低密度矿渣膨润土浆体系研究

周 雪，宋伟宾，安少辉，沙林浩，段美铭

（1.中国石油集团海洋工程有限公司渤星公司，天津300451；2.宁波诺丁汉大学，浙江宁波315100）

1 概述

目前油价持续低迷，面对如此严峻局势，国内石油行业积极提出措施降本增效，以平稳度过严寒期。油田开发最核心的工作就是低成本开发战略，最根本的措施是创新创效、提质增效和节支保效。

矿渣膨润土浆体系，即是以高炉矿渣为水化材料，外加矿渣激活剂、水泥、膨润土等外加剂配制成性能优良的低密度矿渣水泥浆体系。该体系具有提高固井质量、节约固井成本、保护环境三大优势，自20世纪90年代首次成功使用至今，已大量推广至各油田的各种固井施工作业中，从技套、油套到尾管，从直井、定向井到水平井都已顺利应用，在目前的形势下，有很高的推广应用价值。但是，由于矿渣膨润土浆体系部分常用外加剂含有重金属离子，不符合环保意义，因此需要开发新型环保型外加剂，以满足施工要求。

本文通过室内试验，开发了一种新型环保型缓凝剂BAS-2；研究了环保型低密度矿渣膨润土浆体系，对于提高非主力油层固井质量，节约固井成本有重要意义。

2 高炉矿渣理化性能及激活技术的研究

2.1 矿渣的形成、结构及化学组成

水淬高炉矿渣（BFS，简称矿渣）是钢铁厂的废弃物，是高炉炼铁时，由铁矿石中的SiO2、Al2O3等土质成分与作为助溶剂的石灰石和白云石中的CaO、

MgO在1400℃～1600℃高温下熔融而成。生成的以硅酸钙（镁）和铝酸钙（镁）主的液渣，密度一般为1.55～2.2g/cm3，比铁水轻，浮在铁水上面，定期从排渣口排出，经水淬后形成粒状颗粒物。主要成分有CaO、SiO2、Al2O3，它们的含量通常在90%左右，另外还有少量的Fe2O3、MgO、MnO、TiO2等，基本上与波特兰水泥的化学成分类似，只是在氧化物含量上有所差别，相比之下，矿渣中的CaO含量比较低，SiO2含量较高。从物理结构看，它主要是结晶相和玻璃相的聚合体，在这个聚合体中，玻璃相是活性组分而结晶相是隋性组分。

2.2 高炉矿渣激活技术的研究

矿渣的水硬活性是潜在的，在一般条件下矿渣—水浆体并不具有水硬性，而只有在激活剂的水溶液中，矿渣的水硬活性才被激发出来。当矿渣处于碱性溶液中时，矿渣玻璃体表面的Ca2+、Mg2+在OH-离子的作用下，形成Ca（OH）2和Mg（OH）2沉淀，使玻璃体表面遭到破坏、促使矿渣进一步水化。玻璃体内部的网络结构中，Ca-O和Mg-O键要强于Si-O键，因此在玻璃体表面受OH-破坏后，连续相的富钙相玻璃体为OH-经已被破坏的表面结构进入玻璃体内部提供了必要通道，使OH-与网络改性体Mg2+、Ca2+发生反应，形成Ca（OH）2和Mg（OH）2，而激活剂中的Na+、K+或其它离子与Ca2+、Mg2+进行替换，连接在Si-O键或/和Al-O键上，从而导致了玻璃体网络结构的破坏、分解和溶解，其方程如下：

≡Si-O-Ca-O-Si≡+2NaOH →2≡Si-O-Na+Ca（OH）2

而Ca（OH）2沉淀在溶液中有一个平衡离子浓度。Ca（OH）2与体系中溶出的活性SiO2反应，生成离子浓度更小的C-S-H凝胶，因此C-S-H凝胶多相平衡破坏了Ca（OH）2的多相离子平衡，随着水化反应的继续，Ca（OH）2晶体不断溶解，C-S-H凝胶不断沉积，使浆体不断变稠并硬化，宏观强度迅速增加。由此可见，在碱性激活剂作用下，矿渣水化反应是在玻璃体内部的硅酸盐、铝酸盐结构被OH-攻击破坏后，迅速引发的，并能很快使矿渣形成强度。

3 矿渣膨润土浆体系研究

3.1 室内试验

本文针对非主力油层井段，立足于前人研究经验，进行了矿渣膨润土浆设计研究。为了拓宽矿渣膨润土浆的适用范围，满足不同地区不同井况的现场施工要求，本文设计了1.50g/cm3、1.60g/cm3和1.75g/cm3三种密度方案。本文试验采用济钢矿渣，实验温度50℃～90℃，实验压力30MPa，升温时间30min。

矿渣膨润土浆由矿渣、G级水泥、膨润土、激活剂BAS-1、缓凝剂BAS-2组成。

（1）密度1.50g/cm3浆配方为100份矿渣，6份G级水泥，6份膨润土，4份激活剂BAS-1，112份水，以及缓凝剂BAS-2。

（2）密度1.60g/cm3浆配方为100份矿渣，6份G级水泥，6份膨润土，4份激活剂BAS-1，80份水，以及缓凝剂BAS-2。

（3）密度1.75 g/cm3浆配方为100份矿渣，6份膨润土，7份激活剂BAS-1，58份水，以及缓凝剂BAS-2。

3.2 浆体流变性

低密度矿渣膨润土浆流变性能好，紊流临界排量低，可以提高顶替效率。但1.75g/cm3矿渣膨润土浆水灰比小，粘度较大，需在浆体中加入减阻剂来调整流变性能，降低施工风险。实验发现水泥浆常用萘系磺酸盐类减阻剂、木质素磺酸盐类减阻剂等对矿渣膨润土浆没有分散效果，而钻井液常用减阻剂含有重金属成分，降低了浆体的环保意义，不含金属成分的钻井液用助剂类效果也不甚理想。为便于现场施工应用，需要开发更适合矿渣膨润土浆体系的新型减阻剂。

研究发现，减阻剂产生分散作用的原因主要有以下几方面：

（1）减阻剂吸附于固液界面上，降低了界面自由能从而减弱了自发絮凝的热力学过程。

（2）体系中颗粒始终处于相互碰撞状态。减阻剂吸附于固液界面后，形成一层溶剂化膜阻碍了颗粒相互接近。

（3）对于离子型减阻剂，减阻剂吸附在固体颗粒表面后，使得所有颗粒表面带相同电荷，从而相互排斥。

通过大量摸索试验，开发出具有分散效果的缓凝剂BAS-2。试验表明，缓凝剂BAS-2分散效果明显，且有一定的防触变效果。密度1.75g/cm3浆添加缓凝剂BAS-2前，初始稠度达到40Bc左右，有明显的触变效果；添加4%～6%缓凝剂BAS-2后，浆体初始稠度均低于25Bc，触变效果得到消除，浆体流变性能得到很好改善，而且稠化时间满足非主力油层井段施工要求。浆体流变性能对比见表1。

表1 密度1.75g/cm3浆加BAS-2前后流变性能对比

3.3 稠化时间

影响矿渣膨润土浆稠化时间的因素主要有温度、缓凝剂和激活剂。一般温度升高、矿渣激活剂加量增大，稠化时间缩短。缓凝剂加量增加，稠化时间加长。因此，在保证流变性及抗压强度的同时，调整各种处理剂的加量，使稠化时间满足施工要求。实验发现，缓凝剂BAS-2有很好的缓凝效果，且呈明显线性关系，见表2。图1、图2为不同密度不同配方的稠化曲线。

表2 稠化时间表

图1 密度1.50g/cm3浆BAS-2加量1%和2%稠化曲线

图2 密度1.75g/cm3浆BAS-2加量4%和6%稠化曲线

从图中发展趋势可以看出，体系初始稠度较小，均小于30Bc。前期曲线发展平稳，基本实现直角转化。随缓凝剂BAS-2加量增加，稠化时间增加，且呈明显线性关系。

3.4 抗压强度

低密度矿渣膨润土浆早期强度发展快，能够保证压稳地层。抗压强度随密度增加呈增长趋势。因为随密度增加，浆体中固相含量增加，矿渣水化所产生的胶凝物质增加，表现为抗压强度的增大。对比试验发现，缓凝剂BAS-2的掺量变化，对水泥石块的抗压强度影响不明显。见表3。

表3 抗压强度表

3.5 API失水

低密度矿渣膨润土浆体系的API失水量一般可控制在100mL以下，在相同密度条件下，缓凝剂BAS-2的加量多少对失水量没有影响。随矿渣膨润土浆密度增大，固相含量增加，液相含量减小，API失水量随之降低。满足非主力油层段地层固井的需求。

4 现场应用

应用室内研究成果，在胜利油田的某井进行了低密度矿渣膨润土浆的应用。该井是位于济阳坳陷东营凹陷中央断裂背斜构造带的一口评价井。该井井身分3次钻进，一开井深351m，二开井深2952m，三开井深3220m。本次固井针对二开井段，固井段0～2950m，井眼内径241.3mm，套管外径177mm。该井段井眼较大，钻遇地层主要为为明化镇组、馆陶组、东营组、沙一段、沙二段、沙三上中段。地层成岩性差，泥岩性较软且砂层发育。应用低密度矿渣膨润土浆体系进行了二开技术套管固井，固井过程顺利施工，固井质量良好。

5 结论和建议

（1）缓凝剂BAS-2不含重金属材料，符合环保要求；提高浆体流动性；对矿渣膨润土浆体系的缓凝效果呈线性关系；有一定的防触变性能，对抗压强度没有影响。

（2）低密度矿渣膨润土浆体系稠化时间可调，体系流动性好，符合环保要求，对于提高非主力油层固井质量有很好效果。

（3）矿渣来源广泛且廉价，环保效果好，与常规水泥浆相比可以节约大量的固井成本，在油田固井中具有良好的经济效益，尤其在目前严峻形势下，有很好的推广应用价值。

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