超低密度水泥漿體系研究

劉存鵬，黃志強 (長江大學石油工程學院，湖北 荊州 434023)

劉碩瓊 (中國石油集團鉆井工程技術研究院完井固井所，北京 100195)

賈建貞 (中原石油勘探局鉆井管具工程處，河南 濮陽 457331)

超低密度水泥漿體系研究

劉存鵬，黃志強 (長江大學石油工程學院，湖北 荊州 434023)

劉碩瓊 (中國石油集團鉆井工程技術研究院完井固井所，北京 100195)

賈建貞 (中原石油勘探局鉆井管具工程處，河南 濮陽 457331)

針對低壓易漏失井的固井漏失問題，研發出一種溫度范圍45～75℃、密度范圍1.10～1.30g/cm3中低溫超低密度水泥漿體系(該水泥漿體系由水泥、增強材料、減輕材料以及固井外加劑構成)。對水泥漿體系減輕材料進行了選擇性研究，對增強材料及材料的整體粒度分布進行了優化配級研究，并對該水泥漿性能進行了綜合測試。該超低度密度水泥漿在52℃下，24h抗壓強度大于9MPa，上下密度差0.03g/cm3，流動度18cm，API失水量50ml以內，零游離液，綜合性能良好，能夠有效解決低壓易漏井固井過程中的漏失問題，保證固井施工質量。

超低密度水泥漿；增強材料；減輕材料；固井外加劑

超低密度水泥漿是以密度劃分，密度低于1.30g/cm3的水泥漿稱為超低密度水泥漿，超低密度水泥漿主要是針對易漏失低壓地層、深井長封固或全井封固、欠平衡鉆井、近平衡或平衡固井等特殊井的固井施工的漏失問題，它能夠有效地降低作用于地層的液柱壓力，能夠避免水泥漿注替過程中發生的漏失，還可以減少注水泥施工和水泥漿候凝過程中對產層的污染。目前超低密度水泥將體系還存在很多問題，突出表現為：①超低密度水泥漿體系穩定性差，體系容易分層離析；②水泥漿失水量難以控制；③水泥漿下灰困難，流動性差，泵送困難；④水泥石早期強度發展緩慢，強度低，水泥石滲透性高，易引起腐蝕性介質的腐蝕。為此，筆者開發了一種溫度范圍45～75℃、密度范圍1.10～1.30g/cm3超低密度水泥漿體系，該超低密度水泥漿可以滿足低壓易漏、長封固段固井要求，對解決固井中存在的漏失、儲層污染等難題具有重要意義。

1 技術思路

①通過選擇適宜的減輕材料，大幅度降低水泥漿密度，同時超低密度材料應該和水泥等具有較強的親和性或反應性。②增強材料的選擇，使超低密度水泥漿體系實現緊密堆積的效果，提高水泥漿中固相量。③研究適宜的分散性外加劑，水泥漿體系不增稠，滿足工程施工性能要求。

2 超低密度減輕材料的選擇性研究

目前常用的水泥漿減輕材料按其減輕原理劃為2類：第1類減輕材料為吸水增粘物質，本身密度較高，水泥漿密度取決于水灰比，不適宜超低密度水泥漿體系膨潤土、硅藻土、粉煤灰、硬瀝青、膨脹珍珠巖、火山灰、水玻璃以及一些超細粉末等；第2類減輕材料為低密度材料，本身密度較低，水泥漿密度主要取決于減輕劑本身和摻量多少，水泥漿水灰比較小，如空心玻璃微珠、漂珠等。

選擇減輕劑要根據水泥漿體系密度要求和應用條件等進行綜合考慮。筆者優選的減輕材料主要是依靠減輕劑本身來降低水泥漿密度。在相同密度下這一類的超低密度水泥漿具有水灰比小，游離液含量低、強度高和滲透率低等特點。選擇減輕材料遵循的3個原則[1]:①減輕作用明顯，密度恒定，能有效地降低水泥漿水固比，提高水泥漿的固相含量，有利于實現緊密堆積；②減輕劑應盡量選擇尺寸較小的球形材料，在摻量允許下，密度與漿體密度接近，保持水泥漿漿體穩定；③減輕材料具有反應活性，物理化學反應能對水泥漿性能有所貢獻。根據以上3個原則優選出空心玻璃微珠[2]做為超低密度水泥漿的減輕劑。

1)減輕效果試驗 根據減輕材料的選材原則，選取2種不同壁厚不同目數的空心微珠(DRL-1S,DRL-2S)作為減輕材料。在超低密度水泥漿中摻入一定量的減輕材料就可以大幅度降低水泥漿的密度，其摻量對水泥漿密度的影響見圖1(DRL-1S)、圖2(DRL-2S)。從圖1中可以看出，在超低密度水泥漿中，摻入占膠凝材料量63%的空心微珠時，水泥漿密度可降至1.10g/cm3。從圖2中可以看出，在超低密度水泥漿中，摻入占膠凝材料量66%的空心微珠時，水泥漿密度可降至1.10g/cm3。這2種減輕材料在保證強度的前提下，密度都能夠降到1.10g/cm3。因此，空心玻璃微珠減輕劑減輕效果明顯。

圖1 減輕材料DRL-1S對水泥漿密度的影響

圖2 減輕材料DRL-2S對水泥漿密度的影響

2) 承壓試驗 水泥漿配漿后測量密度，然后按程序在加壓稠化儀中45min內升溫達到75℃，分別在不同壓力下運行約1.5h，停止加熱，停止馬達，拆除水泥漿攪拌5min測密度，試驗結果如表1和表2所示。根據表1、表2可以看出，減輕材料在30MPa以下超低密度水泥漿密度變化不大(超低密度水泥漿密度差0.02g/cm3)，DRL-2S的承壓能力比DRL-1S更強。因為減輕劑承壓能力的不同,當地層壓力低于30MPa選用減輕劑DRL-1S作為減輕劑，當地層壓力低于55MPa選用減輕劑DRL-2S作為減輕劑。

表1 減輕材料DRL-1S的承壓試驗

表2 減輕材料DRL-2S的承壓試驗

3 增強材料的優化級配研究

緊密堆積設計的實質就是通過優化各組分粒子的顆粒級配，實現粒子間的緊密堆積，從而提高單位體積的固含量。筆者研發的增強材料DRB-2S是由3種粒度更細、具有合理顆粒級配的活性超細膠凝材料組成，摻入水泥漿中不僅能發生凝硬性反應，還可進一步充填水泥石孔隙，形成更加致密的水泥石，可顯著提高低密度水泥漿的強度、穩定性等綜合性能。

4 超低密度水泥漿體系及性能測試

1) 配方 水泥漿配方如下：1#-水泥+114%增強材料DRB-1S+63%減輕材料DRL-1S+(3%～4%)分散劑DRS-1S+(6%～8%)降失水劑DRF-300-1S+(2%～4.5%)早強劑DRA-1S+(165%～180%)水(1.10g/cm3)；2#-水泥+100%增強材料DRB-1S+50%減輕材料DRL-1S+(2%～4%)分散劑DRS-1S+(6%～8%)降失水劑DRF-300S+(2%～5%)早強劑DRA-1S+(145%～155%)水(1.15g/cm3)。

2)沉降穩定性能測試 水泥漿配漿后按程序在加壓稠化儀中45min內升溫達到75℃，壓力達到30MPa，然后運行約1.5h，停止加熱，停止馬達，拆除水泥漿測上下密度分布如表3所示。試驗結果表明，根據緊密堆積理論設計超低密度水泥漿后，超低密度水泥漿穩定性大幅度提高(水泥石上下密度差0.036g/cm3)，大大的提高了漿體的穩定性。

表3 超低密度水泥漿沉降穩定性測試

3)失水試驗 針對超低密度高強度水泥漿具有合理的顆粒級配分布且體系本身具有一定的降失水性能的特點[2]，使用成膜降失水劑DRF-300S(一種由有機物和無機物復合的高效降失水外加劑)，其具有降低水泥漿濾失量、防竄等性能，使用溫度范圍20～90℃，加量范圍2%～5%，能夠有效地控制超低密度水泥漿失水。從圖3中可以看出降失水劑DRF-300S的加量變化對超低密度水泥漿失水量影響。隨著降失水劑DRF-300S的增加，超低密度水泥漿的失水量逐漸減小且超過2%超低密度水泥漿的失水量急劇下降至50ml以下。從圖4中可以看出DRF-300S在不同溫度下對水泥漿失水量的影響。20～90℃溫度范圍內，加量3%超低密高強水泥漿失水性能隨溫度變化只有微小波動，且APL失水量控制在50ml以內。

圖3 不同加量降失水劑DRF-300S對水泥漿失水量影響

圖4 DRF-300S在不同溫度下對水泥漿失水量的影響

4)強度測試 由于整體水泥漿體系根據緊密堆積設計，選用適合超低密度水泥漿強度發展且不增稠的早強劑，有效地提高了水泥石早期強度的發展。從表4中可以看出密度為1.10 g/cm3超低密度水泥漿不加早強劑的情況下早期強度發展減慢，52℃養護24h水泥石的強度只有2MPa。加入不增稠的早強劑能夠有效的提高水泥石的早期強，水泥石的強度由2MPa升到9MPa。從表5中可以看出超低密度水泥漿75℃養護24h強度能后達到10MPa并且水泥石長期強度緩慢增長不衰退。

表4 超低密度水泥漿強度發展

表5 超低密度水泥漿強度長期發展

5)綜合性能測試 超低密度水泥漿配方由水泥、減輕材料(微珠)，活性增強材料，配套固井外加劑(DRF-300S、DRS-1S、DRA-1S等)組成，通過調整材料的加量和體系優化，可設計出超低密度水泥漿體系。超低密度水泥漿綜合性能良好，如表6所示。從表6中可以看出，采用減輕材料DRL-1S后，水泥漿密度雖然很低，可以達到1.10 g/cm3。使用早強劑DRA-1S能夠有效提高水泥石的早期強度，1.10g/cm3水泥石52℃，24h,強度大于8MPa，75℃下，48h,強度大于12MPa。水泥漿流動性好，流動度均大于18cm，零游離液。超低密度水泥漿API失水量均小于50ml，有利于保護油氣層，并具有一定防竄性能，超低密度水泥漿稠化時間可調。

表6 超低密度水泥漿配方和性能

5 結 語

1)選擇了適宜的超低密度水泥漿減輕材料(空心玻璃微珠)，有效的降低了水泥漿密度。

2)體系通過緊密堆積設計，開發了低密度增強材料DRB-2S，提高超低密度水泥漿的強度、穩定性等性能。

3)研究了適宜的降失水劑、分散劑、調凝劑等固井水泥外加劑，設計出了超低密度水泥漿配方。

4)超低密度水泥漿早期強度發展快，密度為1.10g/cm3水泥在52℃下,24h強度大于8MPa；在75℃下，24h強度大于10MPa；48h強度大于12MPa。稠化時間可調(300～180min)，API失水量均小于50ml，超低密度水泥漿綜合性能良好，能夠滿足低壓易漏井的固井施工安全。

[1]孫富全，侯薇，靳建州，等.超低密度水泥漿體系設計和研究[J].鉆井液與完井液，2007，24(5)：31-34.

[2]劉崇建，黃柏宗,徐同臺，等.油氣井注水泥理論與應用[M].北京：石油工業出版社,2001：132-137.

[編輯] 洪云飛

10.3969/j.issn.1673-1409.2012.01.022

TE256

A

1673-1409(2012)01-N067-04