低密高强水泥浆体系室内研究

吴泽舟 李 冲 左天青 高 珊 于红倩 李丹阳

低密高强水泥浆体系室内研究

吴泽舟1李 冲1左天青1高 珊1于红倩1李丹阳2

（1.中石油华北油田采油工程研究院，河北 任丘 062552；2.中国石油塔里木油田分公司开发事业部，新疆 库尔勒 841000）

针对长封固段、低压易漏井固井质量较差的问题，通过对漂珠和微硅的优选，确定一套适合不同井底压力的微硅漂珠复合水泥浆体系。室内研究表明，该体系具有密度低、抗压强度高、失水量小、流变性好，稠化时间可调的特点，能有效提高长封固段、低压易漏井的固井质量。

低密度水泥浆；长封固段；低压易漏

随着勘探程度的不断深化，钻井向更深、更复杂或更苛刻的环境延伸，长封固段井、低压易漏失井也不断增多。现阶段，针对漏失与长封固段的解决办法主要有两种：一种是分级注水泥技术；另一种就是采用低密度水泥浆。然而，前者增加了钻井时间与建井周期，使钻井成本增加，所以现阶段多选择后者。目前，国内应用最广泛的低密水泥浆体系为漂珠水泥浆体系。漂珠的物理化学特性使水泥石强度降低。本文以微硅作为增强材料，通过对漂珠以及微硅的优选，建立一套微硅漂珠复合水泥浆体系，从而满足油田建设需要。

1 漂珠优选

漂珠是一种玻璃质材料，具有颗粒粒径大、密度低等特点。漂珠低密度水泥浆的密度调节是通过漂珠掺加量的多少来决定的，通常密度可低至1.10g/cm3。

在一定压力条件下，水泥浆中的水进入空心圆球内部或者漂珠被压碎，会造成水泥浆密度在一定程度上增加，从而使施工作业中的风险增加。本文从漂珠的密度变化率、承压能力等出发，对8种不同的漂珠进行室内实验，最终优选出综合性能优良的漂珠［1-2］。

1.1 漂珠承压能力优选实验

常用漂珠的产品性能参数见表1。

表1 常用漂珠的产品性能参数表

实验方法：按照标准配置低密度水泥浆，首先测量常压下的密度，然后放入高温高压稠化仪内部进行加压搅拌，稳压60min后，释放压力，取出水泥浆，再次测量其密度。

保持加量相同的情况下加入不同的漂珠配制水泥浆在10～90MPa之间进行实验，实验方法如上所示，在不同的压力下，对各配方压后密度进行测定，实验结果见图1。

实验表明：①随着压力增大，水泥浆密度也增大；②当压力小于20MPa，密度变化较小，在0.02g/cm3以内，当压力在30～60MPa之间时，密度增幅加大，当压力达到70MPa时，水泥浆密度趋于平稳，说明漂珠的破碎和空心圆球内部所容纳的水已经达到极限；③相同规格参数的国产漂珠和进口漂珠相比，密度变化率较大，漂珠承压能力较差，而且进口漂珠与国内漂珠相比，在加量相同的情况下，对水泥浆的减轻作业更强，配制的水泥浆密度更低。

图1 不同漂珠在不同压力情况下的密度变化曲线图

1.2 不同类型漂珠对水泥浆性能影响

实验方法：保持加量相同的情况下加入不同的漂珠配制水泥浆，测试漂珠对水泥浆性能影响。实验结果见表2。

表2 不同漂珠对水泥浆性能的影响

注：基浆配方为G级水泥+悬浮稳定剂+分散剂+降失水剂+消泡剂+水+10%漂珠。

实验表明：①国内与国外的漂珠相比，漂珠的类型对水泥浆的初始稠度、流动度、失水影响不大；②水泥浆流动性能较好，均大于18cm，初始稠度也均小于30Bc，满足固井施工标准。

综上所述，进口漂珠各类型指标均高于国产漂珠，但考虑进口漂珠价格昂贵，在同类型国内漂珠各项参数差异不大的情况下，优先选择国产漂珠。

结合考虑推荐抗压强度，当井底压力小于27MPa时，优先选用进口1号漂珠；当井底压力小于42MPa时，优先选用国产2号漂珠，当井底压力小于56MPa时，优先选用进口3号漂珠。当井底压力小于80MPa时，优先选用进口4号漂珠。

2 微硅优选与研究

漂珠颗粒的平均粒径为150～250μm、水泥的平均粒径为70μm。根据Furnas颗粒堆积最密实级配原理，即需要一种颗粒能填充在漂珠与水泥颗粒之间，使混合体堆积的空隙率减小，提高水泥浆整体性能。而微硅可以从两方面增强水泥石强度，首先硅粉会参与水泥浆水化反应，增强水化产物之间的胶结作用，其次微硅平均粒径为0.1μm，远远小于漂珠和水泥的平均粒径，可以直接填充水泥与漂珠之间的空隙。

2.1 不同微硅对水泥浆性能的影响研究

目前，国内常用的微硅产于多地，但不同产地的微硅，物理性能和化学性能都有很大差异。因此，根据低密度水泥浆的要求，针对不同微硅进行优选［3］。

实验方法：在加量相同的情况下加入不同类型的微硅，测试不同微硅对水泥浆性能的影响。对BJ-1与BD-1微硅进行对比，实验结果见表3。

实验表明：不同厂家的微硅对水泥浆的抗压强度、失水影响不大，但对水泥浆的流动度及初始稠度影响较大。BJ-1微硅所配制的水泥浆流动性能较好，能更好地满足固井施工的安全要求。

表4 微硅对水泥浆性能影响表

表3 不同厂家微硅对水泥浆性能的影响

2.2 微硅加量对水泥浆性能的影响

实验方法：在相同条件下优选BJ-1微硅配制水泥浆，其微硅加量对水泥浆性能的影响，实验结果见表4。

实验表明：①漂珠低密度水泥浆24h抗压强度为6.6MPa，微硅漂珠复合低密度水泥浆24h抗压强度随着微硅加量的增加而增加，当微硅加量达到一定值时，水泥石抗压强度开始降低；②当微硅加量达到8%时，各项性能参数达到最优。

3 水泥浆体系配方优选

实验方法：根据漂珠与微硅优选的结果，将漂珠作为减轻剂，微硅作为增强剂，加入其他外加剂，配制成一套适合不同井底压力的微硅漂珠复合低密度水泥浆体系。配方如下：

当井底压力小于27MPa时，配方1：G级水泥+8%微硅+悬浮稳定剂+分散剂+降失水剂+缓凝剂+消泡剂+抑泡剂+水+15%进口1漂珠；

当井底压力小于42MPa时，配方2：G级水泥+8%微硅+悬浮稳定剂+分散剂+降失水剂+缓凝剂+消泡剂+抑泡剂+水+15%国产2漂珠；

当井底压力小于56MPa时，配方3：G级水泥+8%微硅+悬浮稳定剂+分散剂+降失水剂+缓凝剂+消泡剂+抑泡剂+水+15%进口3漂珠；

当井底压力小于80MPa时，配方4：G级水泥+8%微硅+悬浮稳定剂+分散剂+降失水剂+缓凝剂+消泡剂+抑泡剂+水+10%进口4漂珠。

实验表明：微硅漂珠复合低密度4种配方在水泥浆失水量、流动度方面均能满足施工要求；初始稠度较小，稠化时间可调（见表5）。

表5 微硅漂珠复合低密度水泥浆性能

4 结论

①漂珠水泥浆中加入增强材料微硅能有效提高水泥石抗压强度。

②微硅漂珠复合低密度水泥浆体系失水、游离液、流动度能满足固井施工的要求。

③根据各种漂珠承压能力情况，可以根据不同井底压力推荐使用相应的漂珠类型。

［1］张克坚，周仕明，张学平.微硅一漂珠复合低密度水泥浆体系在松南地区的应用研究［J］.石油钻探技术，2004（2）：33-35.

［2］韩卫华.漂珠对低密度水泥浆的密度影响［J］.钻完液与完井液，2004（5）：56-57.

［3］刘德平，钟策，王群，等.微硅低密度水泥固井技术研究［J］.天然气工业，2001（6）：65-66.

Laboratory Study on Low Density and High Strength Cement Slurry System

Wu Zezhou1Li Chong1Zuo Tianqing1Gao Shan1Yu Hongqian1Li Danyang2
（1.PetroChina Oilfield Engineering Research Institute,CNPC，Renqiu Hebei 062552；2.Development Department of PetroChina Tarim Oilfield Company，Korla Xinjiang 841000）

In view of the problem that the quality of cementing in low-pressure and easy-leakage wells is poor.Through the optimization of the floating beads and micro-silicon,to determine a set of different bottomhole pressure micro-silica floating beads composite slurry system.The results show that the system has the characteristics of low density,high compressive strength,low water loss,good rheological property and adjustable viscosity time.Can effectively improve the long sealing section,low pressure and easy leakage of cementing quality.

low density cement slurry；long sealing section；low pressure leakage

TE256.6

A

103-5168（2017）09-0100-03

2017-08-02

吴泽舟（1987-），男，本科，工程师，研究方向：固井水泥浆。