一种经济型低密度水泥浆体系的开发与应用

＊侯亚伟 许前富 王义昕 陈宇

（中海油田服务股份有限公司油田化学研究院 河北 065201）

海内外各类低压易漏失复杂油气井广泛分布，低密度水泥浆的应用越来越普遍。目前常用成熟的低密度水泥浆体系有两种：一种以空心微珠为减轻材料配制水泥浆，优点是可根据需求配制不同低密度的水泥浆且水泥浆性能优异，缺点是水泥浆成本高；一种是利用传统减轻材料如膨润土、粉煤灰等配制的水泥浆，虽然成本较低，但是水泥浆密度一般为1.5g/cm3以上，且水泥浆稳定性差、强度低，尤其是低温性能差，无法满足市场施工需求[1-3]。

近年来，油气田开发降本增效的压力逐渐增大，因此开发性能适宜的经济型水泥浆体系具有重要的现实意义。本研究采用具有吸水性能较强、比表面积大、水化反应快的材料开发了多功能材料C-P10，并以C-P10为核心材料辅以外掺料和功能性外加剂开发经济型低密度水泥浆体系。构建的1.40～1.55g/cm3水泥浆体系成本低，配方简单，性能满足一般低压漏失地层技术套管固井。

1.实验部分

(1)材料准备

实验材料包括G级油井水泥（SD‘G’），降失水剂C-FL83L、增强剂C-BT1、早强剂C-A93L、消泡剂C-X60L等固井外加剂。

针对经济型低密度水泥浆体系需水量大，固相含量低导致水泥浆不稳定、水泥石强度发展慢的问题，中海油服开发出具备高悬浮性能、早强性能、促凝性能的多功能添加剂C-P10。该添加剂由硅氧晶体组成的层状结构物质A，小粒径、高比表面积的活性材料B，纳米级活性材料C构成。

物质A是一种由硅氧晶体组成的层状结构物质，具有较强吸水性，能吸收自身体积20倍的水，吸水后在水中成胶态，具有一定黏滞性和触变性，同时其层间存在大量金属、非金属阳离子，有较强的离子交换能力和吸附性能，有利于提高体系的悬浮稳定性，在提高液固比的同时能够有效控制游离液和稳定性。

物质B是一种反应速度较快的材料，有利于增加水泥早期水化反应速率，促进水化反应的进程，增加体系钙矾石的数量有利于早期强度的发展，同时还可以与体系中的聚合物降失水剂发生鳌合，从而增加体系稳定性。

物质C是一种纳米尺寸具有高比表面积的活性材料，需水量较高，同时能加速水泥水化反应，同时与水化产物Ca(OH)2反应生成C-S-H凝胶，加速水化反应向正向进行，在增加水化产物数量的同时还能够填充水泥硬化体中的细小空隙，形成的结构均匀致密，改善水泥石的力学性能[4-5]。

(2)实验仪器

美国TA公司TAM air水化热分析仪，美国Chandle公司8040型增压稠化仪和3500LS旋转粘度计，DFC-0705S型高温高压失水仪，YJ-2001型匀加荷压力试验机等。

(3)实验方法

水泥浆配方如下：

配方A：100%SD‘G’+20%C-BT1+X%C-P10+8%C-FL83L+1%C-A93L+0.25%C-X60L+自来水，水泥浆密度为1.4g/cm3。

配方B：100%SD‘G’+15%C-BT1+X%C-P10+6%C-FL83L+0.6%C-A93L+0.25%C-X60L+自来水，水泥浆密度为1.55g/cm3。

在不同温度、加量等条件下，分别考察了C-P10对构建的低密度水泥浆的稳定性、抗压强度、稠化性能等性能的影响。

2.结果与讨论

(1)C-P10对水泥浆稳定性影响

本研究构建的低密度经济型水泥浆中并未添加任何空心微珠等减轻材料，而是依靠提高配降水用量来降低浆体密度。随着配浆水量提高，水泥浆稳定性下降，从而出现自由液增多，上下密度差变大的现象。

表1 C-P10对水泥浆稳定性的影响Tab.1 Effect of C-P10 on slurry stability

水泥浆配方：100%SD‘G’+15%C-BT1+X%C-P10+Y%CFL83L+3+0.6%C-A93L+0.25%C-X60L+自来水。

从表1数据可以发现，体系中同时含有减轻剂C-P10与降失水剂C-FL83L时，水泥浆自由液明显减少，流变性读数提高，水泥石上下密度差也逐步缩小，这说明水泥浆稳定性得到很大改善。构建的体系可以有效控制自由水＜1%，上下密度差小于0.02g/cm3，满足固井的施工要求。

(2)C-P10对水泥浆流变性能的影响

表2 C-P10对水泥浆流变性能的影响Tab.2 Effect of C-P10 on rheological property

从表2数据可以发现，不同温度下，随着C-P10加量的提高，水泥浆的低转速读数增大明显，但高转数读数较低。表明C-P10可以有效提高水泥浆的切力和水泥浆的稳定性。水泥浆较低的高转速读数，保证了水泥浆在泵送过程中磨阻较低。

(3)C-P10对水泥石强度的影响

对于低密度水泥浆，水泥石抗压强度是衡量水泥浆能否施工的重要指标，采用配方B，在不同的温度下，研究了C-P10对水泥石强度的影响。

表3表明，在不同温度下，水泥石强度均随着C-P10加量增多而增大。随着加量的增加水泥石强度缓慢增加。C-P10在一定加量范围内可以有效提高水泥石强度，但是随着加量增大，C-P10的促凝作用达到饱和，部分C-P10不再参与水泥早期水化，无法进一步起到提高早期强度效果。图1表明相同温度下，水泥石的抗压强度随着C-P10加量的增加而逐渐增加。

表3 不同C-P10加量下1.55g/cm3水泥石抗压强度Tab.3 Compressive strength of 1.55g/cm3 cement set with different dosage of C-P10

图1 同一温度（40℃）不同加量C-P10对水泥石抗压强度的影响变化规律Fig.1 The influence of C-P10 on the compressive strength of cement set at the same temperature(40℃)with different dosage

(4)C-P10对水泥浆稠化时间的影响

C-P10在不同加量时对水泥浆稠化时间的影响如图3所示。

图2 C-P10加量对水泥浆稠化时间的影响Fig.2 Influence of C-P10 on thickening time of cement slurry with different dosage

由图2可以看出，不同温度下，水泥浆的稠化时间随着C-P10的加量增大而缩短，C-P10具备较好的促凝性能，可以有效促进水泥浆的水化，低温下可将稠化时间从418min缩短至226min左右，大大提高了低温下水泥浆稠化时间的可调性。

图3缓凝剂加量对水泥浆稠化时间的影响表明，水泥浆的稠化时间随缓凝剂加量增大而规律性延长，具备良好的可调性，认为C-P10的促凝性能并未破坏缓凝剂的作用，较高温度下可以通过添加缓凝剂的方法调节水泥浆的稠化时间。

图3 缓凝剂加量对水泥浆稠化时间的影响（50℃）Fig.3 Effect on thickening time of cement slurry(50℃) with different retarder dosage

(5)水泥浆综合性能

以C-P10构建的1.4～1.5g/cm3水泥浆的基本性能如表4。

表4 1.4～1.55g/cm3水泥浆基础性能Tab.4 Basic performance of 1.4～1.55g/cm3 cement slurry

图4 1.4g/cm3水泥浆稠化曲线Fig.4 Thickening curve of 1.4 g/cm3 cement slurry

3.现场应用

由于渤海海域各区块水深均较浅，约为数十米，对表层固井水泥浆性能的要求较低，表层固井过程中，多采用领尾浆配合固井，其中领浆主要起填充功能，一般水泥浆密度需满足密度1.4～1.6g/cm3，稠化时间4～6h可调，24h水泥石强度不小于6.9MPa，API失水小于100ml，自由水小于1%，循环温度大多介于20～50℃。如采用常规的空心微珠配制的水泥浆虽然水泥浆性能好，但通常价格很高，成本回报率低，使用以C-P10为主要材料的低密度水泥浆体系作为领浆在渤海湾岐口（QK）18-XX井进行了首次应用。

岐口（QK）18-XX井完钻井深为573m，完钻钻井液密度为1.16g/cm3，一开固井，φ17-1/2”井眼，下入φ13-3/8”套管，井底BHCT/BHST为28℃/35℃，尾浆采用常规的1.9g/cm3水泥浆（水灰比0.44），领浆采用水泥浆密度为1.5g/cm3，要求稠化时间4～5h，低密度水泥浆性能如表4所示，满足领浆固井需求，固井结束后，电测固井质量优。

表5 经济型低密度水泥浆性能Tab.5 Performance of cement slurry with low cost and low density

以C-P10为主要材料配制的低密度水泥浆体系，因主要依赖水为减轻材质，大幅降低空心材料的添加量，使得水泥浆成本大幅降低，且性能良好，具备很好的现场应用价值。

4.结论

（1）C-P10在提高水泥浆液固比的同时还有助于体系稳定和水泥石强度发展，可将其作为减轻剂配制低密度水泥浆。

（2）C-P10原料来源广泛，市场价格低，可减少甚至不使用高成本的人造微珠构建水泥浆体系，从而显著降低体系成本。

（3）以C-P10为核心构建的1.40～1.55g/cm3经济型低密度水泥浆各项技术性能均满足施工要求。该体系的现场应用结果良好，可以推广使用。