微硅低密度固井水泥漿力學強度發展規律研究

肖偉，王金星，陳宇，黃峰，田進

（1.中海油田服務股份有限公司油田化學研究院，河北 廊坊 065201；2.中海油田服務股份有限公司油化事業部湛江作業公司，廣東 湛江 524057）

近年來，深海油氣資源由于儲量較大，已成為各國能源勘探和開發的重點與熱點[1-3]。我國海洋油氣資源十分豐富，南海石油地質資源量在2.3×1010～3.0×1010左右，天然氣總地質資源量約為1.6×1014m3，占中國油氣總資源量的1/3，其中70%在深水海域[1,4]。對深水油氣資源進行高效的開發對于保障國家能源戰略安全具有重要的經濟價值和社會意義。然而，相比于常規陸上固井，深水表層固井面臨低溫、低壓易漏等問題[5-7]。

針對深水固井作業中所面臨的挑戰，國內外研究者已經研發出多種深水低密度固井水泥體系，主要包括：快凝石膏水泥體系、緊密堆積水泥體系、高鋁水泥體系、泡沫水泥體系、活性減輕劑填充水泥體系（微硅、礦渣、偏高嶺土、粉煤灰）和液態膠體填充水泥體系等[7-13]。其中，微硅水泥漿體系由于漿體性能穩定、密度可調節范圍大、在低溫下有較高強度等優點，因此，適于低壓、低溫、易漏地層的固井[14]。微硅對波特蘭水泥的性能有較好的改善效果，可使水泥孔結構得以加固，基質更加致密化，在與游離石灰（氧化鈣）反應后，可產生額外的水化產物[15]。將微硅摻入水泥漿中可提高水泥石的抗滲性能，增加水泥石的強度[16]。Grutzeck 等[16]研究表明，微硅與含氫氧化鈣的水接觸時會吸水生成一種粘性的膠狀硅酸，這種膠狀硅酸可與氫氧化鈣反應，生成更趨致密的水硬性硅酸鈣水合物。Cheng 和Beirute[17]研究發現，微硅主要通過限制水泥體內的孔隙流動，以起到防止氣竄的作用。同時，由于微硅顆粒本身較為細小，可聚集充填在水泥孔隙中，改善水泥石的微觀結構，形成氣密水泥并防止氣侵，提高水泥石的抗滲性能。微硅的摻入能起到“成核”作用和“填充效應”[18]，對水泥石抗壓強度的發展起促進作用[19]，對改善水泥基材料性能具有重要意義[20]。

微硅對水泥漿性能的促進作用毋庸置疑?？箟簭姸茸鳛樵u價固井質量的重要參數，針對不同微硅摻量與水泥石抗壓強度之間的關系展開研究具有重要意義，然而，相關的研究卻鮮見報道。為此，本文通過宏觀和微觀測試，研究了微硅測試了摻微硅低密度水泥漿的抗壓強度，結合線性回歸對抗壓強度與微硅摻量之間的關系進行了擬合，并通過計算機斷層掃描(CT)和掃描電鏡(SEM)對微硅低密度水泥漿的強度影響機理進行了分析，以期為抗壓強度的預測及固井現場作業提供借鑒。

1 實驗

1.1 實驗材料

實驗用到的材料包括：山東G 級油井水泥（密度為3.15 g·cm-3）、馬鞍山漂珠（密度為0.60 g·cm-3）、微硅（密度為2.20 g·cm-3）。其中，漂珠主要起到降低漿體密度的作用。材料的粒度分布由英國馬爾文Malvern Mastersizer-3000 型激光粒度分析儀測得，如圖1 所示。材料的表面形貌圖如圖2 所示。

圖1 固相粉體材料粒度分布

圖2 粉體材料顆粒形貌圖

實驗用到的液體外加劑包括：降失水劑（G86L）、分散劑（F45L）和消泡劑（X60L），實驗用水為人工海水。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品制備

在進行油井水泥的配方設計時，需要考慮固相粉體材料的影響以及功能性液體外加劑的影響。其中，固相粉體材料影響水泥石的物理力學性能，而液體添加劑主要影響漿體的綜合性能。本文主要為探究不同微硅摻量（占水泥質量分數分別為0%，2%,5%,10%,15%）對水泥試樣抗壓強度和微觀結構的影響，在進行配方設計時，保持水泥：漂珠：液體添加劑的比例不變，通過調整微硅（BWOC）和水灰比配制密度為1.50 g·cm-3的水泥漿體系，水泥漿配方如圖表1 所示。

表1 水泥漿各材料配比

參照GB/T 19139—2012《油井水泥試驗方法》配制水泥漿。在制樣過程中，實際攪拌速度為4 000 r·min-1，以防止漂珠剪切破碎。待水泥漿配制好后，一部分漿體用于流變性測試，另外的漿體分別澆筑于50.8 mm × 50.8 mm ×50.8 mm 的帶蓋板的立方體銅制模具中（用于強度測試）和1 mL 注射器內（用于CT 掃描分析），并放在20 ℃的水浴養護釜中進行養護，待養護至規定齡期（1 天、7 天和14 天）后，進行抗壓強度測試和CT 掃描測試分析。

1.2.2 水泥石抗壓強度測試

選用力學強度試驗機測試標準立方體樣品（50.8 mm × 50.8 mm × 50.8 mm）的抗壓強度，每次測試4 個樣品，并取平均值。

1.2.3 水泥石微觀孔隙結構測試

采用數字巖心三維結構透視與分析CT 系統（如圖3 所示）掃描測試注射器中樣品的微觀結構，采用Avizo 軟件提取分析水泥石的三維孔隙信息（孔隙率）。

圖3 數字巖心三維結構透視與分析CT 系統

1.2.4 水泥石斷面形貌顯微觀測

待強度測試完成，選取部分破碎樣品用錘子進一步敲碎。選取相對平整的樣品，浸入無水酒精中浸泡7 天。然后取出在50 ℃的真空干燥箱中烘干至恒重，采用SEM 對樣品進行顯微觀測。

2 結果與討論

2.1 不同微硅摻量對水泥石抗壓強度的影響

圖4展示了不同微硅摻量條件下水泥石在1天，7 天和14 天的抗壓強度。相比于未摻微硅的空白組W1，W2、W3、W4、W5 在1 天的抗壓強度分別增加了4.68%、5.57%、39.42%和48.11%，在7 天的抗壓強度分別增加了3.46%、6.79%、13.97%和19.49%，在14 天的抗壓強度分別增加了0.76%、2.32%、16.60%和17.86%。隨微硅的加入，水泥石在不同水化齡期的抗壓強度均有明顯提高。微硅摻量越高，水泥石抗壓強度增長幅度越大。隨水化齡期的增加，摻微硅的水泥石的抗壓強度相對于空白組的增長率相對下降。由此可以看出，微硅可以增強水泥漿在低溫條件下的性能表現，促進水泥石早期力學強度的發展。

圖4 微硅對水泥石抗壓強度的影響

2.2 抗壓強度與微硅摻量的線性回歸分析

為進一步探索不同微硅摻量對水泥石抗壓強度的影響規律，采用一次線性方程和二次線性方程擬合了微硅摻量和抗壓強度的關系，結果如圖5 所示。

圖5 抗壓強度隨微硅摻量的變化關系

由圖5(a)可知，水泥石的抗壓強度與微硅摻量具有很強的一次線性相關性。在1 天水化齡期時，抗壓強度和微硅之間的關系可用擬合方程y= 0.159x+ 4.352,R2= 0.927 表示，其中y為抗壓強度，單位為MPa；x為微硅摻量（BWOC），單位為%；R2為擬合方差，無量綱。在7 天水化齡期時，y= 0.202x+ 15.671,R2= 0.997。在14 天水化齡期時，y=0.417x+ 29.711,R2= 0.899?？箟簭姸扰c微硅質量分數呈正相關。隨水化齡期的增加，斜率逐漸增加，微硅對水泥石后期抗壓強度的促進作用大于早期齡期。水化齡期越高，促進作用越明顯。

同樣地，在圖5(b)中，也可以得出類似的結論。由圖5(b)可知，水泥石的抗壓強度與微硅摻量具有很強的二次線性關系。在1 天水化齡期時，抗壓強度和微硅之間的關系可用擬合方程y= 0.001 4x2+0.138x+ 4.388,R2= 0.929。在7 天水化齡期時，y=- 0.002 0x2+ 0.232x+ 15.620,R2= 0.998。在14 天水化齡期時，y= - 0.003 1x2+ 0.464x+ 29.711,R2=0.900。隨水化齡期的增加，抗壓強度隨微硅摻量的增加幅度逐漸增大。

2.3 水泥石微觀結構變化

對注射器中的樣品W1 和W4 進行了三維重構，截取邊長為600 個體素的立方單元體（實際掃描分辨率為3.38 μm），分析了單元體在z軸上的逐層面孔隙率變化，并與平均孔隙率進行了比對，結果分別如圖6 和圖7 所示。

圖6 W1 樣品在14 天水化齡期的三維微結構信息

由圖6 可知，W1 樣品的孔隙在XY 截面上的分布相對比較均勻。但在z軸上不太均勻，且存在明顯的不均勻沉降，上部孔隙率含量較高，下部孔隙率相對較低，沿z軸孔隙率逐漸呈逐漸增大趨勢。由圖7 可知，W4 樣品的孔隙在XY 截面和z方向上的分布皆相對比較均勻。在W4 中存在個別大孔隙，但大孔含量較低。結合圖6 和圖7 分析可知，W1 的孔隙率為28.5%，而W4 的孔隙率較高，為23.9%。W4 的孔隙率低于W1，說明微硅的加入可以有效降低水泥石的孔隙率。

圖7 W4 樣品在14 天水化齡期的三維微結構信息:

2.4 抗壓強度與微觀結構變化機理探討

圖8 顯示了水泥石樣品W1 和W4 水化14 天后的斷面形貌圖。從圖8a 可以看出，未摻微硅的W1樣品呈現出疏松多孔的微觀結構，斷面可見大量的片狀氫氧化鈣。相比于未摻微硅的空白對照組W1，摻10%微硅的W4 樣品的微觀結構更加致密，且表面未見明顯的片狀氧化鈣（圖8b）。

圖8 水泥石斷面形貌顯微觀測

隨著微硅的摻入及摻量的增加，氫氧化鈣逐漸被消耗。微硅含量越高，火山灰效應越明顯，CH消耗越快，水化生成的C-S-H 凝膠相對越多，水泥石抗壓強度越高。一方面，細小的微硅顆?？梢蕴畛湓谒囝w粒和漂珠的空隙之中，起到良好的填充效應。同時，微硅中的活性二氧化硅可以與水泥水化生成的氫氧化鈣發生火山灰反應，生成相比于傳統C-S-H 更趨致密的火山灰水化硅酸鈣水合物（C-S-H）。此外，具有高比表面積的微硅顆粒還可以充當水化產物的成核位點，從而促進水泥顆粒的水化及火山灰反應的進行。上述三種效應有效提高了水泥石的致密性，這一結果也很好地解釋了抗壓強度隨微硅摻量的增加而增大的現象（如圖4 和圖5），以及水泥石的孔隙率隨微硅摻入而降低（如圖6 和圖7）。

3 結論與展望

1）微硅的摻入可以消耗水泥水化產生的氫氧化鈣，提高水泥石的致密性，降低水泥石的孔隙率，促進水泥石力學強度的發展。微硅摻量越高，對強度的促進作用越明顯。且微硅對水泥石后期水化齡期的強度的促進作用大于早期齡期。

2）水泥石的抗壓強度和微硅摻量具有明顯的一次線性關系和二次線性關系。在1 天水化齡期時，水泥石抗壓強度和微硅摻量之間的關系可用擬合方程y= 0.159x+ 4.352,R2= 0.927 和y= 0.001 4x2+ 0.138x+ 4.388,R2= 0.929 表示；在7 天水化齡期時，y= 0.202x+ 15.671,R2= 0.997 和y= -0.002 0x2+ 0.232x+ 15.620,R2= 0.998；在14天水化齡期時，y= 0.417x+ 29.711,R2= 0.899和y=-0.003 1x2 + 0.464x+ 29.711,R2= 0.900。

3）所得線性回歸方程預測精度比較準確，可為水泥石力學強度的預測提供借鑒，對于微硅低密度固井水泥漿的研究具有一定參考價值。