铝酸盐水泥固井材料在稠油热采环境下的性能

武治强 李 强 岳家平 李早元 郭小阳

(1. 中海油研究总院有限责任公司, 北京 100028； 2. 西南石油大学， 成都 610500)

海上稠油开采通常采用热力采油法，其中又以蒸汽吞吐法为主，蒸汽温度通常高达300～350 ℃[1-2]。热采井的固井材料通常以硅酸盐水泥为主材，掺入一定量的石英砂来保证水泥石在高温条件下不衰退。在热采井蒸汽吞吐前，硅酸盐水泥固井材料是能够保证固井质量的，但经过多个轮次的蒸汽吞吐后，水泥石会出现强度明显下降、渗透率急剧增大等现象。水泥环的完整性和均质性如果因此遭到破坏，就会危及套管安全和层间封隔性能，甚至导致稠油井报废[3-6]。

固井材料需要长期在蒸汽热采条件下的井筒中服役，固井水泥环的长期完整性至关重要。与普通硅酸盐水泥相比，铝酸盐水泥具有更好的耐高温性能。热采井的固井材料改用铝酸盐水泥为主材，有助于提高固井质量，从而延长油井的生产寿命。我们模拟高温蒸汽吞吐热采作业环境，实验检测了铝酸盐水泥在稠油热采条件下的耐高温完整性，并分析了其作用机理。

1 实验材料及方法

实验目的是检测稠油热采条件下的水泥石耐高温性能。实验检测内容主要包括高温前后水泥石的抗压强度、渗透率、孔隙度、孔径分布等的变化情况。

实验材料选用国产某品牌的典型铝酸盐水泥。按API规范制备水泥浆，在70 ℃恒温水浴养护箱中养护7 d。凝固后，进行高温湿热条件养护(实验条件为：315 ℃，21 MPa，7 d)。

分别使用抗压强度测试仪、渗透率测试仪测试水泥石高温前后的抗压强度和渗透率，采用压汞法测试水泥石高温前后的孔隙度、孔径分布，系统评价铝酸盐水泥石的耐高温湿热性能。采用X-射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)，检测水泥石试样在高温前后的矿物组成和微观形貌。

2 实验结果

2.1 水泥石的抗压强度

取高温养护前后的水泥石试样，测试其抗压强度。实验测试条件：用抗压强度测试仪恒速压至水泥石破裂。实验结果如图1所示。

图1 水泥石的抗压强度变化情况

在低温凝固7 d后，铝酸盐水泥材料的抗压强度为12 MPa。模拟热力采油工况(高温湿热条件)养护后，水泥石的抗压强度略有上升，超过了15 MPa。

2.2 水泥石的渗透率

取高温养护前后的水泥石试样，测试其渗透率。实验测试条件：用实验室自制多功能渗透率测试仪测试渗透率，测试温度为50 ℃。实验结果如图2所示。

图2 水泥石的渗透率变化情况

在高温湿热条件养护前后，水泥石的渗透率均小于0.1×10-3μm2，没有明显增大的趋势。理论上，这种渗透率的水泥石能够有效减少流体窜流的发生。

2.3 水泥石的孔隙度

取高温养护前后的水泥石试样，用压汞法测试其孔隙度变化情况。实验结果如图3所示。

图3 水泥石的孔隙度变化情况

孔隙度反映水泥石中空隙的发育程度，孔隙度越小，在一定程度上说明水泥石越致密。高温养护后，水泥石中的凝胶小孔略有增大，但整体处于较低水平。

2.4 水泥石的孔径分布

取相同的水泥石试样，用压汞法测试其孔喉分布情况。实验结果如图4所示。

孔喉分布是评价水泥石高温前后微观孔隙结构的一个重要因素，它反映了水泥石的流体渗透和通过能力。经高温湿热条件养护7 d后，水泥石试样的孔喉半径略微增大，但仍属于较小的孔径分布范围。

图4 水泥石的孔径分布情况

2.5 水泥石的矿物组分和微观形貌

水泥石试样分别在低温50 ℃和高温315 ℃养护后，水化产物的XRD分析图谱如图5所示。在低温养护条件下，铝酸盐水泥石的水化产物主要为六水铝酸三钙(简写为C3AH6)和氢氧化铝凝胶(简写为AH3)；经315 ℃高温养护后，其主要矿物组分为C3AH6和AlO(OH)(偏氢氧化铝)。

图5 水泥石的水化产物XRD分析图谱

铝酸盐水泥石的微观形貌如图6所示(放大倍数为5 000)。在低温养护条件下，C3AH6呈现为立方晶体，通常呈等大粒子的集聚状，其微观结构相对致密，这与相应的XRD图谱分析结果相符合。

经过高温养护后，水泥石的骨架结构发生变化，由原来疏散的晶体结构转变为致密的晶体结构。其原因主要是在高温过程中AH3失去水分，转化为AlO(OH)。

铝酸盐水泥的水化产物中无Ca(OH)2生成。和普通硅酸盐水泥相比，它在遇到高温热蒸汽的情况下，也就没有Ca(OH)2分解为CaO后再吸收水分转化为Ca(OH)2时产生的体积膨胀性破坏效应，不存在因晶型转变造成的结构缺陷，能够保持水泥石的完整性。

图6 水泥石的微观形貌变化

在辽河油田齐40区块的一口蒸汽驱开发井应用了铝酸盐水泥浆体系，其结果表明：铝酸盐水泥具有良好的耐高温性能，能有效满足稠油热采井固井施工要求[7]。

3 结 语

(1) 选用典型铝酸盐水泥，按API规范制备水泥浆，模拟高温蒸汽吞吐热采作业环境，检测水泥石在高温湿热条件(315 ℃)养护前后的抗压强度、渗透率、孔隙度及孔喉分布。结果表明，铝酸盐水泥材料具有良好的耐高温性能。

(2) 在高温养护前后，铝酸盐水泥石的水化产物均为密实立方晶体的水榴石相C3AH6。

(3) 铝酸盐水泥的耐高温机理：其水化产物C3AH6属于稳定相，晶体结构相对致密；水化产物中没有Ca(OH)2，不存在因晶型转变造成结构缺陷，能够保持水泥石的完整性。

(4) 铝酸盐水泥材料应用于稠油热采井固井作业，能够弥补普通硅酸盐水泥材料高温强度衰退的缺陷，延长稠油井生产寿命。