超低密度水泥漿體系設計與室內研究

韓 婧

(中石化華北石油工程有限公司 技術服務公司，河南 鄭州 450000)

我國低壓易漏失復雜油氣井在長慶油田、塔里木油田、吉林油田、大牛地氣田等廣泛分布，例如異常低壓油氣層鄂爾多斯盆地北部大牛地氣田的氣層壓力梯度小于1.0 g/cm3，其中一些薄弱地層要求水泥漿密度低至1.20 g/cm3，故超低密度水泥漿對于油氣層的保護和固井質量的提高具有重要意義。但國內外超低密度減輕材料成本較高，且各油田嚴格要求固井全井段封固、水泥漿返出地面，造成低密度水泥漿用量增大，進一步導致固井成本增加，而市場環境下勘探開發成本大幅縮減，造成超低密度水泥漿性能和成本之間的矛盾尤為突出，得不到廣泛應用。例如密度低于1.30 g/cm3的水泥漿通常采用空心玻璃微珠作為減輕劑，該種水泥漿體系性能較好、密度較低，但是成本很高，推廣應用難度大[1-2]。綜上，以降低成本兼顧性能為目標，本文采用了3種性能不同的低密度材料開發出一種復合低密度減輕劑HBJQ-1，采用HBJQ-1作為減輕劑，可形成成本低廉、性能優良的1.15～1.25 g/cm3超低密度水泥漿，實現大規模生產應用。

1 低密度復合減輕劑的制備

1.1 材料選擇

在低密度水泥漿體系研究過程中，外摻料的優選是最重要的工作環節之一。結合常用的低密度減輕劑種類，按照以下優選原則，優選與水泥復配效果好且強度高的減輕劑及填充顆粒。1)優選減輕作用明顯，密度恒定，能有效降低水泥漿水固比，提高水泥漿固相量，利于實現緊密堆積的減輕劑；2)優選顆粒尺寸較小的球形材料，在摻量的允許下，密度與漿體密度相接近，保持水泥漿漿體穩定的減輕劑；3)優選抗壓強度較高，能滿足施工要求的減輕劑；4)優選具有反應活性，物理化學性能對水泥漿性能有貢獻的減輕劑[3-4]。

當多種材料混摻時，根據特定的需要可以采取負面影響相制約或補充、正面影響相激勵等不同的協調材料自身的性質和特點來選擇配制材料組分，結合上述內容，本文優選了兩種減輕劑A、B，一種懸浮穩定劑C，三者按照一定的比例進行復配，形成復合低密度減輕劑HBJQ-1。其中A是一種中空球狀粉末物質，密度小,成本低，在降低水泥漿密度的同時有效控制成本增幅；B是一種人造空心微珠，具有質量輕、體積大、抗壓強度高、流動性好等特點，既能滿足降低水泥漿密度又能保證其具有較好的強度；其物理性能參數如表1所示；C是一種高吸水材料，主要成分是SiO2，密度約為2.5 g/cm3，比表面積約為16～20 m2/g，吸附能力強，使微細顆粒之間形成均勻致密的網架結構，進一步完善水泥漿的沉降穩定性，減少漿體的沉淀、分層現象，并提高了水泥石的抗壓強度和抗滲能力。

表1 減輕劑A、B的物理性能參數

1.2 緊密堆積

復合低密度減輕劑作為外摻料與水泥同時使用，添加一定劑量的油井水泥外加劑，形成一定密度的水泥漿體系，因此，在設計復合低密度減輕劑中三種物質的比例時，首先根據水泥與三種物質之間的最佳堆積率進行計算各固相之間的比例。根據物質A、B、C與水泥的粒徑分布(如圖1所示)得出物質A粒徑最大，作為第一級填充；物質C顆粒最小，作為最后一級填充。根據多元連續顆粒體系緊密堆積理論模型，以最高堆積密實度為原則，采用VB編程進行計算，設定目標漿體密度為1.20 g/cm3,根據各物質需水量設定水灰比為1.2，計算結果如表2所示，水泥組分占比50%～60%，復合減輕材料中三種物質中物質B和C占比越大，堆積率越大。

表2 堆積率計算

水泥/%A/%B/%C/%堆積率6320890.763562226100.769861208110.776150208200.8499

顆粒體緊密堆積與顆粒體或顆粒制品的性質有密切的關系，加上顆粒間復雜的作用力等諸多因素的影響，很難用準確的數學模型來描述各種粒度分布和堆積率的關系。根據顆粒級配理論指導實踐中得出的以下結論：較細顆粒的數量，應足夠充填于緊密排列顆粒構成的空隙中，當有三種組分堆積時，三級堆積顆粒的數量比為7 ∶1 ∶2時，當有兩個組分堆積，粗細顆粒數量比為7 ∶3時，水泥漿的穩定性較好[4-6]。筆者結合長期實踐中積累的部分經驗和計算結果進行一定比例的抗壓強度實驗，進一步確定復合減輕劑中三種物質的比例。

1.3 抗壓強度

在上述顆粒級配計算的基礎上，采用水泥與物質A、B、C按照一定比例進行混配，在相同漿體密度條件下，固相物中水泥占比58.8%，復合低密度減輕劑占比41.2%，液固比110%。結合堆積率計算結果，進行5組固相基礎配比實驗，考察各配比的抗壓強度情況，實驗結果如表3所示。由表3可知，復合低密度減輕劑中物質B和物質C的比例增大，抗壓強度相應增高；物質A占比相同時，物質C比物質B比例高，抗壓強度相應增高。綜上，結合抗壓強度及顆粒級配計算分析，物質C粒徑較小，可填充至物質A和B之間，使結構更致密；因此，采用物質A、B、C的比例為5 ∶4 ∶5進行復配，開發復合低密度減輕劑HBJQ-1。

表3 固相基礎配比抗壓強度

2 超低密度水泥漿體系綜合性能優化

2.1 早期強度

超低密度水泥漿液固比較大，強度發展緩慢，本文針對超低密度水泥漿特性優選了促凝早強劑XJQ-2，該材料是由幾種有機物和無機物復合的化學增強劑，在中低溫條件下，使C-S-H成為更開放的絮凝結構，增大滲透率，增加Ca(OH)2在水相中的溶解度，縮短水泥漿的候凝時間，提高水泥石早期強度。通過調節早強劑XJQ-2的加量，分別測試密度1.20 g/cm3和密度1.15 g/cm3水泥漿在70 ℃條件下養護24 h、48 h水泥石的抗壓強度，測試結果如表4所示。由表4可以看出，不添加早強劑的密度1.20 g/cm3水泥石養護24 h的抗壓強度為4.5 MPa左右，強度隨著早強劑XJQ-2摻量增加而增加，在加量2%以上時，強度增加較為顯著；不添加早強劑的密度1.15 g/cm3水泥石養護24 h的抗壓強度為4.85 MPa左右，強度隨著早強劑XJQ-2摻量增加而增加，在加量3%以上時，24 h強度增加較為顯著，48 h 的抗壓強度為增幅較為緩慢。這是由于XJQ-2對早期強度的影響比較顯著，且密度1.15 g/cm3水泥漿中的水泥組分較少，液固比較大，強度較弱。因此，密度1.20 g/cm3水泥漿采用XJQ-2的摻量為2.5%，密度1.15 g/cm3水泥漿采用XJQ-2的摻量為3.5%。

表4 早強劑XJQ-2不同加量對抗壓強度的影響

2.2 濾失性能

固井施工時，水泥漿在壓力下經過高滲透地層時將發生“滲濾”。水泥漿濾液進入地層，導致水泥漿失水，流動性變差，同時造成不同程度的污染儲層；超低密度水泥漿因液固比較大，濾液較多，因此需要在水泥漿中加入降失水劑。本文優選了降失水劑XJL-2，該種降失水劑是一種新型的交聯聚合物，利用高分子聚合物材料在水泥漿中吸附于水泥顆粒表面，互相交聯后在水泥漿體系中形成交聯網絡，在水泥漿與地層之間存在一定壓差時于界面處形成致密的濾餅，降低水泥漿的濾失量，沒有明顯的增稠現象。XJL-2加量對1.20 g/cm3水泥漿濾失性能的影響如表5所示，XJL-2加量超過5%后降濾失效果較為減弱，結合超低密度固井施工要求及成本控制，失水量控制在100 mL內，采用XJL-2的摻量為4.5%。

表5 降失水劑XJL-2加量對水泥漿濾失性能的影響

2.3 耐壓性能

復合減輕劑HBJQ-1中的物質A是一種空心球狀顆粒，自身密度較低，加入水泥漿后可能造成水泥漿的耐壓性能較差，施工過程中水泥漿在井內受壓后密度增高等現象。因此，采用復合減輕劑HBJQ-1與水泥分別配制成密度1.15～1.25 g/cm3的水泥漿配方，通過增壓稠化儀在70 ℃、30 MPa條件下養護30 min，測試養護前后的密度變化。如表6所示，采用HBJQ-1制備的密度1.15～1.25 g/cm3水泥漿配方經過加壓養護后，密度變化最大為0.02 g/cm3，隨著漿體密度降低，HBJQ-1的加量增大，養護前后的密度差相應增大；為更好地對比，采用漂珠制備密度1.30 g/cm3水泥漿配方，加壓養護后密度增加0.03 g/cm3。因此采用HBJQ-1制備密度高于1.15 g/cm3的水泥漿耐壓性良好(1#～4#水泥漿配方：G級水泥+HBJQ-1+水+XJQ-2)。

表6 水泥漿加壓養護密度變化

2.4 稠化性能

為保證超低密度水泥漿體系的稠化時間，確保施工安全，采用緩凝劑XJH-2將稠化時間控制在設計要求范圍內。XJH-2是一種有機復合物緩凝劑，吸附于水泥水化產物表面，此吸附層可以屏蔽水泥顆粒與水的接觸從而降低水化速度、延長稠化時間，稠化時間與加量呈線性單調關系。因早強劑XJQ-2具有一定的促凝作用，本文在已添加早強劑XJQ-2的水泥漿配方中采用緩凝劑調整稠化時間。稠化時間如表7所示，三種密度的水泥漿配方的稠化時間均隨緩凝劑XJH-2摻量增加而延長，線性相關性良好；3#配方比2#配方中的早強劑XJQ-2摻量大，緩凝劑摻量也相應增大才能延長相應的時間。

表7 緩凝劑不同加量對水泥漿稠化時間影響

2.5 綜合性能

以油井G級水泥、復合減輕材料HBJQ-1作為主體干混材料，適當增大水灰比降低密度，同時選擇其他配套油井水泥外加劑，兼顧成本與性能，最終形成1.15～1.25 g/cm3水泥漿體系[7]。該水泥漿穩定性良好，上下密度差小于0.02 g/cm3，濾失量可控，考慮盡可能降低成本的前提下，失水量控制為 100 mL 以內，24 h強度能達到4 MPa以上，以1.15 g/cm3水泥漿為例，如表8所示。該體系滿足封固要求且成本低廉，在性能相差不大的前提下，比常規采用玻璃微珠的1.15 g/cm3超低密度體系成本降低40%。

表8 1.15 g/cm3水泥漿體系綜合性能參數

2.6 成本評價

以1.15 g/cm3超低密度水泥漿體系為例進行成本核算，分別以玻璃微珠和復合減輕劑配制1.15 g/cm3超低密度水泥漿體系，體系單價如表9所示。玻璃微珠超低密度水泥漿體系單價5 704元/m3，復合低密度減輕劑體系單價3 505元/m3，相比玻璃微珠體系成本下降39.6%。

表9 1.15 g/cm3超低密度水泥漿體系成本評價

3 結論

1)實驗數據表明，采用適量的減輕材料及高吸水物質復配開發的復合減輕劑HBJQ-1，輔以相應的油井水泥添加劑，利用緊密堆積理論配制出了1.15～1.25 g/cm3超低密度水泥漿，漿體性能優良，解決了超低密度水泥漿存在的漿體穩定性差、早期強度低、加壓條件下密度增大等問題,具有良好的施工性能。

2)超低密度水泥漿密度降低主要依靠優質的減輕材料，密度降低伴隨著成本增加，采用復合減輕材料配制密度低于1.20 g/cm3超低密度水泥漿，成本比行業內常見的玻璃微珠水泥漿體系降低40%，價格低廉，具有良好的應用前景。