低密高強水泥漿體系室內研究

吳澤舟 李 沖 左天青 高 珊 于紅倩 李丹陽

低密高強水泥漿體系室內研究

吳澤舟1李 沖1左天青1高 珊1于紅倩1李丹陽2

（1.中石油華北油田采油工程研究院，河北 任丘 062552；2.中國石油塔里木油田分公司開發事業部，新疆 庫爾勒 841000）

針對長封固段、低壓易漏井固井質量較差的問題，通過對漂珠和微硅的優選，確定一套適合不同井底壓力的微硅漂珠復合水泥漿體系。室內研究表明，該體系具有密度低、抗壓強度高、失水量小、流變性好，稠化時間可調的特點，能有效提高長封固段、低壓易漏井的固井質量。

低密度水泥漿；長封固段；低壓易漏

隨著勘探程度的不斷深化，鉆井向更深、更復雜或更苛刻的環境延伸，長封固段井、低壓易漏失井也不斷增多。現階段，針對漏失與長封固段的解決辦法主要有兩種：一種是分級注水泥技術；另一種就是采用低密度水泥漿。然而，前者增加了鉆井時間與建井周期，使鉆井成本增加，所以現階段多選擇后者。目前，國內應用最廣泛的低密水泥漿體系為漂珠水泥漿體系。漂珠的物理化學特性使水泥石強度降低。本文以微硅作為增強材料，通過對漂珠以及微硅的優選，建立一套微硅漂珠復合水泥漿體系，從而滿足油田建設需要。

1 漂珠優選

漂珠是一種玻璃質材料，具有顆粒粒徑大、密度低等特點。漂珠低密度水泥漿的密度調節是通過漂珠摻加量的多少來決定的，通常密度可低至1.10g/cm3。

在一定壓力條件下，水泥漿中的水進入空心圓球內部或者漂珠被壓碎，會造成水泥漿密度在一定程度上增加，從而使施工作業中的風險增加。本文從漂珠的密度變化率、承壓能力等出發，對8種不同的漂珠進行室內實驗，最終優選出綜合性能優良的漂珠［1-2］。

1.1 漂珠承壓能力優選實驗

常用漂珠的產品性能參數見表1。

表1 常用漂珠的產品性能參數表

實驗方法：按照標準配置低密度水泥漿，首先測量常壓下的密度，然后放入高溫高壓稠化儀內部進行加壓攪拌，穩壓60min后，釋放壓力，取出水泥漿，再次測量其密度。

保持加量相同的情況下加入不同的漂珠配制水泥漿在10～90MPa之間進行實驗，實驗方法如上所示，在不同的壓力下，對各配方壓后密度進行測定，實驗結果見圖1。

實驗表明：①隨著壓力增大，水泥漿密度也增大；②當壓力小于20MPa，密度變化較小，在0.02g/cm3以內，當壓力在30～60MPa之間時，密度增幅加大，當壓力達到70MPa時，水泥漿密度趨于平穩，說明漂珠的破碎和空心圓球內部所容納的水已經達到極限；③相同規格參數的國產漂珠和進口漂珠相比，密度變化率較大，漂珠承壓能力較差，而且進口漂珠與國內漂珠相比，在加量相同的情況下，對水泥漿的減輕作業更強，配制的水泥漿密度更低。

圖1 不同漂珠在不同壓力情況下的密度變化曲線圖

1.2 不同類型漂珠對水泥漿性能影響

實驗方法：保持加量相同的情況下加入不同的漂珠配制水泥漿，測試漂珠對水泥漿性能影響。實驗結果見表2。

表2 不同漂珠對水泥漿性能的影響

注：基漿配方為G級水泥+懸浮穩定劑+分散劑+降失水劑+消泡劑+水+10%漂珠。

實驗表明：①國內與國外的漂珠相比，漂珠的類型對水泥漿的初始稠度、流動度、失水影響不大；②水泥漿流動性能較好，均大于18cm，初始稠度也均小于30Bc，滿足固井施工標準。

綜上所述，進口漂珠各類型指標均高于國產漂珠，但考慮進口漂珠價格昂貴，在同類型國內漂珠各項參數差異不大的情況下，優先選擇國產漂珠。

結合考慮推薦抗壓強度，當井底壓力小于27MPa時，優先選用進口1號漂珠；當井底壓力小于42MPa時，優先選用國產2號漂珠，當井底壓力小于56MPa時，優先選用進口3號漂珠。當井底壓力小于80MPa時，優先選用進口4號漂珠。

2 微硅優選與研究

漂珠顆粒的平均粒徑為150～250μm、水泥的平均粒徑為70μm。根據Furnas顆粒堆積最密實級配原理，即需要一種顆粒能填充在漂珠與水泥顆粒之間，使混合體堆積的空隙率減小，提高水泥漿整體性能。而微硅可以從兩方面增強水泥石強度，首先硅粉會參與水泥漿水化反應，增強水化產物之間的膠結作用，其次微硅平均粒徑為0.1μm，遠遠小于漂珠和水泥的平均粒徑，可以直接填充水泥與漂珠之間的空隙。

2.1 不同微硅對水泥漿性能的影響研究

目前，國內常用的微硅產于多地，但不同產地的微硅，物理性能和化學性能都有很大差異。因此，根據低密度水泥漿的要求，針對不同微硅進行優選［3］。

實驗方法：在加量相同的情況下加入不同類型的微硅，測試不同微硅對水泥漿性能的影響。對BJ-1與BD-1微硅進行對比，實驗結果見表3。

實驗表明：不同廠家的微硅對水泥漿的抗壓強度、失水影響不大，但對水泥漿的流動度及初始稠度影響較大。BJ-1微硅所配制的水泥漿流動性能較好，能更好地滿足固井施工的安全要求。

表4 微硅對水泥漿性能影響表

表3 不同廠家微硅對水泥漿性能的影響

2.2 微硅加量對水泥漿性能的影響

實驗方法：在相同條件下優選BJ-1微硅配制水泥漿，其微硅加量對水泥漿性能的影響，實驗結果見表4。

實驗表明：①漂珠低密度水泥漿24h抗壓強度為6.6MPa，微硅漂珠復合低密度水泥漿24h抗壓強度隨著微硅加量的增加而增加，當微硅加量達到一定值時，水泥石抗壓強度開始降低；②當微硅加量達到8%時，各項性能參數達到最優。

3 水泥漿體系配方優選

實驗方法：根據漂珠與微硅優選的結果，將漂珠作為減輕劑，微硅作為增強劑，加入其他外加劑，配制成一套適合不同井底壓力的微硅漂珠復合低密度水泥漿體系。配方如下：

當井底壓力小于27MPa時，配方1：G級水泥+8%微硅+懸浮穩定劑+分散劑+降失水劑+緩凝劑+消泡劑+抑泡劑+水+15%進口1漂珠；

當井底壓力小于42MPa時，配方2：G級水泥+8%微硅+懸浮穩定劑+分散劑+降失水劑+緩凝劑+消泡劑+抑泡劑+水+15%國產2漂珠；

當井底壓力小于56MPa時，配方3：G級水泥+8%微硅+懸浮穩定劑+分散劑+降失水劑+緩凝劑+消泡劑+抑泡劑+水+15%進口3漂珠；

當井底壓力小于80MPa時，配方4：G級水泥+8%微硅+懸浮穩定劑+分散劑+降失水劑+緩凝劑+消泡劑+抑泡劑+水+10%進口4漂珠。

實驗表明：微硅漂珠復合低密度4種配方在水泥漿失水量、流動度方面均能滿足施工要求；初始稠度較小，稠化時間可調（見表5）。

表5 微硅漂珠復合低密度水泥漿性能

4 結論

①漂珠水泥漿中加入增強材料微硅能有效提高水泥石抗壓強度。

②微硅漂珠復合低密度水泥漿體系失水、游離液、流動度能滿足固井施工的要求。

③根據各種漂珠承壓能力情況，可以根據不同井底壓力推薦使用相應的漂珠類型。

［1］張克堅，周仕明，張學平.微硅一漂珠復合低密度水泥漿體系在松南地區的應用研究［J］.石油鉆探技術，2004（2）：33-35.

［2］韓衛華.漂珠對低密度水泥漿的密度影響［J］.鉆完液與完井液，2004（5）：56-57.

［3］劉德平，鐘策，王群，等.微硅低密度水泥固井技術研究［J］.天然氣工業，2001（6）：65-66.

Laboratory Study on Low Density and High Strength Cement Slurry System

Wu Zezhou1Li Chong1Zuo Tianqing1Gao Shan1Yu Hongqian1Li Danyang2
（1.PetroChina Oilfield Engineering Research Institute,CNPC，Renqiu Hebei 062552；2.Development Department of PetroChina Tarim Oilfield Company，Korla Xinjiang 841000）

In view of the problem that the quality of cementing in low-pressure and easy-leakage wells is poor.Through the optimization of the floating beads and micro-silicon,to determine a set of different bottomhole pressure micro-silica floating beads composite slurry system.The results show that the system has the characteristics of low density,high compressive strength,low water loss,good rheological property and adjustable viscosity time.Can effectively improve the long sealing section,low pressure and easy leakage of cementing quality.

low density cement slurry；long sealing section；low pressure leakage

TE256.6

A

103-5168（2017）09-0100-03

2017-08-02

吳澤舟（1987-），男，本科，工程師，研究方向：固井水泥漿。