HLA低密度水泥外摻料體系研究

王洪亮

（大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江大慶163413）

HLA低密度水泥外摻料體系研究

王洪亮*

（大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江大慶163413）

主要闡述了新型HLA低密度水泥外摻料室內(nèi)研究情況及現(xiàn)場應(yīng)用效果，實(shí)踐表明，該外摻料體系具有密度調(diào)節(jié)寬泛、有效降低水泥漿密度、水泥石強(qiáng)度高、應(yīng)用成本低、使用方便等特點(diǎn)，有效解決了低密度水泥體系應(yīng)用過程中混拌困難、成本高的問題，是油田深井全封固井、易漏井固井的重要技術(shù)保障。

低密度水泥；外摻料；固井

1　概述

目前，國內(nèi)使用的低密度是水泥體系主要分2種，一種是粉煤灰體系，另一種為漂珠體系。粉煤灰體系一般密度在1.60g/cm3以上，具有應(yīng)用成本低、適應(yīng)性廣等特點(diǎn)。漂珠低密度體系能夠?qū)崿F(xiàn)更低的水泥漿密度，且水泥石強(qiáng)度發(fā)展快、早強(qiáng)強(qiáng)度高等特點(diǎn)。但粉煤灰體系的缺點(diǎn)在于水泥石強(qiáng)度發(fā)展慢，凝結(jié)過渡時(shí)間較長。漂珠低密度水泥體系的缺點(diǎn)在于水泥漿穩(wěn)定性控制較困難，對外加劑的要求較高，且由于人造漂珠價(jià)格昂貴，導(dǎo)致應(yīng)用成本較高。結(jié)合上述2種水泥體系，考慮結(jié)合兩者的特點(diǎn)，有必要開發(fā)一種能夠?qū)崿F(xiàn)較低水泥漿密度、水泥石強(qiáng)度發(fā)展較快且應(yīng)用成本相對低廉的新型低密度水泥，而新型低密度水泥的技術(shù)關(guān)鍵主要在于研發(fā)新型的低密度外摻料體系。

低密度水泥現(xiàn)場應(yīng)用過程中，由于井底條件不同，針對水泥漿密度及其它性能要求都有很大差別，因此，現(xiàn)場應(yīng)用過程中，經(jīng)常需要調(diào)整水泥配方。與此同時(shí)，一般低密度水泥體系混拌過程中需要添加多種外摻料，且需要較長時(shí)間進(jìn)行混拌均勻。此外，不同外摻料的生產(chǎn)批次不同，造成對水泥漿的綜合性能影響較大。為方便現(xiàn)場應(yīng)用，特此考慮研發(fā)新型低密度水泥外摻料體系，現(xiàn)場應(yīng)用過程中，通過調(diào)整外摻料體系的加量及水灰比，從而獲得所需要的低密度水泥漿良好的性能，滿足油田固井現(xiàn)場應(yīng)用需求。

2　材料優(yōu)選

針對低密度水泥體系，顆粒級配方法經(jīng)過多年的室內(nèi)研究和現(xiàn)場應(yīng)用證明，具有有效提高水泥漿綜合性能的作用，而外摻料的顆粒級配是實(shí)現(xiàn)低密度水泥體系緊密堆積的重要因素，因此，材料選擇過程中，首先考慮顆粒級配是否合理，同時(shí)考慮顆粒自身的水化活性問題。不同顆粒的相互級配，不僅能夠提高水泥石的強(qiáng)度、降低水泥石滲透率，此外，還有助于提高水泥環(huán)膠結(jié)性能以及水泥漿的沉降穩(wěn)定性。因此，應(yīng)用激光粒度儀，詳細(xì)測量顆粒的粒徑大小、分布，是外摻料選擇的一項(xiàng)重要參考因素。不同顆粒的水化機(jī)理及相互間的協(xié)同作用優(yōu)劣性，也是決定水泥漿、水泥石物化性能的基本因素。

2.1減輕材料的優(yōu)選

目前常用的減輕材料主要為漂珠，但由于其特殊的物理性能及工程應(yīng)用成本，漂珠的加量要收到一定的限制，因此，低密度外摻料體系研究中，主要從漂珠和其它輕質(zhì)材料結(jié)合使用，從而降低漂珠使用量。其它輕質(zhì)材料的優(yōu)選是決定該體系應(yīng)用成本和性能的重要研究內(nèi)容。

（1）漂珠的優(yōu)選。根據(jù)目前國內(nèi)常用漂珠進(jìn)行了密度、承壓能力等性能評價(jià)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)方法：采用高溫高壓稠化儀對相同密度的低密度水泥漿進(jìn)行加壓測試，對比加壓前后水泥漿密度的變化情況，驗(yàn)證空心微珠承壓能力，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

在進(jìn)行普通工業(yè)微珠的實(shí)驗(yàn)過程中，壓力不斷下降，水泥漿密度上升至1.55g/cm3，說明該類微珠在高壓下發(fā)生破裂、滲水，增大井漏風(fēng)險(xiǎn)。T1型微珠承壓能力約30MPa，適合于2500m以內(nèi)井的應(yīng)用。T2型微珠承壓能力在78MPa以上，能夠適應(yīng)深井應(yīng)用要求，因此，選用T3作為研究的減輕劑，可配制密度1.30g/cm3以上的水泥漿。為更好提高低密度水泥外摻料在高壓條件下的應(yīng)用需求，選定T-3漂珠作為體系的外摻料。

表1　不同微珠承壓能力對比

（2）輕質(zhì)材料的優(yōu)選。為進(jìn)一步降低體系的成本及自由水的含量，對輕質(zhì)材料的水化活性要具有相對高的要求，本文結(jié)合新型減輕材料，優(yōu)選具有較好的懸浮穩(wěn)定性，較低的顆粒密度的新型輕質(zhì)材料，輕質(zhì)材料能夠有效降低水泥漿水灰比，提高水固比的作用，從而進(jìn)一步提高低密度水泥石的強(qiáng)度和沉降穩(wěn)定性。主要對比數(shù)據(jù)見表2。

表2　QZ-3對水泥漿性能影響評價(jià)

實(shí)驗(yàn)表明，該輕質(zhì)材料具有較好的水化活性、合適的顆粒尺寸及較低的顆粒密度，適合應(yīng)用于低密度水泥外摻料中。此外，該材料具有較低的工程應(yīng)用成本，能夠有效降低該體系在油田固井工程應(yīng)用中的實(shí)際應(yīng)用成本。

2.2增強(qiáng)材料優(yōu)選

漂珠及輕質(zhì)材料的水化活性同水泥本身相比還要相對較弱，為進(jìn)一步提高輕質(zhì)材料之間以及與油井水泥之間的膠結(jié)力，提高水泥石強(qiáng)度和降低水泥石滲透率的方面考慮，需要添加顆粒粒度小于普通油井水泥顆粒，且水化活性和膠結(jié)強(qiáng)度優(yōu)于油井水泥的外摻料。為此，特考慮優(yōu)選超細(xì)水泥作為增強(qiáng)材料，從而滿足技術(shù)需求。

本體系中選用特種超細(xì)水泥作為外摻料中的膠凝骨料，其主要作用有增強(qiáng)體系穩(wěn)定性及提高水泥石強(qiáng)度。在低密度水泥體系研究中，優(yōu)選超細(xì)水泥的方法主要有2方面，一是超細(xì)水泥石自身強(qiáng)度，二是超細(xì)水泥的顆粒細(xì)度。

超細(xì)水泥的化學(xué)組成同普通水泥近似，但超細(xì)水泥的比表面積一般大于3000cm2/g，顆粒的平均粒徑在1～10μm。較大的比表面積使超細(xì)水泥具有較高的水化速度，且由于顆粒間的接觸面積增加，促使其水泥石強(qiáng)度明顯高于普通水泥。超細(xì)水泥由于用途及生產(chǎn)工藝的區(qū)別，性能指標(biāo)差別較大，其主要性能指標(biāo)區(qū)別見表3。

表3　不同超細(xì)水泥性能對比

以上數(shù)據(jù)可以看出，3號超細(xì)水泥其水泥石強(qiáng)度較高，表明其具有較強(qiáng)的膠結(jié)能力。

3　懸浮材料優(yōu)選

為更好實(shí)現(xiàn)不同顆粒間的緊密堆積，提高水泥石強(qiáng)度和降低滲透率的同時(shí)，保證水泥漿沉降穩(wěn)定性，外摻料體系中，添加懸浮材料是一種必要的選擇，懸浮材料的粒徑要求盡可能小，且具有較好的懸浮能力，增加體系的切力，保證低密度水泥漿中不同顆粒能夠均勻懸浮在液相中。

目前常用的懸浮材料主要為硅灰，但不同產(chǎn)地的硅灰，不僅物理性能差別較大，化學(xué)性能更有很大區(qū)別，因此，根據(jù)低密度水泥實(shí)際應(yīng)用的要求，針對不同硅灰進(jìn)行了優(yōu)選。

微硅含有豐富的無定形SiO2（85%以上），它與水泥之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后，產(chǎn)物Ca（OH）2反應(yīng)生成低堿度較低的水硅酸鈣水化物（C/H=0.67～1.1的C—S—H），并生成滲透率較低的水泥石固化結(jié)構(gòu)。反應(yīng)式為：

Ca（OH）2+SiO2（無定形）=CSH（凝膠）

此外，微硅超微細(xì)顆粒周圍能夠束縛較多水分子，并通過能量較大的氫鍵相互連接，使顆粒之間形成均勻致密的立體網(wǎng)架，從而促進(jìn)水泥漿形成穩(wěn)定的懸浮能力，不同化學(xué)成分的顆粒形成鍵能結(jié)合，使水泥石強(qiáng)度提高，并減低內(nèi)部滲透率。國內(nèi)不同廠家的產(chǎn)品性能差別明顯，具體對比評價(jià)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4。

表4　不同產(chǎn)地微硅性能對比

通過以上實(shí)驗(yàn)分析可以得出，3號硅灰具有較高的吸附能力，且顆粒密度較低，對低密度水泥漿的懸浮穩(wěn)定性具有較好的促進(jìn)作用。同時(shí)，硅灰具有極細(xì)的顆粒粒徑，對顆粒級配、降低水泥石滲透率以及提高水泥石抗溫性、防腐性有著重要的作用。

4　外摻料加量評價(jià)

通過緊密堆積原理及顆粒的合理級配，并考慮在低密度水泥中各種外摻料的物化性能，優(yōu)選出T3微珠、QZ-3及特種超細(xì)水泥作為外摻料的主料，同時(shí)結(jié)合微硅粉，增加體系穩(wěn)定性及抗溫性。通過緊密堆積理論計(jì)算并結(jié)合室內(nèi)評價(jià)實(shí)驗(yàn)，確定不同外摻料配比。

從表5可以看出，外摻料配比為：6∶1∶1∶8時(shí)，低密度水泥石強(qiáng)度最高。因此，在應(yīng)用過程中，外摻料按該比例混配，作為最優(yōu)配比。

表5　外摻料配比優(yōu)化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

5　綜合性能評價(jià)

5.1水泥漿（石）常規(guī)性能評價(jià)

為進(jìn)一步確定HLA體系對不同低密度水泥漿體系的適應(yīng)性及工程可應(yīng)用性，針對不同密度的水泥漿，通過調(diào)整HLA體系加量，配制了1.30～1.50g/cm3低密度水泥漿體系，并針對水泥漿初始稠度、抗壓強(qiáng)度、稠化時(shí)間和API水泥漿濾失量進(jìn)行綜合性能評價(jià)，并結(jié)合降失水劑、減阻劑、早強(qiáng)劑、消泡劑、穩(wěn)定劑在低密度水泥體系中應(yīng)用，調(diào)配水泥漿性能，具體評價(jià)數(shù)據(jù)見表6。

從以上實(shí)驗(yàn)可知，不同密度水泥漿在不同循環(huán)溫度下，隨著密度的提高其抗壓強(qiáng)度也增高，且不同密度水泥石的抗壓強(qiáng)度均已超過14MPa，能夠滿足油田固井應(yīng)用需求，此外，該體系能夠有效降低人造漂珠的使用量，有效降低水泥漿體系現(xiàn)場應(yīng)用成本，其性能能夠固井施工要求，稠化實(shí)驗(yàn)曲線見圖1。

表6　在不同循環(huán)溫度下的水泥漿各項(xiàng)性能實(shí)驗(yàn)

圖1　1.40g/cm3密度水泥漿45℃稠化曲線

從圖1中可以看出，水泥漿體系的稠化曲線具有近似直角稠化的特點(diǎn)，且初始稠度較低，稠化曲線發(fā)展趨勢復(fù)合要求，明顯波動(dòng)等現(xiàn)象，能夠滿足固井施工安全的工程要求。

5.2沉降穩(wěn)定性

水泥漿沉降穩(wěn)定性是低密度水泥體系工程應(yīng)用中的重要技術(shù)指標(biāo)，是固井施工安全的重要保障，為進(jìn)一步評價(jià)HLA外摻料體系對水泥漿沉降穩(wěn)定性的影響，應(yīng)用水泥石上下密度差，評價(jià)了該體系的沉降穩(wěn)定性能。

沉降穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)應(yīng)用API標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)方式，結(jié)合水泥漿稠化儀進(jìn)行模擬井底條件稠化實(shí)驗(yàn)，養(yǎng)護(hù)成石后，針對水泥石柱進(jìn)行密度檢測，根據(jù)水泥石柱上下密度差，從而評價(jià)水泥漿在侯凝過程中的沉降穩(wěn)定性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2　沉降穩(wěn)定性示意圖

通過以上實(shí)驗(yàn)可知，通過HLA外摻料體系配制的低密度水泥漿體系有較好的穩(wěn)定性，頂部和底部密度差都小于0.02g/cm3，充分說明體系中固相顆粒分布均勻，為保證長封井固井質(zhì)量奠定良好的基礎(chǔ)。

6　結(jié)論

通過上述研究，HLA體系包括漂珠、輕質(zhì)材料、超細(xì)水泥、硅灰等合理配比，能夠有效復(fù)合成為應(yīng)用簡單、成本低廉的新型低密度外摻料體系。其中，體系中的材料及該體系具有如下特點(diǎn)：

（1）QZ-3減輕材料具有密度低水化活性高的特點(diǎn)，作為低密度外摻料使用能夠有效提高水固比及水泥石強(qiáng)度。

（2）HLA體系有效降低了人造漂珠的使用量，從而能夠有效降低工程應(yīng)用成本。

（3）HLA體系能夠應(yīng)用于1.30～1.50g/cm3低密度水泥漿體系中，水泥漿綜合性能良好，能夠滿足固井工程需求。

（4）HLA體系中，各顆粒粒徑配比理論上滿足顆粒級配需求，對降低水泥石滲透率有良好的促進(jìn)作用。

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TE2

A

1004-5716（2016）07-0063-04

2016-03-30

2016-03-30

王洪亮（1979-），男（漢族），吉林永吉人，工程師，現(xiàn)從事鉆完井工程研究工作。