新型实心低密度水泥研究

雷鑫宇，陈爽，陈大钧，齐志刚，李卉，杨武

(1.中国科学院成都有机化学研究所，四川成都 610041;2.西南石油大学化学化工学院，四川成都 610500;3.中国石油长城钻探钻井液公司欢喜岭项目部，辽宁盘锦 124010;4.中国石化胜利油田钻井工艺研究院，山东东营 257000)

低密度水泥浆对于易漏失低压井段、深井长封固井段和欠平衡钻井井段等特殊井、复杂井的固井施工具有良好的适用性［1-2］。目前国内外常用的低密度水泥浆体系主要有微硅低密度水泥浆体系、泡沫水泥浆体系和漂珠低密度水泥浆体系。微硅低密度水泥因对微硅品质要求较高而成本偏高;泡沫水泥稳定性较差，存在安全隐患;漂珠耐剪切性不足，导致井下密度和设计密度不符。除此之外，3种低密度水泥浆的失水量均偏大，造成地层污染严重。

本研究室长期从事固井水泥浆体系设计与应用研究工作［3-4］，与胜利油田钻井工艺研究院合作开发的实心低密度水泥浆体系已进入施工筹备阶段［5］。本文在此基础上，通过对实心减轻材料合成和水泥体系的优化，进一步提高了该新型实心低密度水泥的性能。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

嘉华G级高抗硫油井水泥、微细水泥、微硅JM-1、漂珠 PZ-1、早强剂 CK2-1、海泡石 HPS-1、活性SiO2S-1、分散剂SWJZ-1、降失水剂SWJ-4和SWJ-7、缓凝剂SWH-1、增韧剂X-1、表面活性剂TC-WT均为工业品;环氧氯丙烷、羟甲基双酚A、二乙烯三胺等均为分析纯。

API水泥实验全套装置;DFC-0710B型增压稠化仪;OWC-750型恒温养护釜;NYL-300型压力机;SD-75C型数显抗折强度试验机。

1.2 实心减轻材料DJ-2的合成

1.2.1 基料合成 反应瓶中依次加入环氧氯丙烷、羟甲基双酚A和表面活性剂TC-WT，于80℃搅拌0.5 h。降温至70℃，在3 h内滴加30%的 NaOH水溶液35 mL，滴毕，升温至80℃，反应2 h，得透明的油状液体;经萃取，蒸馏，干燥得白色基料。

1.2.2 DJ-2合成 于室温搅拌下在反应瓶中依次加入白色基料、S-1、HPS-1和TC-WT，升温至80℃，加入二乙烯三胺15 g，反应1 h。降温至60℃继续反应2 h。将产物干燥，粉碎、过筛，得深黄色固体，即实心减轻剂DJ-2。

1.3 水泥性能评价

水泥浆配方见表1。

表1 水泥浆配方Table 1 Grout formulations

1.3.1 密度稳定性 用配方1和2配浆，经高速搅拌机拌浆后，分别测试实际密度，计算密度差值。

1.3.2 失水量 按照行业标准 SY/T 6544—2010《油井水泥浆性能要求》，改变降失水剂种类和加量，优化水泥浆体系的失水性能。

1.3.3 稠化曲线 在70℃，40 MPa下测试水泥浆体系的稠化曲线，考察配伍性。

1.3.4 力学性能 按照国家标准 GB/T 19139—2012《油井水泥试验方法》，测试水泥试件于75℃养护24 h和72 h后的抗压强度和抗折强度。

2 结果与讨论

2.1 密度稳定性

表2为拌浆速度对水泥体系密度的影响。

表2 拌浆速度对水泥体系密度的影响Table 2 Effect of mixing speed to cement density

由表2可知，配方1的实际密度基本不受拌浆速度的影响，与设计密度吻合度较高;配方2的实际密度受拌浆速度影响较大，高速搅拌下，部分漂珠破裂进水，密度升高。因此，配方1的密度稳定性优于配方2。

2.2 失水量

表3为失水量的优化。

由表3可知，纤维素型降失水剂SWJ-4对实心低密度水泥浆的失水量控制不如成膜型降失水剂SWJ-7好。为降低水泥浆对地层的污染，优选SWJ-7作为低密度水泥浆的降失水剂，加量在1.5%左右。

表3 降失水剂的优化Table 3 Optimization of fluid loss agent

2.3 稠化曲线

图1为密度1.35 g/cm3的实心低密度水泥的稠化曲线。

由图1可知，水泥浆稠化过程无“鼓包”或者“阶梯”情况出现，从30～100 Bc呈现直角稠化特点，稠化时间可调。

图1 实心低密度水泥稠化曲线Fig.1 Thickening curves of solid low-density cement

2.4 力学性能

表4为实心低密度水泥石的力学性能。

表4 实心低密度水泥石力学性能Table 4 Mechanical properties of solid low-density cement

由表4可知，相同密度下，实心低密度水泥石的力学性能优于DJ-1实心低密度水泥石和漂珠低密度水泥石。养护72 h后，配方1的抗压强度高出配方2，超过20%，抗折强度高出11%。

3 结论

(1)通过对合成减轻材料的原料的表面改性，引入更多亲水基团，同时复配亲水颗粒作为填料，提高了减轻剂与水泥的亲和性，减轻剂耐剪切。

(2)通过优化降失水剂，减少了实心低密度水泥浆体系对地层的污染。

(3)75℃养护72 h，实心低密度水泥石抗压强度和抗折强度分别较漂珠低密度水泥石高20%和11%。

［1］罗发强，郭小阳，杨远光.一种新型天然类火山灰低密度水泥浆的实验研究［J］.天然气工业，2004，24(2):51-54.

［2］何育荣，彭志刚，冯茜.高强塑性水泥浆实心减轻材料FXW室内研究［J］.钻井液与完井液，2006，23(6):50-52.

［3］雷鑫宇，陈大钧，张直建，等.纤维-自修复水泥改善固井质量研究［J］.科学技术与工程，2013，13(19):5597-5599.

［4］雷鑫宇，陈大钧，李小可，等.油井水泥缓释自修复技术研究［J］.钻井液与完井液，2013，30(5):60-62.

［5］杨武，陈大钧，李小可，等.新型高强复合材料减轻剂YW-1 的室内研究［J］.钻井液与完井液，2013，30(6):58-60.