纳米基复合增强剂的研究与性能评价

2020-03-03高继超李建华周雪李彦军卢海川李德伟杨晨

钻井液与完井液 2020年5期

高继超，李建华，周雪，李彦军，卢海川，李德伟，杨晨

（1.中国石油集团海洋工程公司渤星公司，天津 300451；2.长庆油田第四采气厂，西安 710000；3.川庆钻探长庆固井公司，西安 710000）

低密度水泥浆技术是解决低压易漏层固井问题的有效手段，但由于投资压缩，目前各大油田常用的低密度水泥浆体系普遍呈现低成本化，因此性能欠佳，水泥石顶部强度低的问题尤为凸显。加入常规早强材料后常会明显缩短稠化时间，然而，为了满足施工安全可能还需加入缓凝剂，两者之间存在矛盾。近些年人们考虑到纳米材料的优异性能，开始将纳米材料引入到固井水泥浆中[1-2]，并取得了一些较好的效果，包括在改善固井质量、提高水泥石强度、保持井筒完整性等方面起到了重要作用[3-9]。为了缓解稠化时间和强度的矛盾问题，通过引入表面改性的纳米材料，并利用复配技术，开发了一种新型纳米基复合增强剂，并对其进行了较为系统的适应性评价。

1 实验部分

1.1 实验材料

胜潍G 级水泥，改性纳米材料N，减阻剂CF40S（醛酮缩聚物类），降失水剂G60S（PVA 类），缓凝剂BCR-210S（有机盐类），珍珠岩混材Ⅰ号（密度为0.90 g/cm3），无机盐A，珍珠岩混材Ⅲ号（密度为1.30 g/cm3），漂珠混材（密度为1.15 g/cm3），粉煤灰，微硅。

1.2 实验方法

按照 GB/T 19139—2012《油井水泥实验方法》进行水泥浆的制备及稠化时间、失水量、水泥石抗压强度等性能测试。将水泥浆在实验温度下，使用常压稠化仪养护20 min 后，倒入500 mL 量筒，静置于实验温度的水浴中2 h，用液体密度计从上到下测试水泥浆的密度，其差值即为水泥浆的上下密度差。

2 结果与讨论

2.1 纳米基复合增强剂的开发

2.1.1 纳米材料N的改性及加量评价

目前应用在固井中的纳米材料主要包括纳米二氧化硅、碳纳米管、纳米氧化铁、纳米多水高岭石等。通过对不同种类纳米材料的尺寸测试及实验评价，优选出一种由钙、硅等元素构成的纳米材料N，其尺寸在30～70 nm。由于纳米微粒一旦团聚，就会失去纳米材料的优异特性，因此采用了改性剂对纳米材料N 进行了表面处理，通过空间位阻效应和静电排斥作用，使其易分散于水泥浆中。进行了改性纳米材料N 的加量对水泥浆性能影响的实验，结果见表1，水泥浆基础配方如下。

1#胜潍G 级水泥+60%珍珠岩混材Ⅰ号+0.2%减阻剂CF40S+3.3%降失水剂G60S+0.45%缓凝剂BCR-210S+纳米材料N+114%水，密度为1.28 g/cm3

2#胜潍G 级水泥+70%珍珠岩混材Ⅱ号+0.2%CF40S+3.6%G60S+0.45%BCR-210S+纳米材料N+117%水，密度为1.43 g/cm3

表1 不同加量纳米材料N 对水泥浆性能的影响

实验结果表明，纳米材料N 具有较高的表面活性和一定水化活性，从而可使水泥浆轻微增稠，促进水泥石强度发展。由表1 可知，随着纳米材料N 的加量提高，会轻微缩短稠化时间，对失水无不良影响。

2.1.2 增强剂的复配优化

大量实验研究表明，在正确选用早强剂品种、复合比例、使用加量和使用条件适宜时，复合早强剂可得到比单组分早强剂更优良的早强效果[10-14]。因此，考虑将常用的早强剂作为激活材料与改性纳米材料N 进行复配。通过对常规早强剂的室内实验筛选，水泥浆使用1#配方，实验温度为50 ℃。

表2 不同早强剂最佳加量优选实验

实验结果表明，无机盐A 表现出对稠化时间影响较小、水泥石提强效果明显的特性。因此，新型复合增强剂NA 的组分为2.5%改性纳米材料N+0.8%无机盐A，加量为水泥的3.3%。

2.1.3 增强机理分析

纳米材料N 具有一定模板成核作用：当水化开始后，水化产物能以其为模板形成具有较高强度的晶型结构，从而在不影响水化产物的情况下提高水泥石强度，搭配无机盐A 的早强特性，二者结合，共同促进水化反应，加快强度发展速度，同时纳米颗粒小而均匀，可对水化产物的微孔隙或是微裂缝等缺陷结构进行填充，使水泥石内部更加致密，进而改善水泥石的力学性能。与此同时，借助纳米级粒子活性高、比表面积大等优点，减小了低密度水泥浆上下密度差和游离液，对其稳定性起到了改良作用。

2.2 性能评价实验

纳米基复合增强剂NA 的室内评价通过控制变量法来进行，其中，变量主要包括加量、温度、水泥浆密度及体系。实验分别进行了纳米基增强剂在珍珠岩低密度水泥浆、漂珠低密度水泥浆及粉煤灰低密度水泥浆等常规体系中性能评价。

2.2.1 珍珠岩低密度水泥浆体系

考察增强剂加量变化对水泥浆的影响，见表3。水泥浆配方如下。

3#胜潍G 级水泥+43%珍珠岩混材Ⅰ号+0.2% CF40S+0.21% BCR-210S+3.1% G60S+增强剂NA+107%水，密度为1.32 g/cm3

表3 不同加量增强剂对水泥浆的影响

实验结果表明，随着增强剂加量增加，水泥石抗压强度逐渐增强，加量大于2.8%时，24 h 顶部强度提高65%以上；受增强剂影响，稠化时间轻微缩短，在增强剂加量高达4.3%时，稠化时间之比仍能保持大于0.80，提强比例为90%。

考察不同温度对水泥浆的影响，结果见表4。水泥浆配方如下。

4#胜潍G 级水泥+26%珍珠岩低密度混材Ⅱ号+0.2%CF40S+1.0%BCR-210S+3.2%G60S+3.0%增强剂NA+87%水，密度为1.50 g/cm3

表4 不同温度下纳米增强剂对水泥石强度的影响

表4 结果表明，加入纳米增强剂的水泥石强度均有所提升，24 h 顶部强度提高50%以上。随着温度的升高，增强比例呈现“先升后降”的趋势，在60 ℃左右提强效果达到最佳。

考察密度变化对水泥浆性能的影响，选择了1.25、1.40、1.50、1.60 g/cm34 个密度点作为研究对象，在不同温度下对水泥浆综合性能进行了评价，见表5。水泥浆配方如下。其中，各材料及外加剂加量根据水泥浆设计密度决定。

5#胜潍G 级水泥+珍珠岩低密度混材+CF40S+BCR-210S+G60S+增强剂NA+水

表5 不同密度水泥浆综合性能评价

实验结果表明，纳米增强剂对不同密度的珍珠岩低密度水泥浆体系均有明显增强作用，在保证稠化时间之比大于0.83 的前提下，24 h 顶部抗压强度可提高40%以上，在1.40 g/cm3低密度水泥浆中，提强比例达到峰值109.5%。

考察了不同水灰比对水泥浆性能的影响，见表6。水泥浆配方如下。

6#胜潍G 级水泥+42%珍珠岩混材Ⅱ号+0.2%CF40S +1.2%BCR-210S+3.8%G60S+3.0%增强剂+水（根据液固比决定）

表6 不同水灰比条件下纳米增强剂对水泥浆性能影响

表6 结果表明，加入增强剂后，低密度水泥浆在较大水灰比下仍具有良好的综合性能，水灰比由0.73 增大到0.79，48 h 水泥石顶部强度增加96%，水泥浆上下密度差由0.05 g/cm3降至0.02 g/cm3。水灰比增至0.84 时，与空白实验对比，该体系仍有良好的顶部强度，稳定性与水灰比0.73 时相当。

2.2.2 漂珠低密度水泥浆体系

增强剂对漂珠低密度水泥浆体系的性能影响见表7。水泥浆配方如下。

7#胜潍G 级水泥+（33%～100%）漂珠混材+0.4%CF40S+0.60%BCR-210S+3.1%G60S+增强剂NA+水

表7 纳米增强剂对漂珠低密度水泥浆综合性能评价

可以看出，在轻微影响稠化时间的情况下，增强剂可明显提高漂珠低密度水泥石抗压强度50%以上，最高达88.2%，同时还可改善水泥浆稳定性。

2.2.3 粉煤灰低密度水泥浆体系

增强剂对粉煤灰低密度水泥浆体系的性能影响评价实验结果见表8。水泥浆配方如下。

8#胜潍G 级水泥+40%粉煤灰+4%微硅+3%G60S+0.75%BCR-210S+增强剂+105%水，密度为1.43 g/cm3

由表8 可以看出，加入纳米增强剂的粉煤灰低密度水泥浆体系，在保证稠化时间之比大于0.8 的前提下，提高水泥石强度相对明显，24 h 抗压强度提高76.92%以上。

表8 纳米增强剂对粉煤灰低密度水泥浆综合性能的影响

2.3 现场应用

结合长庆油田现场实际井况，进行了水泥浆方案设计和性能评价。评价了纳米基复合增强剂在长庆油田不同批次、不同区块低密度水泥浆体系中的综合性能。苏东X 井是苏里格东部的一口气井开发井，该井完钻井深为3016 m，井底循环温度为65 ℃，顶部强度实验温度为45 ℃，固井施工采用一次上返固井，为了防止压漏地层，领浆设计采用轻珠低密度水泥浆体系，前10 t 领浆灰使用掺有纳米基复合增强剂的干灰，即在原有低密度配方基础上加入3%纳米基复合增强剂。现场领浆大样灰性能复核实验结果表明，与原低密度体系相比，纳米增强低密度体系24 h 顶部抗压强度提高50%，48 h 顶部抗压强度提高42%，顶部提强效果良好，稠化时间之比为0.83，满足现场施工安全时间。