膨胀珍珠岩复合漂珠低密度水泥浆体系的应用研究

张 伟，王志刚，余 建，蒋中晟

（川庆钻探工程有限公司井下作业公司，四川成都 610051）

作为低密度水泥浆的减轻材料国内主要有漂珠、膨润土、水玻璃、粉煤灰等[1-4]，漂珠低密度水泥浆是油田固井最常用的水泥浆体系之一,而漂珠作为减轻材料具有质轻、空心、密闭、粒细、活性好等特点。漂珠与微硅复配的低密度水泥浆具有良好的低密高强性能，在油田固井领域得到了广泛的应用。

但漂珠作为主要的减轻材料，随着火电厂燃煤方式的改变，漂珠的产量越来越少，而固井每年的需求量不断增长，造成了漂珠、微硅等原材料价格不断飙升，从而使低密度水泥浆成本直线上升。为降低固井成本，有必要另辟途径选择其他质优、价廉、来源广的减轻材料满足低压易漏长裸眼封固段固井需要，寻找更广泛的能够替代漂珠的新型减轻材料势在必行。通过对常用减轻材料的评价与优选，并结合粒度级配等原理[5]，以膨胀珍珠岩和漂珠作为主要减轻原料，研制出一套适合于中深井低压易漏长封固段固井的膨胀珍珠岩复合漂珠的低密度水泥浆体系。

1 膨胀珍珠岩的特点

膨胀珍珠岩属于火山玻璃质熔岩，属富含二氧化硅的酸性岩类。其突出的物理性能是具有膨胀性，化学上它属于惰性，在水中pH值大概为7左右，硬度5.2～6.4。具有较小的密度和较大的比表面积，吸水率高和保水性能强等特点[6]。膨胀珍珠岩为白色或浅灰色颗粒，无定型结晶，绉褶的蜂窝结构，其中含有大量的孔隙。膨胀珍珠岩的密度一般为2.40 g/cm3，堆积密度为0.10 g/cm3～0.20 g/cm3，孔隙间可吸存比自质量重5～6倍的水分，因此可用作水泥减轻剂。膨胀珍珠岩是一种较好的水泥外掺料，但是在低密度水泥浆体系中当做减轻材料的运用较少，国内见报道的只有膨胀珍珠岩低密度水泥浆体系在长庆油田顺宁区块应用，成功解决了该区块固井漏失问题[7]。膨胀珍珠岩的主要化学成分与漂珠的相近（见表1）。

2 实验材料及仪器

嘉华G级高抗硫酸盐水泥，四川嘉华水泥厂；漂珠、增强剂，四川托阳；膨胀珍珠岩，河南信阳降失水剂SD18、悬浮稳定剂SD85、分散剂 SD35、川庆钻探井下作业公司。变速搅拌器，压力试验机，8240型高温高压稠化仪，7120型高温失水仪，美国千德乐工业仪器公司；OWC-9350A型常压稠化仪，沈阳航空工业学院应用技术研究所；DNN-D6型六速旋转黏度计，数显密度计，青岛海通达专用仪器厂；OWC-118型双温强度养护箱，沈阳航空工业学院应用技术研究所。

水泥浆配制、养护及各项性能测试评价，按照GB/T 19139-2012《油井水泥试验方法》和石油天然气行业标准（SY/T 6544-2017）进行。

3 室内配方研究

室内对用膨胀珍珠岩当减轻材料与漂珠复配进行了实验研究。将膨胀珍珠岩先按照25%、50%、75%、100%的比例替代漂珠复配到水泥浆中，经过大量室内实验数据筛选，最终确定膨胀珍珠岩按照50%比例复合到漂珠中所形成的低密度水泥浆性能具有最佳的配合比和性价比，室内确定的低密度水泥浆配方（见表2）。

4 膨胀珍珠岩低密度水泥浆性能

4.1 沉降稳定性

膨胀珍珠岩和漂珠的密度与水泥的密度相差较大，易出现珍珠岩和漂珠上浮，水泥下沉等分层现象。为解决浆体的沉降稳定性，加入一定量的悬浮稳定剂和超细高活性材料组成的增强剂。这些颗粒可以充填在水泥浆中，起到填充嵌实和悬浮稳定作用，而超细颗粒周围还能吸附大量的水分子，水分子之间通过氢键相互连接，使微细颗粒之间形成均匀、致密的网架结构，并与水泥中的其他颗粒吸附的水分子通过氢键连接，使水泥浆形成具有致密网架结构的悬浮体系[8-10]。同时采用了多元聚合物类的降失水剂，在水泥浆体内部能够形成多点吸附，从而使水泥浆保持良好的稳定性。其沉降稳定性能（见表3）。

表1 珍珠岩矿石的一般化学成分与漂珠的对比

表2 不同密度的水泥浆配方

表3 低密度水泥浆沉降稳定性实验结果

从表3可得，利用膨胀珍珠岩作为减轻剂，通过颗粒级配紧密堆积设计的低密度水泥浆体系，在常温和60℃条件下，稳定性好，上下密度差最大为0.02 g/cm3，游离液为零，浆体能够满足固井施工要求。

4.2 静水承压能力

用膨胀珍珠岩复合漂珠配制的1.45 g/cm3和1.60 g/cm3这两种低密度水泥浆，在增压稠化仪中（60℃×35 MPa×40 min）加压搅拌1 h后，测其密度分别增加至1.52 g/cm3和1.64 g/cm3，在加压养护后，漂珠和膨胀珍珠岩会有一定程度的破损，而导致密度会有一定程度的升高。膨胀珍珠岩耐静水压力能够满足在浅井、中深井应用的要求。

4.3 流变性能

利用膨胀珍珠岩复合漂珠配制的低密度水泥浆体系的流变性能良好，其流变性能符合幂律流体，结果（见表4）。

由表4可以得出，利用膨胀珍珠岩复合漂珠配制的低密度水泥浆体系，在30℃和60℃下流变指数较高，表明水泥浆中的水泥、漂珠、膨胀珍珠岩和增强剂等材料之间能形成稳定的网架结构，可以阻止水泥浆中易沉降颗粒的沉降和漂珠的上浮，从而保持良好的稳定性和流动性，水泥浆体流动性能好，易于泵送和提高顶替效率，有助于固井质量的提高。

4.4 API失水及稠化时间

利用膨胀珍珠岩复合漂珠配制的不同密度的水泥浆失水和稠化时间性能（见表5）。

由表5可以得出，利用膨胀珍珠岩复合漂珠配制的低密度水泥浆体系配伍性好，稠化时间可调，凝结时间快，性能完全能够满足现场2 000 m中深井的施工需要。

4.5 水泥石的抗压强度

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[11，12]。膨胀珍珠岩复合漂珠低密度水泥浆体系采用4种不同粒径的材料进行颗粒级配，膨胀珍珠岩和漂珠的粒度适中，同时使用高活性的超细材料作为增强剂，它既能有效充填在水泥和其他颗粒形成的空隙之中，同时能促进和改善水泥的水化过程，增加了水泥内部的硅钙比，提高了水泥石内部水化硅酸钙凝胶的比例，从而使该体系具有很强的早期抗压强度（见表6）。

表4 不同温度的水泥浆的流变性能的实验结果

表6 不同密度水泥浆抗压强度

表7 膨胀珍珠岩复合漂珠水泥浆体系固井质量

由表6可以得出，膨胀珍珠岩复合漂珠低密度水泥浆体系在30℃和60℃条件均有较好的强度，同时24 h早期强度能达到低密度水泥浆的要求，能满足后期开采的要求。

5 现场应用介绍

膨胀珍珠岩复合漂珠低密度水泥浆体系，在室内大量实验基础上，先后在哈萨克斯坦Akshabulak油区进行了6口井的应用。

该油区主要为高渗透性的砂岩，砂岩分布广和长，在钻井和固井期间漏失风险大。完钻井深在1 600 m～2 000 m，井深结构 Φ244.5×750 m+Φ168.3×（1 600 m～2 000 m），固井时要求水泥返高至300 m左右或者地面。根据井况，固井设计采用两凝水泥浆体系，领浆采用膨胀珍珠岩复配漂珠低密度水泥浆，尾浆采用常规密度水泥浆封固产层。设计领浆密度为1.60 g/cm3，尾浆密度为1.90 g/cm3。在该区域所施工的6口井，施工顺利，施工中未出现异常情况。

候凝72 h后采用CBL-VDL测井，膨胀珍珠岩低密度水泥浆体系所封固井段，4井次优质，2井次合格（见表7）。说明膨胀珍珠岩低密度水泥浆体系在中深井有很好的适应性和实用性，可以进行大范围的推广使用。

6 结论

（1）膨胀珍珠岩化学成分与漂珠相近，具有密度低等特点，可以代替漂珠作为水泥浆减轻剂，研究发现膨胀珍珠岩对漂珠的替代率为50%时，形成的低密度水泥浆体系性能最佳，该体系具有良好的沉降稳定性、流动性和抗压强度。

（2）膨胀珍珠岩相对漂珠具有明显的价格优势和货源广泛，具有良好的经济效益。因此在中浅井中应用膨胀珍珠岩复合漂珠低密度水泥浆，可以节省固井成本，创造更大的利润空间。

（3）现场应用6井次，合格率100%，优质率68%，说明该水泥浆性能完全满足固井要求，该体系对于中浅井、易漏井、低压井、高渗透井等具有良好的推广应用价值。