新型實心低密度水泥研究

雷鑫宇，陳爽，陳大鈞，齊志剛，李卉，楊武

(1.中國科學院成都有機化學研究所，四川成都 610041;2.西南石油大學化學化工學院，四川成都 610500;3.中國石油長城鉆探鉆井液公司歡喜嶺項目部，遼寧盤錦 124010;4.中國石化勝利油田鉆井工藝研究院，山東東營 257000)

低密度水泥漿對于易漏失低壓井段、深井長封固井段和欠平衡鉆井井段等特殊井、復雜井的固井施工具有良好的適用性［1-2］。目前國內外常用的低密度水泥漿體系主要有微硅低密度水泥漿體系、泡沫水泥漿體系和漂珠低密度水泥漿體系。微硅低密度水泥因對微硅品質要求較高而成本偏高;泡沫水泥穩定性較差，存在安全隱患;漂珠耐剪切性不足，導致井下密度和設計密度不符。除此之外，3種低密度水泥漿的失水量均偏大，造成地層污染嚴重。

本研究室長期從事固井水泥漿體系設計與應用研究工作［3-4］，與勝利油田鉆井工藝研究院合作開發的實心低密度水泥漿體系已進入施工籌備階段［5］。本文在此基礎上，通過對實心減輕材料合成和水泥體系的優化，進一步提高了該新型實心低密度水泥的性能。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

嘉華G級高抗硫油井水泥、微細水泥、微硅JM-1、漂珠 PZ-1、早強劑 CK2-1、海泡石 HPS-1、活性SiO2S-1、分散劑SWJZ-1、降失水劑SWJ-4和SWJ-7、緩凝劑SWH-1、增韌劑X-1、表面活性劑TC-WT均為工業品;環氧氯丙烷、羥甲基雙酚A、二乙烯三胺等均為分析純。

API水泥實驗全套裝置;DFC-0710B型增壓稠化儀;OWC-750型恒溫養護釜;NYL-300型壓力機;SD-75C型數顯抗折強度試驗機。

1.2 實心減輕材料DJ-2的合成

1.2.1 基料合成 反應瓶中依次加入環氧氯丙烷、羥甲基雙酚A和表面活性劑TC-WT，于80℃攪拌0.5 h。降溫至70℃，在3 h內滴加30%的 NaOH水溶液35 mL，滴畢，升溫至80℃，反應2 h，得透明的油狀液體;經萃取，蒸餾，干燥得白色基料。

1.2.2 DJ-2合成 于室溫攪拌下在反應瓶中依次加入白色基料、S-1、HPS-1和TC-WT，升溫至80℃，加入二乙烯三胺15 g，反應1 h。降溫至60℃繼續反應2 h。將產物干燥，粉碎、過篩，得深黃色固體，即實心減輕劑DJ-2。

1.3 水泥性能評價

水泥漿配方見表1。

表1 水泥漿配方Table 1 Grout formulations

1.3.1 密度穩定性 用配方1和2配漿，經高速攪拌機拌漿后，分別測試實際密度，計算密度差值。

1.3.2 失水量 按照行業標準 SY/T 6544—2010《油井水泥漿性能要求》，改變降失水劑種類和加量，優化水泥漿體系的失水性能。

1.3.3 稠化曲線 在70℃，40 MPa下測試水泥漿體系的稠化曲線，考察配伍性。

1.3.4 力學性能 按照國家標準 GB/T 19139—2012《油井水泥試驗方法》，測試水泥試件于75℃養護24 h和72 h后的抗壓強度和抗折強度。

2 結果與討論

2.1 密度穩定性

表2為拌漿速度對水泥體系密度的影響。

表2 拌漿速度對水泥體系密度的影響Table 2 Effect of mixing speed to cement density

由表2可知，配方1的實際密度基本不受拌漿速度的影響，與設計密度吻合度較高;配方2的實際密度受拌漿速度影響較大，高速攪拌下，部分漂珠破裂進水，密度升高。因此，配方1的密度穩定性優于配方2。

2.2 失水量

表3為失水量的優化。

由表3可知，纖維素型降失水劑SWJ-4對實心低密度水泥漿的失水量控制不如成膜型降失水劑SWJ-7好。為降低水泥漿對地層的污染，優選SWJ-7作為低密度水泥漿的降失水劑，加量在1.5%左右。

表3 降失水劑的優化Table 3 Optimization of fluid loss agent

2.3 稠化曲線

圖1為密度1.35 g/cm3的實心低密度水泥的稠化曲線。

由圖1可知，水泥漿稠化過程無“鼓包”或者“階梯”情況出現，從30～100 Bc呈現直角稠化特點，稠化時間可調。

圖1 實心低密度水泥稠化曲線Fig.1 Thickening curves of solid low-density cement

2.4 力學性能

表4為實心低密度水泥石的力學性能。

表4 實心低密度水泥石力學性能Table 4 Mechanical properties of solid low-density cement

由表4可知，相同密度下，實心低密度水泥石的力學性能優于DJ-1實心低密度水泥石和漂珠低密度水泥石。養護72 h后，配方1的抗壓強度高出配方2，超過20%，抗折強度高出11%。

3 結論

(1)通過對合成減輕材料的原料的表面改性，引入更多親水基團，同時復配親水顆粒作為填料，提高了減輕劑與水泥的親和性，減輕劑耐剪切。

(2)通過優化降失水劑，減少了實心低密度水泥漿體系對地層的污染。

(3)75℃養護72 h，實心低密度水泥石抗壓強度和抗折強度分別較漂珠低密度水泥石高20%和11%。

［1］羅發強，郭小陽，楊遠光.一種新型天然類火山灰低密度水泥漿的實驗研究［J］.天然氣工業，2004，24(2):51-54.

［2］何育榮，彭志剛，馮茜.高強塑性水泥漿實心減輕材料FXW室內研究［J］.鉆井液與完井液，2006，23(6):50-52.

［3］雷鑫宇，陳大鈞，張直建，等.纖維-自修復水泥改善固井質量研究［J］.科學技術與工程，2013，13(19):5597-5599.

［4］雷鑫宇，陳大鈞，李小可，等.油井水泥緩釋自修復技術研究［J］.鉆井液與完井液，2013，30(5):60-62.

［5］楊武，陳大鈞，李小可，等.新型高強復合材料減輕劑YW-1 的室內研究［J］.鉆井液與完井液，2013，30(6):58-60.