超低密度水泥漿的粒度級配模型及應用研究

孫勤亮，付家文，楊遠光，郭鳴，齊奔，劉文明，龐茂安，岳躍展

（1.中國石油集團渤海鉆探工程有限公司第二固井分公司，天津300280；2.西南石油大學石油與天然氣工程學院，四川成都610500；3.“油氣藏地質及開發工程”國家重點實驗室·西南石油大學，四川成都610500；4.中國石油集團渤海鉆探工程有限公司工程技術研究院，天津300280）

超低密度水泥漿的粒度級配模型及應用研究

孫勤亮1，付家文1，楊遠光2，3，郭鳴4，齊奔1，劉文明1，龐茂安2，3，岳躍展2，3

（1.中國石油集團渤海鉆探工程有限公司第二固井分公司，天津300280；2.西南石油大學石油與天然氣工程學院，四川成都610500；3.“油氣藏地質及開發工程”國家重點實驗室·西南石油大學，四川成都610500；4.中國石油集團渤海鉆探工程有限公司工程技術研究院，天津300280）

針對超低密度水泥漿設計中強度較低、發展緩慢、穩定性較差等問題，結合實際工程情況，利用顆粒級配原理建立兩種顆粒級配模型，并結合該兩種顆粒級配模型通過實驗室研究優選減輕材料和添加劑。實現了以石英砂，粗、細兩種粉煤灰，空心微珠和微硅充填的四級顆粒級配減輕材料。進行了密度為1.10 g/cm3和1.30 g/cm3的低密度水泥漿的實驗優化，并進行了溫度120℃～150℃下的稠化實驗。實驗室研究結果表明，該漿體的綜合性能較好，稠化時間可調，這說明采用該兩種顆粒級配模型結合配制低密度水泥漿體系實驗設計的可靠性與實用性。

低密度水泥漿；空心微珠；顆粒級配；固井

隨著油氣勘探不斷向復雜、深部油氣藏拓展，低壓易漏井、高溫高壓井、非常規油氣井等復雜井固井對油井水泥漿體系的性能提出更高的要求[1，2]，針對超低密度水泥漿強度較低、發展緩慢、穩定性較差等問題，緊密堆積理論為此提供了新的解決途徑[3]。但是單一的顆粒級配模型不能反映實際工況下水泥漿體系緊密堆積程度，并且在實際配漿時各添加材料粒徑是一個范圍值。針對以上問題，本文將兩種顆粒級配模型結合使用，配制更符合實際要求的水泥漿體系。

1 顆粒級配模型的應用研究

常規的顆粒級配原理是采用三種或四種單一粒徑值進行級配，但是實際水泥漿配漿時所選用的添加材料的粒徑是一個范圍值，單一顆粒級配模型不能滿足實際要求。因此，本文選用兩種顆粒級配模型來改善低密度超低密度水泥漿體系（見圖1、圖2）。

圖1 確定粒徑三級顆粒緊密堆積模型

圖2 不確定粒徑四級顆粒堆積示意圖

1.1 三級顆粒緊密堆積模型各粒徑的計算

由圖1可知設一級、二級和三級顆粒的半徑分別為R1、R2和R3[4]。△ABC為等腰三角形，且∠A為30°，所以，2BD＝AB即：2R3＝（R1＋R2），可得出，則R1：R2：R3=1：0.464：0.268，由圖1可以得出粗、中、細三級顆粒體積比大致為20：3：1。

1.2 不等徑顆粒級配模型充填材料粒徑的確定

從圖2可知，在不等徑三級顆粒堆積中，三顆粒相切的中心空隙，形成了主孔隙通道。為使顆粒堆積體系孔隙率進一步降低，需進行顆粒在中心空隙處再次充填[5]。填的微粒粒徑，即為圖2中內切圓d的直徑，可通過圖中的幾何關系求得。設已知三個圓的圓心分別為a、b、c，其半徑分別為R1、R2、R3，內公切圓的圓心是d，其半徑為R。如圖2建立直角坐標系，設a（-R1，0），c（R3，0），則圓c、圓a的方程分別為：。設圓心b的坐標為（x，y）則有：

所以圓心b（x，y）的坐標為：

同理圓心d（xd，yd）的坐標為：

2 水泥漿主要材料分析與實驗器材

2.1 實驗材料粒徑的選取

本文選取的減輕材料為空心微珠，其余級配材料為粉煤灰、微硅、石英砂。由空心微珠和微硅的粒度分布可知，微硅具有雙正態分布情形，第一中值為0.16 μm～0.18 μm，第二中值為8 μm～9 μm；空心微珠Y12000的XP-1粒徑為45 μm。實驗中選取兩種粉煤灰粒徑，其粒徑范圍分別為48 μm～150 μm、22 μm～44 μm；石英砂的粒徑范圍為75 μm～150 μm。

2.2 材料級配選擇

根據前述兩種顆粒級配模型和測試的材料粒徑結果，可以得到超低密度水泥漿中各固相顆粒材料的級配關系（見表1）。

表1 超低密度水泥漿固相材料級配關系

2.3 添加劑及實驗儀器

采用中石油渤海鉆探第二固井分公司提供的添加劑：緩凝劑（BH-R101L）、調凝劑（ST-1）、消泡劑（XP-1）；四川弘晟石油工程技術服務有限公司的降失水劑（BS100L）；成都川峰化工有限公司的分散劑（SXY-2）。

江陰市保利科研器械有限公司DS-1型變速攪拌機；青島同春石油儀械有限公司ZNN-D6型六速旋轉黏度計；沈陽航空航天大學應用技術研究所OWC-9350A型常壓稠化儀，OWC-9380增壓稠化儀，OWC-9510型高溫高壓失水儀；無錫雙牛建材儀器設備廠DZE-300型數字式抗折抗壓強度實驗機。

3 水泥漿性能評價

3.1 水泥漿基本配方

根據超低密度水泥漿設計的顆粒級配模型，結合G級水泥、空心微珠、粉煤灰、微硅等的粒度及密度情況，通過實驗室研究獲得密度為1.10 g/cm3和1.30 g/cm3的低密度水泥漿基本配方如下：

（1）水泥漿密度1.10 g/cm3：超細G級水泥+0%硅粉+15%微硅+73.5%空心微珠（Y12000）+0%粉煤灰+1%分散劑（SXY-2）+0.5%調凝劑（ST-1）+6%降濾失劑（BS100-L）+0.5%緩凝劑（BH-R101L）+0.5%消泡劑（XP-1）+淡水。

（2）水泥漿密度1.30 g/cm3：G級水泥+0%硅粉+25%微硅+36%空心微珠（Y12000）+20%粉煤灰+1%分散劑（SXY-2）+0.5%調凝劑（ST-1）+6%降濾失劑（BS100-L）+0.5%緩凝劑（BH-R101L）+0.5%消泡劑（XP-1）+淡水。

3.2 水泥漿性能

（1）水泥漿流動度、失水量、自由水、穩定性等常規性能。按照基本配方，實驗室測試密度為1.10 g/cm3和1.30 g/cm3，低密度水泥漿的流動度、失水量、自由水、穩定性（密度差）（見表2）。

（2）稠化時間。按循環溫度120℃～150℃條件，測試緩凝劑對密度為1.10 g/cm3和1.30 g/cm3低密度水泥漿稠化時間的影響，結果（見表3）。

表2 超低密度水泥漿的常規性能

表3 超低密度水泥漿部分稠化時間

由表2和表3可知，密度為1.10 g/cm3和1.30 g/cm3的超低密度水泥漿的綜合性能良好，其流動度在21 cm左右波動，API失水量為86.8 mL～94 mL，密度差為0.01 g/cm3，析水量為0%，稠化時間為176 min～287min，稠化時間可調，漿體不加緩凝劑時在75℃下常壓養護48 h抗壓強度為16.4 MPa～18.6 MPa。

4 結論與認識

（1）單一顆粒級配模型不能滿足實際工程要求，并且實際選材配漿時顆粒的粒徑為一個范圍值。基于這兩種工程實際情況，采用兩種顆粒級配模型相結合的方法，為優選輕材料、石英砂、微硅和粉煤灰配制低密度水泥漿固相材料級配設計提供依據。

（2）根據兩種顆粒級配模型的結合應用，優選材料配制密度為1.10 g/cm3和1.30 g/cm3低密度水泥漿體系，通過實驗評價漿體基本性能，結果表明水泥漿流動度較好，無析水，穩定性較優，抗壓強度較高，稠化時間可調，綜合性能良好。

［1］Christian H.Innovative Solution for Cementing Across Very Low Fracture Gradient Formations［R］.SPE72286，2001.

［2］劉碩瓊，齊奉忠，等.中國石油固井面臨的挑戰及攻關方向［J］.石油鉆探技術，2013，41（6）：6-11.

［3］Debasish D，Satinath B，Jain V K.Lightweight Slurries-A Success Story of Application in Low Fracture Gradient and DepletedFieldsForImprovedCementation［R］.SPE101810，2006.

［4］張玉平，楊遠光，宋元洪，等.超高溫超高密度防氣竄水泥漿［J］.鉆井液與完井液，2015，32（4）：51-54.

［5］柳世杰.微硅水泥漿體系開發及其現場應用研究［M］.成都：西南石油大學，2012

［6］劉坤芳.注蒸氣井套管熱應力分析及管柱強度設計［J］.石油鉆探技術，1994，22（4）：12-17

［7］李立榮，等.吳忠孚.實用低密度固井水泥漿的研究［J］鉆井液與完井液，1993，（5）：62-68.

［8］郝俊芳，李自俊.固井［M］.北京：石油工業出版社，1986.

Study on particle size distribution model for ultra-low density cement slurry and its application

SUN Qinliang1，FU Jiawen1，YANG Yuanguang2，3，GUO Ming4，QI Ben1，LIU Wenming1，PANG Maoan2，3，YUE Yuezhan2，3
（1.No.2 Cement Company of CNPC Bohai Drilling Engineering Co.，Ltd.，Tianjin 300280，China；2.Oil and Gas Engineering Institute，Southwest Petroleum University，Chengdu Sichuan 610500，China；3.State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Development Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu Sichuan 610500，China；4.Engineering and Technology Research Institute of CNPC Bohai Drilling Engineering Co.，Ltd.，Tianjin 300280，China）

Aiming at the problems of low strength,slow development and poor stability in the design of ultra-low density cement slurry,combining with the actual engineering situation,based on the particle size distribution principle,two kinds of particle size distribution models are established.The two kinds of particle size distribution models are combined with laboratory studies to optimize the reduction of materials and additives.Four grade grain grading materials with quartz sand,coarse and fine two kinds of fly ash,hollow micro beads and micro silicon filling are realized.The experimental design of low-density cement slurry with density of 1.10 g/cm3and 1.30 g/cm3was carried out,and the thickening experiments at120℃～150℃were carried out.The laboratory results show that the paste has good comprehensive properties and adjustable thickening time,which shows the reliability and practicability of the two particle size distribution models combined with the design of the low density cement slurry system.

low density cement slurry；hollow microsphere；particle gradation；well cementing

TE256.6

A

1673-5285（2017）06-0093-04

10.3969/j.issn.1673-5285.2017.06.020

2017-05-27

2017-06-08