新型低密高强水泥浆的研究和应用

齐智(中海油田服务股份有限公司油田化学事业部)

蓬莱19-3油田是康菲石油公司在中国最大的油田区块，该区块属于浅层油气层开发区块，有如下几个特点：一，地层破裂压力底，容易漏失，二，钻井钻遇层数多，三，设计封固段长，四，油田井数较多，老油气区块压裂层位较多，压力窜层，造成别的油田区块压力异常。在2011年6月中旬，本油田区块出现大面积溢油事故，受上述因素影响，蓬莱19-3油田的固井工艺决定采用水泥浆密度更低的人造漂珠水泥浆体系，水泥浆的密度为1.4g/cm3，取代了之前的水泥浆密度为1.5g/cm3的天然漂珠水泥浆体系。并且取得了良好的作业效果。

自2011年6月康菲石油公司在蓬莱19-3油田发生溢油事故以来，新的ODP(Overall Development Plan整体开发方案)要求控制固井时的ECD（Equivalent Circulation Density当量循环密度），以防止地层漏失以及提高水泥石强度并且保证固井质量。在漏油事故之前，蓬莱19-3油田使用1.50g/cm3的低密高强水泥浆体系，该体系将天然漂珠作为减轻剂，在蓬莱19-3油田二期使用效果良好，但该水泥浆体系在13-3/8”表层套管固井及9-5/8”技术与油层套管固井时13-3/8”套管鞋处的ECD高于的ODP要求，需要开发新型水泥浆体系，这也就是说在降低水泥浆密度的同时，水泥石强度还要有所提高。

通过对国内水泥减轻剂和增强剂的调研和实验，研究和开发了新型低密高强水泥浆体系，也就是人造漂珠水泥浆体系。

一、新型低密高强水泥的组分

降低水泥浆的密度，开发新型低密高强水泥浆体系。减轻剂是重点，在减轻剂里加入增强剂和微硅，通过一定比率的混制，这就形成了新型低密高强水泥。在具体的现场应用中，由于对稠化时间的要求，在水泥了加入了相应的化学添加剂，这些添加剂通过与水泥的化学反应，经过一定的时间，形成了水泥石。

1.减轻剂

新型低密高强水泥浆采用的减轻剂就是人造玻璃微珠，也即PC-P62S，它具有低密度、高强度、热稳定性好、分散性高等特点，该减轻剂在井下具有不可压缩性，抗压强度可达到41Mpa，完全满足蓬莱19-3油田的作业要求，能保持全井筒液柱密度的一致性和良好的流动性。因此，它在平衡地层压力固井中发挥着重要作用。替代了传统的填充剂，用来减重水泥浆密度，降低作业成本、提高产品性能。

PC-P62S是一种高性能的空心玻璃微珠，是一种中空的圆球粉末状超轻质无机非金属材料，化学组分为硅硼酸钙盐，不溶于水和油，具有不可压缩性，呈低碱性，与大多数的树脂类物质有兼容性，有润滑和改善流动性的功能。是近年发展起来的一种用途广泛、性能优异的新型轻质材料。其密度在0.45～0.48 g/cm3，粒径在2-120μm 之间，其中99%的漂珠的粒径就聚集在2-54μm，而在8～12μm（1250目）分布最为广泛，达到了所有漂珠总量的26%，（见图1.1）抗压强度可达到41M pa，热稳定性好，温度达到625°C以上时，空心玻璃微珠形态才可能发生变化，与硼硅酸盐玻璃一样，化学稳定性极强，导热能力在0.0503～0.0934(W·m-1·K-1)@20°C之间，漂浮率达到95%以上，PH值呈碱性，在8～9.5之间，外观为白色流动性粉末，（见图1.2）通过大量的性能检测试验，选择将此减轻剂应用于新型低密高强水泥浆体系中。

图1.1 人造微珠的粒径分布

图1.2 人造微珠的物理特性

2.增强剂

增强剂的选择需要与减轻剂的配伍性非常好，几经更新，最终选择了GRET1，GRET1混配的水泥浆的稳定性好，性能优，能够与水泥和人造漂珠形成很好的“颗粒级配”（见图1.3），水泥的粒径大约在75μm（200目），然而粒径为32～65μm（325目）的GRET1的含量达到了70.31%，这就使GRET1的粒径介于水泥颗粒和人造微珠颗粒之间，有效地填补了水泥颗粒与人造微珠颗粒之间的空隙（见图1.4），从而提高了水泥石强度，保证了固井质量。

图1.3 人造漂珠、增强剂、水泥形成的颗粒级配

图1.4 人造漂珠、增强剂、水泥形成的微观状态。

增强剂也就是CRET1，是一种具有水化活性的油井水泥外掺料，与油井水泥、人造漂珠一起使用以配制密度为1.20～1.60g/cm3的高强度低密度水泥浆。CRET1表观性状为灰色固体粉末，密度为2.70～2.80g/cm3，适用的温度范围为20～180℃(BHCT)，加量一般为20～100%(BWOC)(视水泥浆密度大小而定)，然而这种增强剂仅适宜于干混。

采用CRET1低密度油井水泥增强剂配制的水泥浆可使水泥浆达到如下技术指标，失水量：300～700ml；游离液含量：0ml；抗压强度（70℃,21MPa,24hr）：≥14.0MPa。使得水泥石的强度大大的提高。

3.微硅

微硅的加入，大大的改善水泥石的高温强度衰退性能，能有效提高特定养护时间条件下水泥石的强度，降低水泥石的渗透率，并且减缓了强度发育的衰退。

微硅又称硅灰，是电炉中生产硅和硅铁合金的副产品。微硅是以气态形成的，并通过气体吹入特制的集尘过滤器收集的微小颗粒，其主要化学成分为无定型SiO2（含量约85%～98%），密度为 2.1～2.4g/cm3，平均粒径约为 0.15μm，比水泥平均半径小100多倍，颗粒分布在 0.02～0.5μm之间。

微硅颗粒细小，具有较大的比表面积，加入水泥浆中具有较强的吸水性，因此可在一定程度上增大水灰比降低水泥的密度；由于硅灰的主要成分为无定型，因此具有很高的反应活性，能在适宜的条件下与水泥水化产物发生作用而获得硅酸钙凝胶或雪硅钙石（110℃～150℃）或硬硅钙石（>150℃）等产物，这些产物对于保障水泥石形成良好的网络结构及骨架强度具有重要的作用。

微硅在水泥中的反应是通过与水泥浆溶液中水化作用产生的水化硅酸钙凝胶产物及溶液中生成的氢氧化钙的反应实现的，其最初生成的是一种水化硅酸钙中间产物，在不同的温度条件下将发生形态的改变，最终产生了具有晶体特征、高强度、低渗透率的水化硅酸钙产物。

微硅能够降低水泥浆渗透率及提高强度的另一方面原因与其颗粒细小粒径密切相关，即由于硅灰颗粒细小能够有效填充在水泥水化产物形成的空隙中，形成了颗粒密集堆积，在微观上减少了空隙体积，增强了水泥的抗压缩性能。

二、水泥浆的性能比较

1.化学添加剂

康菲蓬莱19-3油田二期大规模使用了低密高强水泥浆体系，水泥浆密度是1.5g/cm3，这种体系里的减轻剂是天然漂珠，它的粒径大，性能稳定，在经过多年的应用后，这套体系已经非常的成熟，不论是哪个套管层次的固井，合理的化学添加剂的添加就能达到要求的稠化时间。固定了分散剂的加量，通过调节缓凝剂的加量，可以得到不同温度下的稠化时间。具体加量见表2.1。注：此处采用干混降失水剂。

表2.1 天然漂珠水泥浆配方中各添加剂的加量

新型低密高强水泥浆的减轻剂是人造漂珠，其所调配的水泥浆密度是1.4g/cm3，在此水泥浆体系大批量应用与现场之前，经过了大量的对比实验，我们已经全面掌握了水泥浆的性能，定量的掌握了性能和添加剂加量之间的关系，并且准确的得出了合理的添加剂的使用量（见表2.2），为后续的研究和现场应用提供了非常有利的数据支持。注：此处采用湿混降失水剂

表2.2 人造漂珠水泥浆配方中各添加剂的加量

2.水泥浆性能

虽然新型低密高强体系的水泥浆密度比原来天然漂珠水泥浆的密度降低了0.1g/cm3，但是人造漂珠水泥浆的的抗压强度依然可以达到高的标准，以下是实验数据的对比。由于实验数据较多，现选取具有代表性的实验进行比较，见表2.3。

表2.3 天然漂珠与人造漂珠水泥浆的性能比较

三、应用

1.新型水泥浆的现场应用

蓬莱19-3-B20ST02井是一口定向井，最大井斜达到45°，钻井完钻井深：1704.78米，垂深1477.08米，钻井过程中钻井液的密度为1.14g/cm3。井身结构：9-5/8”CSG@886.5m，L.H Depth@787.85m，7”liner@1698m。

该井固井的技术难点是，此区块属于典型低压易漏油气层，是以往固井漏失最为严重平台之一，在B平台之前的固井作业中，很多的尾管固井作业都发生漏失，进而导致固井质量极差，因此防漏是固井成败的关键。经过讨论后决定，固井作业选用了新型低密高强水泥体系。

2.作业结果

固井作业后，电测显示低密度固井声幅均在10%以内。其封固质量甚至好于常规水泥封固质量。其优异的防窜、防漏性能得到验证，固井质量图见图3.1

图3.1 蓬莱19-3-B20ST02井固井质量图

小结

1.低密度高强度水泥浆可用于长封固段易漏井的固井施工，具有稳定性好、强度高、候凝时间短等特点，能有限地减少井漏的发生。

2.低密度高强度水泥浆可形成良好的颗粒充填和级配，具有更紧密的网状结构，可形成更为致密的水泥石，堵塞气体的运移通道，达到防气窜的目的。

3.低密度高强度水泥浆体系综合性能良好，可以完全满足固井现场施工要求。

通过一系列的实验，得出了具体的实验配方，然后进行了大量的复核实验，最后经过多方协商，进行了现场的大样实验，大样实验为后面的推广提供了有力的技术支持，从现场发现的问题中，调配了最优的体系配方，使得其更适合蓬莱19-3油田的具体地层。并且发现了在输灰过程中的损耗量，明确了人才漂珠等混材的附加量，以及在现场混配水泥浆时，需要注意的一些细节，这些宝贵的经验为后面的大面积应用提供很多的技术支持。

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[2]文湘杰宋艳霞李宝东常焕强低密高强度水泥浆在下二门油田的应用河南石油.2004年(第18卷)第5期.

[3]孙富全林恩平路宁贾芝低密高强水泥浆在陕242井的应用钻井液与完井液 2002年(第19卷)第3期.