新型低密高強水泥漿的研究和應用

齊智(中海油田服務股份有限公司油田化學事業部)

蓬萊19-3油田是康菲石油公司在中國最大的油田區塊，該區塊屬于淺層油氣層開發區塊，有如下幾個特點：一，地層破裂壓力底，容易漏失，二，鉆井鉆遇層數多，三，設計封固段長，四，油田井數較多，老油氣區塊壓裂層位較多，壓力竄層，造成別的油田區塊壓力異常。在2011年6月中旬，本油田區塊出現大面積溢油事故，受上述因素影響，蓬萊19-3油田的固井工藝決定采用水泥漿密度更低的人造漂珠水泥漿體系，水泥漿的密度為1.4g/cm3，取代了之前的水泥漿密度為1.5g/cm3的天然漂珠水泥漿體系。并且取得了良好的作業效果。

自2011年6月康菲石油公司在蓬萊19-3油田發生溢油事故以來，新的ODP(Overall Development Plan整體開發方案)要求控制固井時的ECD（Equivalent Circulation Density當量循環密度），以防止地層漏失以及提高水泥石強度并且保證固井質量。在漏油事故之前，蓬萊19-3油田使用1.50g/cm3的低密高強水泥漿體系，該體系將天然漂珠作為減輕劑，在蓬萊19-3油田二期使用效果良好，但該水泥漿體系在13-3/8”表層套管固井及9-5/8”技術與油層套管固井時13-3/8”套管鞋處的ECD高于的ODP要求，需要開發新型水泥漿體系，這也就是說在降低水泥漿密度的同時，水泥石強度還要有所提高。

通過對國內水泥減輕劑和增強劑的調研和實驗，研究和開發了新型低密高強水泥漿體系，也就是人造漂珠水泥漿體系。

一、新型低密高強水泥的組分

降低水泥漿的密度，開發新型低密高強水泥漿體系。減輕劑是重點，在減輕劑里加入增強劑和微硅，通過一定比率的混制，這就形成了新型低密高強水泥。在具體的現場應用中，由于對稠化時間的要求，在水泥了加入了相應的化學添加劑，這些添加劑通過與水泥的化學反應，經過一定的時間，形成了水泥石。

1.減輕劑

新型低密高強水泥漿采用的減輕劑就是人造玻璃微珠，也即PC-P62S，它具有低密度、高強度、熱穩定性好、分散性高等特點，該減輕劑在井下具有不可壓縮性，抗壓強度可達到41Mpa，完全滿足蓬萊19-3油田的作業要求，能保持全井筒液柱密度的一致性和良好的流動性。因此，它在平衡地層壓力固井中發揮著重要作用。替代了傳統的填充劑，用來減重水泥漿密度，降低作業成本、提高產品性能。

PC-P62S是一種高性能的空心玻璃微珠，是一種中空的圓球粉末狀超輕質無機非金屬材料，化學組分為硅硼酸鈣鹽，不溶于水和油，具有不可壓縮性，呈低堿性，與大多數的樹脂類物質有兼容性，有潤滑和改善流動性的功能。是近年發展起來的一種用途廣泛、性能優異的新型輕質材料。其密度在0.45～0.48 g/cm3，粒徑在2-120μm 之間，其中99%的漂珠的粒徑就聚集在2-54μm，而在8～12μm（1250目）分布最為廣泛，達到了所有漂珠總量的26%，（見圖1.1）抗壓強度可達到41M pa，熱穩定性好，溫度達到625°C以上時，空心玻璃微珠形態才可能發生變化，與硼硅酸鹽玻璃一樣，化學穩定性極強，導熱能力在0.0503～0.0934(W·m-1·K-1)@20°C之間，漂浮率達到95%以上，PH值呈堿性，在8～9.5之間，外觀為白色流動性粉末，（見圖1.2）通過大量的性能檢測試驗，選擇將此減輕劑應用于新型低密高強水泥漿體系中。

圖1.1 人造微珠的粒徑分布

圖1.2 人造微珠的物理特性

2.增強劑

增強劑的選擇需要與減輕劑的配伍性非常好，幾經更新，最終選擇了GRET1，GRET1混配的水泥漿的穩定性好，性能優，能夠與水泥和人造漂珠形成很好的“顆粒級配”（見圖1.3），水泥的粒徑大約在75μm（200目），然而粒徑為32～65μm（325目）的GRET1的含量達到了70.31%，這就使GRET1的粒徑介于水泥顆粒和人造微珠顆粒之間，有效地填補了水泥顆粒與人造微珠顆粒之間的空隙（見圖1.4），從而提高了水泥石強度，保證了固井質量。

圖1.3 人造漂珠、增強劑、水泥形成的顆粒級配

圖1.4 人造漂珠、增強劑、水泥形成的微觀狀態。

增強劑也就是CRET1，是一種具有水化活性的油井水泥外摻料，與油井水泥、人造漂珠一起使用以配制密度為1.20～1.60g/cm3的高強度低密度水泥漿。CRET1表觀性狀為灰色固體粉末，密度為2.70～2.80g/cm3，適用的溫度范圍為20～180℃(BHCT)，加量一般為20～100%(BWOC)(視水泥漿密度大小而定)，然而這種增強劑僅適宜于干混。

采用CRET1低密度油井水泥增強劑配制的水泥漿可使水泥漿達到如下技術指標，失水量：300～700ml；游離液含量：0ml；抗壓強度（70℃,21MPa,24hr）：≥14.0MPa。使得水泥石的強度大大的提高。

3.微硅

微硅的加入，大大的改善水泥石的高溫強度衰退性能，能有效提高特定養護時間條件下水泥石的強度，降低水泥石的滲透率，并且減緩了強度發育的衰退。

微硅又稱硅灰，是電爐中生產硅和硅鐵合金的副產品。微硅是以氣態形成的，并通過氣體吹入特制的集塵過濾器收集的微小顆粒，其主要化學成分為無定型SiO2（含量約85%～98%），密度為 2.1～2.4g/cm3，平均粒徑約為 0.15μm，比水泥平均半徑小100多倍，顆粒分布在 0.02～0.5μm之間。

微硅顆粒細小，具有較大的比表面積，加入水泥漿中具有較強的吸水性，因此可在一定程度上增大水灰比降低水泥的密度；由于硅灰的主要成分為無定型，因此具有很高的反應活性，能在適宜的條件下與水泥水化產物發生作用而獲得硅酸鈣凝膠或雪硅鈣石（110℃～150℃）或硬硅鈣石（>150℃）等產物，這些產物對于保障水泥石形成良好的網絡結構及骨架強度具有重要的作用。

微硅在水泥中的反應是通過與水泥漿溶液中水化作用產生的水化硅酸鈣凝膠產物及溶液中生成的氫氧化鈣的反應實現的，其最初生成的是一種水化硅酸鈣中間產物，在不同的溫度條件下將發生形態的改變，最終產生了具有晶體特征、高強度、低滲透率的水化硅酸鈣產物。

微硅能夠降低水泥漿滲透率及提高強度的另一方面原因與其顆粒細小粒徑密切相關，即由于硅灰顆粒細小能夠有效填充在水泥水化產物形成的空隙中，形成了顆粒密集堆積，在微觀上減少了空隙體積，增強了水泥的抗壓縮性能。

二、水泥漿的性能比較

1.化學添加劑

康菲蓬萊19-3油田二期大規模使用了低密高強水泥漿體系，水泥漿密度是1.5g/cm3，這種體系里的減輕劑是天然漂珠，它的粒徑大，性能穩定，在經過多年的應用后，這套體系已經非常的成熟，不論是哪個套管層次的固井，合理的化學添加劑的添加就能達到要求的稠化時間。固定了分散劑的加量，通過調節緩凝劑的加量，可以得到不同溫度下的稠化時間。具體加量見表2.1。注：此處采用干混降失水劑。

表2.1 天然漂珠水泥漿配方中各添加劑的加量

新型低密高強水泥漿的減輕劑是人造漂珠，其所調配的水泥漿密度是1.4g/cm3，在此水泥漿體系大批量應用與現場之前，經過了大量的對比實驗，我們已經全面掌握了水泥漿的性能，定量的掌握了性能和添加劑加量之間的關系，并且準確的得出了合理的添加劑的使用量（見表2.2），為后續的研究和現場應用提供了非常有利的數據支持。注：此處采用濕混降失水劑

表2.2 人造漂珠水泥漿配方中各添加劑的加量

2.水泥漿性能

雖然新型低密高強體系的水泥漿密度比原來天然漂珠水泥漿的密度降低了0.1g/cm3，但是人造漂珠水泥漿的的抗壓強度依然可以達到高的標準，以下是實驗數據的對比。由于實驗數據較多，現選取具有代表性的實驗進行比較，見表2.3。

表2.3 天然漂珠與人造漂珠水泥漿的性能比較

三、應用

1.新型水泥漿的現場應用

蓬萊19-3-B20ST02井是一口定向井，最大井斜達到45°，鉆井完鉆井深：1704.78米，垂深1477.08米，鉆井過程中鉆井液的密度為1.14g/cm3。井身結構：9-5/8”CSG@886.5m，L.H Depth@787.85m，7”liner@1698m。

該井固井的技術難點是，此區塊屬于典型低壓易漏油氣層，是以往固井漏失最為嚴重平臺之一，在B平臺之前的固井作業中，很多的尾管固井作業都發生漏失，進而導致固井質量極差，因此防漏是固井成敗的關鍵。經過討論后決定，固井作業選用了新型低密高強水泥體系。

2.作業結果

固井作業后，電測顯示低密度固井聲幅均在10%以內。其封固質量甚至好于常規水泥封固質量。其優異的防竄、防漏性能得到驗證，固井質量圖見圖3.1

圖3.1 蓬萊19-3-B20ST02井固井質量圖

小結

1.低密度高強度水泥漿可用于長封固段易漏井的固井施工，具有穩定性好、強度高、候凝時間短等特點，能有限地減少井漏的發生。

2.低密度高強度水泥漿可形成良好的顆粒充填和級配，具有更緊密的網狀結構，可形成更為致密的水泥石，堵塞氣體的運移通道，達到防氣竄的目的。

3.低密度高強度水泥漿體系綜合性能良好，可以完全滿足固井現場施工要求。

通過一系列的實驗，得出了具體的實驗配方，然后進行了大量的復核實驗，最后經過多方協商，進行了現場的大樣實驗，大樣實驗為后面的推廣提供了有力的技術支持，從現場發現的問題中，調配了最優的體系配方，使得其更適合蓬萊19-3油田的具體地層。并且發現了在輸灰過程中的損耗量，明確了人才漂珠等混材的附加量，以及在現場混配水泥漿時，需要注意的一些細節，這些寶貴的經驗為后面的大面積應用提供很多的技術支持。

[1]商勇李坤史鴻祥 低密度水泥漿固井技術研究與應用鉆井液與完井液2004年(第21卷)第4期.

[2]文湘杰宋艷霞李寶東常煥強低密高強度水泥漿在下二門油田的應用河南石油.2004年(第18卷)第5期.

[3]孫富全林恩平路寧賈芝低密高強水泥漿在陜242井的應用鉆井液與完井液 2002年(第19卷)第3期.