高溫下加砂G級(jí)油井水泥強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律研究

王景建,馮克滿,許前富薛 雷,朱江林 中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)事業(yè)部,北京101149

隨著石油勘探開(kāi)發(fā)的不斷成熟,無(wú)論是生產(chǎn)井還是探井都在向深井、超深井發(fā)展,因此保證深井、超深井、地?zé)峋邷貤l件下的水泥石強(qiáng)度,滿足封固質(zhì)量是固井工程必須要解決的問(wèn)題。為此,張維君、王珠忠等通過(guò)建立理論模型和試驗(yàn)方法,在實(shí)踐中檢驗(yàn)了使用超聲波檢測(cè)高溫高壓下水泥石強(qiáng)度的可行性,試驗(yàn)表明這種方法具有很強(qiáng)的操作性和可靠性,而且動(dòng)態(tài)測(cè)量性能好[1]。張景富等利用超聲波強(qiáng)度測(cè)試儀、高溫高壓養(yǎng)護(hù)釜及強(qiáng)度儀等儀器,對(duì)各種不同條件下G級(jí)油井水泥石強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試,得出了在不同溫度及外加劑條件作用下的水泥石強(qiáng)度的發(fā)育及變化特點(diǎn),確立了水泥石產(chǎn)生高溫強(qiáng)度衰退規(guī)律[2];楊遠(yuǎn)光、陳大均等通過(guò)研究幾種常用油井水泥在高溫水熱條件下水泥石強(qiáng)度的衰退的規(guī)律,提出摻加適當(dāng)比例的石英砂可以抑制高溫水泥石強(qiáng)度衰退[3];楊智光、崔海清等通過(guò)檢測(cè)特定養(yǎng)護(hù)時(shí)間條件下G級(jí)水泥原漿強(qiáng)度及不同比例的硅砂加量,指出G級(jí)油井水泥石在高溫條件下強(qiáng)度衰退的臨界溫度分別為110℃和150℃;在水泥中加入硅砂可以抑制水泥石的高溫強(qiáng)度衰退,硅砂的合理加量為水泥量的30%～40%[4]。以上研究始終沒(méi)有就加入硅砂的目數(shù)對(duì)提高水泥石抗高溫衰退的規(guī)律性給出明確結(jié)論,也沒(méi)有研究水泥石在高溫一周以后甚至30d后的強(qiáng)度發(fā)育情況,為此,筆者以山東G級(jí)水泥為研究對(duì)象,利用超聲波強(qiáng)度儀研究在不同溫度對(duì)摻入不同目數(shù)硅粉的水泥石高溫強(qiáng)度發(fā)育情況進(jìn)行了研究。

1 G級(jí)油井水泥未加硅粉高溫強(qiáng)度衰減規(guī)律研究

普通硅酸鹽油井水泥中主要礦物是硅酸三鈣(C3S)和硅酸二鈣 (C2S),兩者約占礦物總量的80%左右,溫度較低時(shí)2種礦物的水化產(chǎn)物主要是C2SH2和一定量的Ca(OH)2及少量的CaCO3,這些水化產(chǎn)物有較好的力學(xué)性能[3]。筆者首先進(jìn)行了純水泥未加硅粉的高溫強(qiáng)度試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如表1。試驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)溫度超過(guò)130℃時(shí),水泥石在30d內(nèi)都有不同程度的強(qiáng)度衰減,溫度越高,強(qiáng)度衰減的越嚴(yán)重。并且水泥石強(qiáng)度的衰減并不是呈線性,而是一種幾何式加速衰退。這可能是由于溫度升高后,加速了水泥水化反應(yīng),能暫時(shí)得到較高的水泥石強(qiáng)度值,但C2S和C3S水化生成的C2SH2在高溫條件下不穩(wěn)定,發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變,形成以C2SH(C)和C2SH(A)為主體的混合物相。這2種水化產(chǎn)物強(qiáng)度較低,再加上它們?cè)诠腆w狀態(tài)下晶型轉(zhuǎn)變破壞了水泥石的內(nèi)部結(jié)構(gòu),造成高溫下水泥石強(qiáng)度急驟衰退。

表1 原漿在高溫下強(qiáng)度衰減試驗(yàn)表(水灰比0.44)

2 加砂G級(jí)油井水泥高溫強(qiáng)度發(fā)育規(guī)律研究

2.1 不同加砂量對(duì)水泥石強(qiáng)度影響

通過(guò)加入硅砂來(lái)降低水泥石中的Ca(OH)2和鈣硅比 (C/S),能有效抑制硅酸鹽油井水泥在高溫下的強(qiáng)度衰退現(xiàn)象[4]。不同加砂量對(duì)水泥石強(qiáng)度影響 (養(yǎng)護(hù)溫度為150℃)如圖1和圖2所示,結(jié)果表明,當(dāng)硅粉加量達(dá)到35%時(shí),水泥石在30d內(nèi)強(qiáng)度發(fā)展一直呈現(xiàn)上升趨勢(shì);未加硅粉的水泥石初始強(qiáng)度低,同時(shí)出現(xiàn)強(qiáng)度衰減。對(duì)比加入300目與800目硅粉的水泥石強(qiáng)度發(fā)展,加量在20%時(shí),強(qiáng)度都有不同程度下降;當(dāng)加量達(dá)到27%時(shí),強(qiáng)度發(fā)展初期都有一定的衰退,但后期強(qiáng)度發(fā)展呈現(xiàn)一定上升趨勢(shì),說(shuō)明隨硅粉含量的增加,逐步形成水泥石強(qiáng)度的二次發(fā)育;當(dāng)含量達(dá)到35%時(shí),已出現(xiàn)明顯的二次強(qiáng)度增長(zhǎng)。

分析其中的原因,可能是由于加砂水泥在高溫水熱條件下,SiO2可吸收水泥熟料水化時(shí)析出的Ca(OH)2,水熱合成CSH(B),降低了 “液相”中的Ca2+濃度,這就打破了C2SH2或C2SH(A)、C2SH(C)等高鈣水化硅酸鹽的水化平衡,它們將逐漸水化為低鈣硅酸鹽,使CSH(B)成為水泥石的主要水化產(chǎn)物,而纖維狀的CSH(B)單體高溫穩(wěn)定強(qiáng)度高,因此提高了硅酸鹽油井水泥在高溫下的強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性[5]。隨硅粉加量的提高,可以使水化平衡進(jìn)一步傾向于生成低鈣硅酸鹽,當(dāng)硅粉的加量使C/S摩爾比接近或達(dá)到1∶1時(shí),不但水泥石強(qiáng)度衰退有所緩解,而且水泥石強(qiáng)度發(fā)展呈現(xiàn)增長(zhǎng)。

圖1 加入800目硅粉水泥石強(qiáng)度發(fā)育圖

圖2 加入300目硅粉水泥石強(qiáng)度發(fā)育圖

2.2 硅粉目數(shù)對(duì)水泥石強(qiáng)度影響研究

依次選用了160目、300目、600目、800目4種常見(jiàn)規(guī)格的硅粉進(jìn)行高溫下30d的水泥石強(qiáng)度發(fā)展研究,試驗(yàn)溫度為180℃,結(jié)果見(jiàn)圖3,其中圖3(a)硅粉加量27%,圖3(b)硅粉加量35%。

研究結(jié)果表明,在高溫180℃,當(dāng)硅粉加量27%時(shí),并不能有效緩解水泥石強(qiáng)度發(fā)展的衰減趨勢(shì),粗硅粉衰減趨勢(shì)更明顯;而當(dāng)硅粉加量35%時(shí),基本上都可以保證水泥石的強(qiáng)度,160目粗硅粉仍然有一定程度的衰減,但中后期強(qiáng)度有所增長(zhǎng)。對(duì)比發(fā)現(xiàn)加入更細(xì)的硅粉,水泥石早期強(qiáng)度發(fā)展更快,強(qiáng)度高值出現(xiàn)的更早,初始強(qiáng)度更高。硅粉越細(xì),介入水泥石強(qiáng)度二次發(fā)育就越快,水泥石強(qiáng)度的二次增長(zhǎng)越明顯,越能抑制水泥石中早期強(qiáng)度的衰減趨勢(shì)。

同樣,對(duì)比圖1、圖2的試驗(yàn)結(jié)果,在養(yǎng)護(hù)溫度150℃時(shí),相同配方及養(yǎng)護(hù)環(huán)境下,800目硅粉的水泥石強(qiáng)度較300目硅粉的水泥石強(qiáng)度更高,超細(xì)硅粉在水化早期能更有效地消耗水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2晶體;促進(jìn)水泥水化速度和水化程度;充填水泥硬化漿體中的微細(xì)孔隙;改善水泥硬化漿體的微觀結(jié)構(gòu),進(jìn)而達(dá)到提高硬化漿體強(qiáng)度的目的。即硅粉的目數(shù)越高,硅粉顆粒粒徑越小,在高溫環(huán)境下早期強(qiáng)度發(fā)展越快,且硅粉目數(shù)越細(xì),水泥石強(qiáng)度的二次發(fā)展越快,水泥石抗高溫衰退能力越強(qiáng)。分析其原因,這可能是由于粒徑較大的硅粉比表面積較小,與水泥水化過(guò)程中產(chǎn)生的氫氧化鈣發(fā)生反應(yīng)時(shí),反應(yīng)速度較慢,而且反應(yīng)也不夠充分;而粒徑較小的硅粉比面積較大,有利于反應(yīng)平衡向形成低鈣硅酸鹽發(fā)展 ,因而提高水泥石強(qiáng)度效果較好[6]。

圖3 180℃時(shí)不同目數(shù)硅粉對(duì)水泥石強(qiáng)度影響

3 其他非常規(guī)水泥漿體系高溫強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律

以上主要是針對(duì)常規(guī)密度1.90SG的水泥漿體進(jìn)行研究,在中海油服水泥漿體系中使用較多的還包括PC-LET體系,即低密高強(qiáng)水泥漿體系。針對(duì)低密高強(qiáng)水泥漿體系,筆者研究了在高溫環(huán)境下加硅粉與無(wú)硅粉時(shí)的強(qiáng)度發(fā)育趨勢(shì),結(jié)果如圖4和圖5所示。結(jié)果表明,即使低密高強(qiáng)水泥漿體系含有大量的漂珠 (SiO2)成分以及添加的增強(qiáng)劑中也同樣含有較多SiO2成分,但高溫不加硅粉時(shí),強(qiáng)度仍然有不同程度的衰減。當(dāng)溫度達(dá)到130℃時(shí),強(qiáng)度衰減量7d時(shí)達(dá)到11.6%,加有30%的硅粉即使在高溫150℃下強(qiáng)度不衰減,呈現(xiàn)二級(jí)增長(zhǎng)。

圖4 無(wú)硅粉曲線圖 (130℃)

[1]張維君,王珠忠,田興杰.高溫高壓下超聲波檢測(cè)水泥石強(qiáng)度的研究 [J].微計(jì)算機(jī)信息,2009(1):75-77.

[2]張景富,徐明,閆占輝,等.高溫條件下G級(jí)油井水泥原漿及加砂水泥的水化和硬化 [J].硅酸鹽學(xué)報(bào),2008,36(7):939-945.

[3]楊遠(yuǎn)光,陳大鈞.高溫水熱條件下水泥石強(qiáng)度衰退研究[J].石油鉆采工藝,1992(5):33-39.

[4]楊智光,崔海清,肖志興.深井高溫條件下油井水泥強(qiáng)度變化規(guī)律研究 [J].石油學(xué)報(bào),2008,29(3):435-437.

[5]劉崇建,黃柏宗.油氣井注水泥理論與應(yīng)用 [M].北京:石油工業(yè)出版社,2001.

[6]桑來(lái)玉.硅粉對(duì)水泥石強(qiáng)度發(fā)展影響規(guī)律 [J].鉆井液與完井液,2004,21(6):41-44.