝕的要求。增強劑能夠與由于水泥水化而產生的氫氧化鈣反應，形成網狀結構的C-S-H凝膠，從而消耗水泥石中的腐蝕物質，提高水泥石耐腐蝕的能力；其中不參與反應的增強劑的其他物料，能夠與水泥漿中的固相顆粒形成的良好級配和充填，形成非滲透性的、致密的、連通性差的硬結水泥石，從而阻止腐蝕性離子的侵蝕，提高了水泥石的抗腐蝕性能。

2.4具有高效的防氣竄能力

氣竄主要是由于鉆井液頂替的不完全、游離液高、失水高、水泥漿體積收縮、膠凝強度發展緩慢、水泥石孔隙度大等因素導致的，而增強劑由于本身的性能特點，能夠減小水泥石的間隙度，能夠平衡水泥柱承受的壓力、以便減少氣竄的危險；增強劑還能夠由于補償水泥漿凝結而引起的收縮，減少失水和游離液，具有較短的靜膠凝強度過渡時間，有助于防止氣竄。

利用水泥漿性能系數SPN，能夠評價水泥漿防氣竄性能。SPN的值越小，防氣竄的能力就越強。稠化過渡時間越短，失水量越小，則SPN的值越小，相應的防氣竄能力就越強。從以往的室內實驗所得數據可知，56℃下的稠化時間分別為130，155，185min的水泥漿，SPN值對應為1.76，2.30，2.64。低密度高強度水泥漿的稠化時間一般為130～160min，因此該體系具有良好的防氣竄能力。

3 低密度高強度水泥漿的優勢及固井實例

3.1固井優勢

3.1.1低密度高強度水泥漿中的增強劑，能夠有效提高并改善水泥漿的整體性能。具體表現在：減少水泥漿的游離液、失水量；縮短水泥石的收縮、候凝時間；提高水泥石抗壓強度、抗腐蝕和防氣竄的能力，并且不受溫度和環境限制。能夠在任何環境下進行固井作業。

3.1.2高性能超低密度水泥漿以低密度高強度水泥漿技術、多功能降失水劑XF為基礎進行研制，適用密度為1.0～1.30g／cm³，適用溫度范圍廣泛，體系綜合性能良好，能夠在最大程度上滿足固井施工的技術要求。

3.1.3低密度高強度水泥漿的綜合性能可以滿足低壓易漏、氣體鉆井及欠平衡鉆井的固井，達到防漏、防竄、降低成本、實現長封固段固井、簡化施工工藝等目的，對于保護油層、最大程度地開發有效產能具有重要意義。

3.2施工井實例

民40-55-6井是吉林油田民40區塊井網的一口生產井，完鉆井深1556m，油層頂底為1376～1516m，準139.7mm套管下深為1546m。鉆井設計中要求水泥漿返高到地面，加上附加量，水泥漿封固段達1546m。為了壓穩地層，防止壓漏地層，達到平衡地層壓力的目的，固井施工設計水泥封固段長一般為1560m。設計低密度水泥漿封固段0～1276m，封固段長1276m，實際施工中施工正常，沒有發生漏失、油氣竄等復雜情況。低密度水泥漿封固段長1276m(計算中環空容積誤差)，經過聲幅、變密度的電測檢驗數據表明，該井全井封固質量合格。

結語

低密度高強度水泥漿綜合性能優良，密度易調節，失水易控制，游離液低，稠化時間可調，抗壓強度高，能夠適用于高、低溫度及各種環境條件下的低密度水泥漿固井。采用低密度高強度水泥漿進行固井施工，可以大大減少施工成本，提高施工效率，加快施工進度，保證施工工程能夠在既定的范圍又好又快的完成。