超低密度水泥浆体系研究

2012-11-08刘存鹏黄志强长江大学石油工程学院湖北荆州434023

长江大学学报(自科版) 2012年1期

关键词：微珠水泥石固井

刘存鹏，黄志强 (长江大学石油工程学院，湖北荆州 434023)

刘硕琼 (中国石油集团钻井工程技术研究院完井固井所，北京 100195)

贾建贞 (中原石油勘探局钻井管具工程处，河南濮阳 457331)

超低密度水泥浆体系研究

刘存鹏，黄志强 (长江大学石油工程学院，湖北荆州 434023)

刘硕琼 (中国石油集团钻井工程技术研究院完井固井所，北京 100195)

贾建贞 (中原石油勘探局钻井管具工程处，河南濮阳 457331)

针对低压易漏失井的固井漏失问题，研发出一种温度范围45～75℃、密度范围1.10～1.30g/cm3中低温超低密度水泥浆体系(该水泥浆体系由水泥、增强材料、减轻材料以及固井外加剂构成)。对水泥浆体系减轻材料进行了选择性研究，对增强材料及材料的整体粒度分布进行了优化配级研究，并对该水泥浆性能进行了综合测试。该超低度密度水泥浆在52℃下，24h抗压强度大于9MPa，上下密度差0.03g/cm3，流动度18cm，API失水量50ml以内，零游离液，综合性能良好，能够有效解决低压易漏井固井过程中的漏失问题，保证固井施工质量。

超低密度水泥浆；增强材料；减轻材料；固井外加剂

超低密度水泥浆是以密度划分，密度低于1.30g/cm3的水泥浆称为超低密度水泥浆，超低密度水泥浆主要是针对易漏失低压地层、深井长封固或全井封固、欠平衡钻井、近平衡或平衡固井等特殊井的固井施工的漏失问题，它能够有效地降低作用于地层的液柱压力，能够避免水泥浆注替过程中发生的漏失，还可以减少注水泥施工和水泥浆候凝过程中对产层的污染。目前超低密度水泥将体系还存在很多问题，突出表现为：①超低密度水泥浆体系稳定性差，体系容易分层离析；②水泥浆失水量难以控制；③水泥浆下灰困难，流动性差，泵送困难；④水泥石早期强度发展缓慢，强度低，水泥石渗透性高，易引起腐蚀性介质的腐蚀。为此，笔者开发了一种温度范围45～75℃、密度范围1.10～1.30g/cm3超低密度水泥浆体系，该超低密度水泥浆可以满足低压易漏、长封固段固井要求，对解决固井中存在的漏失、储层污染等难题具有重要意义。

1 技术思路

①通过选择适宜的减轻材料，大幅度降低水泥浆密度，同时超低密度材料应该和水泥等具有较强的亲和性或反应性。②增强材料的选择，使超低密度水泥浆体系实现紧密堆积的效果，提高水泥浆中固相量。③研究适宜的分散性外加剂，水泥浆体系不增稠，满足工程施工性能要求。

2 超低密度减轻材料的选择性研究

目前常用的水泥浆减轻材料按其减轻原理划为2类：第1类减轻材料为吸水增粘物质，本身密度较高，水泥浆密度取决于水灰比，不适宜超低密度水泥浆体系膨润土、硅藻土、粉煤灰、硬沥青、膨胀珍珠岩、火山灰、水玻璃以及一些超细粉末等；第2类减轻材料为低密度材料，本身密度较低，水泥浆密度主要取决于减轻剂本身和掺量多少，水泥浆水灰比较小，如空心玻璃微珠、漂珠等。

选择减轻剂要根据水泥浆体系密度要求和应用条件等进行综合考虑。笔者优选的减轻材料主要是依靠减轻剂本身来降低水泥浆密度。在相同密度下这一类的超低密度水泥浆具有水灰比小，游离液含量低、强度高和渗透率低等特点。选择减轻材料遵循的3个原则[1]:①减轻作用明显，密度恒定，能有效地降低水泥浆水固比，提高水泥浆的固相含量，有利于实现紧密堆积；②减轻剂应尽量选择尺寸较小的球形材料，在掺量允许下，密度与浆体密度接近，保持水泥浆浆体稳定；③减轻材料具有反应活性，物理化学反应能对水泥浆性能有所贡献。根据以上3个原则优选出空心玻璃微珠[2]做为超低密度水泥浆的减轻剂。

1)减轻效果试验根据减轻材料的选材原则，选取2种不同壁厚不同目数的空心微珠(DRL-1S,DRL-2S)作为减轻材料。在超低密度水泥浆中掺入一定量的减轻材料就可以大幅度降低水泥浆的密度，其掺量对水泥浆密度的影响见图1(DRL-1S)、图2(DRL-2S)。从图1中可以看出，在超低密度水泥浆中，掺入占胶凝材料量63%的空心微珠时，水泥浆密度可降至1.10g/cm3。从图2中可以看出，在超低密度水泥浆中，掺入占胶凝材料量66%的空心微珠时，水泥浆密度可降至1.10g/cm3。这2种减轻材料在保证强度的前提下，密度都能够降到1.10g/cm3。因此，空心玻璃微珠减轻剂减轻效果明显。

图1 减轻材料DRL-1S对水泥浆密度的影响

图2 减轻材料DRL-2S对水泥浆密度的影响

2) 承压试验水泥浆配浆后测量密度，然后按程序在加压稠化仪中45min内升温达到75℃，分别在不同压力下运行约1.5h，停止加热，停止马达，拆除水泥浆搅拌5min测密度，试验结果如表1和表2所示。根据表1、表2可以看出，减轻材料在30MPa以下超低密度水泥浆密度变化不大(超低密度水泥浆密度差0.02g/cm3)，DRL-2S的承压能力比DRL-1S更强。因为减轻剂承压能力的不同,当地层压力低于30MPa选用减轻剂DRL-1S作为减轻剂，当地层压力低于55MPa选用减轻剂DRL-2S作为减轻剂。

表1 减轻材料DRL-1S的承压试验

表2 减轻材料DRL-2S的承压试验

3 增强材料的优化级配研究

紧密堆积设计的实质就是通过优化各组分粒子的颗粒级配，实现粒子间的紧密堆积，从而提高单位体积的固含量。笔者研发的增强材料DRB-2S是由3种粒度更细、具有合理颗粒级配的活性超细胶凝材料组成，掺入水泥浆中不仅能发生凝硬性反应，还可进一步充填水泥石孔隙，形成更加致密的水泥石，可显著提高低密度水泥浆的强度、稳定性等综合性能。

4 超低密度水泥浆体系及性能测试

1) 配方水泥浆配方如下：1#-水泥+114%增强材料DRB-1S+63%减轻材料DRL-1S+(3%～4%)分散剂DRS-1S+(6%～8%)降失水剂DRF-300-1S+(2%～4.5%)早强剂DRA-1S+(165%～180%)水(1.10g/cm3)；2#-水泥+100%增强材料DRB-1S+50%减轻材料DRL-1S+(2%～4%)分散剂DRS-1S+(6%～8%)降失水剂DRF-300S+(2%～5%)早强剂DRA-1S+(145%～155%)水(1.15g/cm3)。

2)沉降稳定性能测试水泥浆配浆后按程序在加压稠化仪中45min内升温达到75℃，压力达到30MPa，然后运行约1.5h，停止加热，停止马达，拆除水泥浆测上下密度分布如表3所示。试验结果表明，根据紧密堆积理论设计超低密度水泥浆后，超低密度水泥浆稳定性大幅度提高(水泥石上下密度差0.036g/cm3)，大大的提高了浆体的稳定性。

表3 超低密度水泥浆沉降稳定性测试

3)失水试验针对超低密度高强度水泥浆具有合理的颗粒级配分布且体系本身具有一定的降失水性能的特点[2]，使用成膜降失水剂DRF-300S(一种由有机物和无机物复合的高效降失水外加剂)，其具有降低水泥浆滤失量、防窜等性能，使用温度范围20～90℃，加量范围2%～5%，能够有效地控制超低密度水泥浆失水。从图3中可以看出降失水剂DRF-300S的加量变化对超低密度水泥浆失水量影响。随着降失水剂DRF-300S的增加，超低密度水泥浆的失水量逐渐减小且超过2%超低密度水泥浆的失水量急剧下降至50ml以下。从图4中可以看出DRF-300S在不同温度下对水泥浆失水量的影响。20～90℃温度范围内，加量3%超低密高强水泥浆失水性能随温度变化只有微小波动，且APL失水量控制在50ml以内。

图3 不同加量降失水剂DRF-300S对水泥浆失水量影响

图4 DRF-300S在不同温度下对水泥浆失水量的影响

4)强度测试由于整体水泥浆体系根据紧密堆积设计，选用适合超低密度水泥浆强度发展且不增稠的早强剂，有效地提高了水泥石早期强度的发展。从表4中可以看出密度为1.10 g/cm3超低密度水泥浆不加早强剂的情况下早期强度发展减慢，52℃养护24h水泥石的强度只有2MPa。加入不增稠的早强剂能够有效的提高水泥石的早期强，水泥石的强度由2MPa升到9MPa。从表5中可以看出超低密度水泥浆75℃养护24h强度能后达到10MPa并且水泥石长期强度缓慢增长不衰退。

表4 超低密度水泥浆强度发展

表5 超低密度水泥浆强度长期发展

5)综合性能测试超低密度水泥浆配方由水泥、减轻材料(微珠)，活性增强材料，配套固井外加剂(DRF-300S、DRS-1S、DRA-1S等)组成，通过调整材料的加量和体系优化，可设计出超低密度水泥浆体系。超低密度水泥浆综合性能良好，如表6所示。从表6中可以看出，采用减轻材料DRL-1S后，水泥浆密度虽然很低，可以达到1.10 g/cm3。使用早强剂DRA-1S能够有效提高水泥石的早期强度，1.10g/cm3水泥石52℃，24h,强度大于8MPa，75℃下，48h,强度大于12MPa。水泥浆流动性好，流动度均大于18cm，零游离液。超低密度水泥浆API失水量均小于50ml，有利于保护油气层，并具有一定防窜性能，超低密度水泥浆稠化时间可调。