一种低温早强低密度水泥浆

耿建卫

（大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院，黑龙江大庆 163413）

一种低温早强低密度水泥浆

耿建卫

（大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院，黑龙江大庆 163413）

低温下，常规低密度水泥浆体系早期强度发展缓慢，水泥石胶结能力差，影响了水泥环封固质量，浅层易漏井固井质量问题日益突出，为此，进行低温早强低密度水泥浆体系研究。根据紧密堆积理论及综合室内实验研究，研制了密度为1.30～1.50 g/cm3的低温早强低密度水泥浆体系，主要优选了超细胶凝材料和锂盐复合早强剂，增加了低密度水泥石的致密性，提高了低密度水泥石的早期强度，25 ℃凝结时间为13 h，24 h抗压强度为10.2 MPa。该体系具有低温早期强度高，凝结时间短，稳定性好等优点。在大庆油田现场成功应用2口井，固井质量合格率100%，取得良好的应用效果。

低温固井； 超细胶凝材料； 早强剂； 低密度水泥浆

大庆长垣[1]葡萄花、敖包塔区块，外围煤层气区块均存在上部浅气层发育，下部地层破裂压力低的地层特点，在固井施工过程中，既要考虑上部防窜、下部防漏，又要考虑低温下，水泥环封固质量和后期的有效开发，对固井技术提出了更高的要求。非漂珠低密度水泥浆密度相对高，低温下，早期强度发展缓慢，导致水泥石胶结能力差，且该密度无法满足煤层气固井防漏施工要求。漂珠低密度体系密度大于1.10 g/cm3，满足浅层易漏井施工要求，但该类体系固相材料含量较多，低温下也存在强度发展缓慢等问题。尤其当高压层、浅气层与易漏层并存时，易发生流体上窜，严重影响固井施工安全及质量。因此，通过优选外掺料及应用颗粒级配原理，形成一套密度在1.30～1.50 g/cm3范围内的不可压缩低密度水泥浆体系，并通过优选外加剂，提高体系的稳定性及水泥石低温早期强度，提高浅层易漏井施工安全及固井质量。

1 低温低密度水泥浆体系

根据紧密堆积理论[2]及室内综合实验研究，研制了一套以漂珠、G级水泥及微硅复配的密度为1.30～1.50 g/cm3的三元低密度水泥浆体系[3]，该体系能满足深井长封固段固井施工要求，具有降低封固段液柱压力、增加一次固井封固段高度、提高长封固段固井施工安全的性能特点。但是，该体系由于外掺料加量大、 固相胶凝材料少、 水泥水化速度慢， 尤其在低温下水泥浆凝结时间长，水泥石强度发展缓慢，不利于浅层易漏失层间的有效封隔，不同密度水泥浆体系抗压强度及凝结时间见表1。

表1 不同密度水泥浆体系抗压强度及凝结时间对比

2 低温低密度水泥浆体系早强技术

2.1 超细胶凝材料的优选

尽管漂珠、G级水泥及微硅3种材料实现了紧密堆积，且相互间配比达到最优化，但在45 ℃下，密度为1.30 g/cm3水泥浆形成的水泥石强度仅为5.2 MPa，不能满足低温早强的技术要求。因此，实验测定了含有3种超细胶凝材料水泥石的抗压强度[4-6]，结果见图1。从图1中可以看出，S-3低温下早期强度比G级水泥提高了80%，因此，优选S-3作为研究的超细胶凝材料。

S-3的主要成分为CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3，与G级水泥组分相似，粒径为4～6 μm，比表面积大于3 000 cm2/g，具有粒径小、比表面积大、水化速度快的特点，低温下早期强度高，与G级水泥配合，可提高低密度水泥浆早期强度。不同S-3加量下水泥石强度实验见图2和表2。从图2可以看出，随着S-3加量的提高，水泥石强度逐渐增加，当加量为40%，水泥石强度达到最高，加量进一步增大，强度增加不明显。从表2还可以看出，S-3加量为40%时，水泥石强度由5.2 MPa提高到9.6 MPa。由表2可知，25 ℃下凝结时间由36 h减少到28 h。

图1 不同胶凝材料与G级水泥强度对比

图2 S-3加量对比实验

表2 S-3加量确定实验

2.2 低温早强剂的优选

针对低温环境（25～45 ℃）， 研选了锂盐复合早强剂， 其作用机理是Li+半径小、 极化作用强、水化半径大，加速破坏水泥水化保护膜，缩短水化诱导期，提高低密度水泥浆体系中C3S和C2S低温水化能力[7]。同时，复合早强剂组分在水中电离生成的阳离子能压缩水泥颗粒的扩散双电层，降低水泥颗粒的电动电位，使颗粒间斥力下降，水化反应容易进行。早强剂中的主要组分与液相中的Ca（OH）2产生化学反应，生成的次生石膏更容易与C3A反应生成钙矾石，使整个液相体系中的Ca2+浓度下降，SiO32-浓度相对增加，使C3S包覆层内外离子的浓度差增大，渗透压增加，致使包覆膜破裂，加速C3S的早期水化速度，起到了低温早强的效果。

加入锂盐早强剂后，体系的低温水泥石强度明显提高，见图3。由图3可知，当锂盐早强剂加量为3%时，25 ℃下24 h水泥石强度达到10.2 MPa，凝结时间为13 h，实验数据见表3。

图3 锂盐早强剂加量对强度的影响

表3 锂盐早强剂加量确定实验

3 水泥浆综合性能评价

通过室内评价实验，该体系配方如下，在不同密度下，水泥浆各项性能见表4。

100%G级水泥+（15%～34%）漂珠+（17%～25%）微硅+（30%～40%）S-3+2%降失水剂+（1%～3%）锂盐早强剂+（1.8%～2.0%）稳定剂+1%膨胀剂+0.5%消泡剂

表4 在不同密度下的水泥浆各项性能实验

从表4可以看出，低密度水泥浆体系滤失量在50 mL以内，初始稠度低，游离液为0，流动度好，稠化曲线具有近似直角稠化的特点（见图4）。因此，该体系能够满足固井施工要求。

图4 不同密度水泥浆在45 ℃下的稠化曲线

水泥石具有长期稳定的强度是确保油气井固井质量的重要因素之一[8-9]，为了验证水泥石长期强度发展规律，针对不同温度、不同养护龄期进行了水泥石抗压强度实验，实验数据见表5。从表5中可以看出，该体系水泥石有较好的后期强度发展趋势，具有良好的抗强度衰退性能。

表5 常压、高温条件下不同养护龄期水泥石强度实验

低密度水泥浆较好的稳定性对固井施工安全至关重要，采用BP沉降管进行实验测定，水泥石柱上下密度差小于0.02 g/cm3， 具有良好的沉降稳定性，见图5。

图5 不同密度水泥石的上下密度差

4 现场应用

葡某区块上部黑地庙存在浅气层，中部嫩江组断层发育，地层破裂压力低，固井时易发生井漏事故，固井质量难以保证。为此，该体系分别在葡9-5-斜X、葡9-6-斜X井进行了现场应用。

在葡9-5-斜X井现场固井施工过程正常，下灰顺利，水泥浆可泵性好，密度控制均匀，达到了设计要求，整个过程无漏失现象，井口返出7 m3密度为1.30 g/cm3的水泥浆，48 h声波变密度测井为合格。

图6 葡9-5-斜X井低密度水泥浆固井声波变密度声幅曲线

5 结论

1.优选的超细胶凝材料颗粒粒径小，水化速度快，增加了低密度水泥石致密性，提高了低密度水泥石早期强度。

2.优选的锂盐复合早强剂低温早强效果好，水泥浆凝结时间短，密度为1.30 g/cm3，25 ℃凝结时间为13 h，24 h强度为10.2 MPa。

3.形成了一套密度范围在1.30～1.50 g/cm3，适应温度为25～45 ℃的低渗透水泥浆体系，该体系的悬浮稳定好，早期强度高，满足现场固井施工需求。

4.现场应用2口井，施工效果好、固井质量合格率为100%，可推广应用于低温易漏井固井。

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Study and Application of Low Temperature Early Strength Low Density Cement Slurry

GENG Jianwei
(Research Institute of Drilling Engineering Technology, Daqing Drilling Engineering Corporation, Daqing, Heilongjiang 163413)

The early strength of conventional low density cement slurries developed very slowly at low temperature, and the poor cementing ability of these slurries negatively affect the quality of well cementing. In shallow wells with frequent mud losses, this problem is quite common. To resolve this problem, studies have been conducted on low temperature early strength low density cement slurry. Based on the close packing theory and laboratory experimental study, low temperature early strength low density (1.30-1.50 g/cm3) cement slurries were developed. Ultra-fine gelled material and an early strength agent made by compounding lithium salts were used to improve the soundness and early strength of the low density set cement. The setting time of the low density cement slurry at 25 ℃ is 13 h, and the 24 h strength is 10.2 MPa. This low density cement slurry has high early strength at low temperatures, short setting time and good stability. It has been used on 2 wells in Daqing Oilfield with great success, and the well cementing jobs were 100% qualified.

Well cementing at low temperature; Ultra-fine gelled material; Early strength additive; Low density cement slurry

耿建卫.一种低温早强低密度水泥浆[J].钻井液与完井液，2017， 34（4）：65-68.

GENG Jianwei.Study and application of low temperature early strength low density cement slurry[J].Drilling Fluid &Completion Fluid，2017， 34（4）：65-68.

TE256

A

1001-5620（2017）04-0065-04

10.3969/j.issn.1001-5620.2017.04.012

耿建卫，工程师，1984年生，2007年毕业于西安石油大学石油工程专业。现在主要从事低密度水泥浆科研、技术服务工作。E-mail：gengjianwei@cnpc.com.cn。

2017-4-27；HGF=1704M3；编辑 马倩芸）