膨脹珍珠巖復合漂珠低密度水泥漿體系的應用研究

張 偉，王志剛，余 建，蔣中晟

（川慶鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司，四川成都 610051）

作為低密度水泥漿的減輕材料國內主要有漂珠、膨潤土、水玻璃、粉煤灰等[1-4]，漂珠低密度水泥漿是油田固井最常用的水泥漿體系之一,而漂珠作為減輕材料具有質輕、空心、密閉、粒細、活性好等特點。漂珠與微硅復配的低密度水泥漿具有良好的低密高強性能，在油田固井領域得到了廣泛的應用。

但漂珠作為主要的減輕材料，隨著火電廠燃煤方式的改變，漂珠的產量越來越少，而固井每年的需求量不斷增長，造成了漂珠、微硅等原材料價格不斷飆升，從而使低密度水泥漿成本直線上升。為降低固井成本，有必要另辟途徑選擇其他質優(yōu)、價廉、來源廣的減輕材料滿足低壓易漏長裸眼封固段固井需要，尋找更廣泛的能夠替代漂珠的新型減輕材料勢在必行。通過對常用減輕材料的評價與優(yōu)選，并結合粒度級配等原理[5]，以膨脹珍珠巖和漂珠作為主要減輕原料，研制出一套適合于中深井低壓易漏長封固段固井的膨脹珍珠巖復合漂珠的低密度水泥漿體系。

1 膨脹珍珠巖的特點

膨脹珍珠巖屬于火山玻璃質熔巖，屬富含二氧化硅的酸性巖類。其突出的物理性能是具有膨脹性，化學上它屬于惰性，在水中pH值大概為7左右，硬度5.2～6.4。具有較小的密度和較大的比表面積，吸水率高和保水性能強等特點[6]。膨脹珍珠巖為白色或淺灰色顆粒，無定型結晶，縐褶的蜂窩結構，其中含有大量的孔隙。膨脹珍珠巖的密度一般為2.40 g/cm3，堆積密度為0.10 g/cm3～0.20 g/cm3，孔隙間可吸存比自質量重5～6倍的水分，因此可用作水泥減輕劑。膨脹珍珠巖是一種較好的水泥外摻料，但是在低密度水泥漿體系中當做減輕材料的運用較少，國內見報道的只有膨脹珍珠巖低密度水泥漿體系在長慶油田順寧區(qū)塊應用，成功解決了該區(qū)塊固井漏失問題[7]。膨脹珍珠巖的主要化學成分與漂珠的相近（見表1）。

2 實驗材料及儀器

嘉華G級高抗硫酸鹽水泥，四川嘉華水泥廠；漂珠、增強劑，四川托陽；膨脹珍珠巖，河南信陽降失水劑SD18、懸浮穩(wěn)定劑SD85、分散劑 SD35、川慶鉆探井下作業(yè)公司。變速攪拌器，壓力試驗機，8240型高溫高壓稠化儀，7120型高溫失水儀，美國千德樂工業(yè)儀器公司；OWC-9350A型常壓稠化儀，沈陽航空工業(yè)學院應用技術研究所；DNN-D6型六速旋轉黏度計，數顯密度計，青島海通達專用儀器廠；OWC-118型雙溫強度養(yǎng)護箱，沈陽航空工業(yè)學院應用技術研究所。

水泥漿配制、養(yǎng)護及各項性能測試評價，按照GB/T 19139-2012《油井水泥試驗方法》和石油天然氣行業(yè)標準（SY/T 6544-2017）進行。

3 室內配方研究

室內對用膨脹珍珠巖當減輕材料與漂珠復配進行了實驗研究。將膨脹珍珠巖先按照25%、50%、75%、100%的比例替代漂珠復配到水泥漿中，經過大量室內實驗數據篩選，最終確定膨脹珍珠巖按照50%比例復合到漂珠中所形成的低密度水泥漿性能具有最佳的配合比和性價比，室內確定的低密度水泥漿配方（見表2）。

4 膨脹珍珠巖低密度水泥漿性能

4.1 沉降穩(wěn)定性

膨脹珍珠巖和漂珠的密度與水泥的密度相差較大，易出現(xiàn)珍珠巖和漂珠上浮，水泥下沉等分層現(xiàn)象。為解決漿體的沉降穩(wěn)定性，加入一定量的懸浮穩(wěn)定劑和超細高活性材料組成的增強劑。這些顆粒可以充填在水泥漿中，起到填充嵌實和懸浮穩(wěn)定作用，而超細顆粒周圍還能吸附大量的水分子，水分子之間通過氫鍵相互連接，使微細顆粒之間形成均勻、致密的網架結構，并與水泥中的其他顆粒吸附的水分子通過氫鍵連接，使水泥漿形成具有致密網架結構的懸浮體系[8-10]。同時采用了多元聚合物類的降失水劑，在水泥漿體內部能夠形成多點吸附，從而使水泥漿保持良好的穩(wěn)定性。其沉降穩(wěn)定性能（見表3）。

表1 珍珠巖礦石的一般化學成分與漂珠的對比

表2 不同密度的水泥漿配方

表3 低密度水泥漿沉降穩(wěn)定性實驗結果

從表3可得，利用膨脹珍珠巖作為減輕劑，通過顆粒級配緊密堆積設計的低密度水泥漿體系，在常溫和60℃條件下，穩(wěn)定性好，上下密度差最大為0.02 g/cm3，游離液為零，漿體能夠滿足固井施工要求。

4.2 靜水承壓能力

用膨脹珍珠巖復合漂珠配制的1.45 g/cm3和1.60 g/cm3這兩種低密度水泥漿，在增壓稠化儀中（60℃×35 MPa×40 min）加壓攪拌1 h后，測其密度分別增加至1.52 g/cm3和1.64 g/cm3，在加壓養(yǎng)護后，漂珠和膨脹珍珠巖會有一定程度的破損，而導致密度會有一定程度的升高。膨脹珍珠巖耐靜水壓力能夠滿足在淺井、中深井應用的要求。

4.3 流變性能

利用膨脹珍珠巖復合漂珠配制的低密度水泥漿體系的流變性能良好，其流變性能符合冪律流體，結果（見表4）。

由表4可以得出，利用膨脹珍珠巖復合漂珠配制的低密度水泥漿體系，在30℃和60℃下流變指數較高，表明水泥漿中的水泥、漂珠、膨脹珍珠巖和增強劑等材料之間能形成穩(wěn)定的網架結構，可以阻止水泥漿中易沉降顆粒的沉降和漂珠的上浮，從而保持良好的穩(wěn)定性和流動性，水泥漿體流動性能好，易于泵送和提高頂替效率，有助于固井質量的提高。

4.4 API失水及稠化時間

利用膨脹珍珠巖復合漂珠配制的不同密度的水泥漿失水和稠化時間性能（見表5）。

由表5可以得出，利用膨脹珍珠巖復合漂珠配制的低密度水泥漿體系配伍性好，稠化時間可調，凝結時間快，性能完全能夠滿足現(xiàn)場2 000 m中深井的施工需要。

4.5 水泥石的抗壓強度

水泥石具有長期穩(wěn)定的強度是確保油氣井固井質量的重要因素之一[11，12]。膨脹珍珠巖復合漂珠低密度水泥漿體系采用4種不同粒徑的材料進行顆粒級配，膨脹珍珠巖和漂珠的粒度適中，同時使用高活性的超細材料作為增強劑，它既能有效充填在水泥和其他顆粒形成的空隙之中，同時能促進和改善水泥的水化過程，增加了水泥內部的硅鈣比，提高了水泥石內部水化硅酸鈣凝膠的比例，從而使該體系具有很強的早期抗壓強度（見表6）。

表4 不同溫度的水泥漿的流變性能的實驗結果

表6 不同密度水泥漿抗壓強度

表7 膨脹珍珠巖復合漂珠水泥漿體系固井質量

由表6可以得出，膨脹珍珠巖復合漂珠低密度水泥漿體系在30℃和60℃條件均有較好的強度，同時24 h早期強度能達到低密度水泥漿的要求，能滿足后期開采的要求。

5 現(xiàn)場應用介紹

膨脹珍珠巖復合漂珠低密度水泥漿體系，在室內大量實驗基礎上，先后在哈薩克斯坦Akshabulak油區(qū)進行了6口井的應用。

該油區(qū)主要為高滲透性的砂巖，砂巖分布廣和長，在鉆井和固井期間漏失風險大。完鉆井深在1 600 m～2 000 m，井深結構 Φ244.5×750 m+Φ168.3×（1 600 m～2 000 m），固井時要求水泥返高至300 m左右或者地面。根據井況，固井設計采用兩凝水泥漿體系，領漿采用膨脹珍珠巖復配漂珠低密度水泥漿，尾漿采用常規(guī)密度水泥漿封固產層。設計領漿密度為1.60 g/cm3，尾漿密度為1.90 g/cm3。在該區(qū)域所施工的6口井，施工順利，施工中未出現(xiàn)異常情況。

候凝72 h后采用CBL-VDL測井，膨脹珍珠巖低密度水泥漿體系所封固井段，4井次優(yōu)質，2井次合格（見表7）。說明膨脹珍珠巖低密度水泥漿體系在中深井有很好的適應性和實用性，可以進行大范圍的推廣使用。

6 結論

（1）膨脹珍珠巖化學成分與漂珠相近，具有密度低等特點，可以代替漂珠作為水泥漿減輕劑，研究發(fā)現(xiàn)膨脹珍珠巖對漂珠的替代率為50%時，形成的低密度水泥漿體系性能最佳，該體系具有良好的沉降穩(wěn)定性、流動性和抗壓強度。

（2）膨脹珍珠巖相對漂珠具有明顯的價格優(yōu)勢和貨源廣泛，具有良好的經濟效益。因此在中淺井中應用膨脹珍珠巖復合漂珠低密度水泥漿，可以節(jié)省固井成本，創(chuàng)造更大的利潤空間。

（3）現(xiàn)場應用6井次，合格率100%，優(yōu)質率68%，說明該水泥漿性能完全滿足固井要求，該體系對于中淺井、易漏井、低壓井、高滲透井等具有良好的推廣應用價值。