国内外固井低密度水泥浆体系研究综述

卢海川，王 琼，郭秋实，赵烁森，安少辉，高继超

中国石油集团海洋工程有限公司渤星公司，天津 300451

随着石油勘探开发的进程，越来越多的遇到低压地层、薄弱地层等容易发生漏失的地层，而低密度水泥浆体系正是伴随着这些复杂情况的处理而逐渐发展和完善起来的[1-2]。低密度水泥浆体系是解决低压易漏层固井问题的有效手段。目前，国内外低密度水泥浆体系种类繁多，性能和使用范围也不尽相同。低密度水泥浆体系主要通过掺入常规需水材料、空心减轻材料、泡沫等来降低密度。本文对各种减轻方式形成的低密度水泥浆体系研究进行了分类综述。

1 需水型低密度水泥浆体系

该类低密度水泥浆体系主要是通过加入需水量较大的材料，从而通过增加用水量来达到降低密度的目的。目前，常用的需水量较大的材料主要包括膨润土、硅藻土、微硅、粉煤灰、硬沥青、水玻璃、其他硅质充填物等[3]。该低密度水泥浆体系优点是成本低且不存在耐压问题，压力对其密度无影响，但过多水量的加入则会降低水泥浆的性能。水泥浆水灰比较大，常会导致水泥浆稳定性变差、强度低且强度发展慢、稠化时间难以调节、失水量难以控制、渗透率高等缺点。此类水泥浆常难满足目的层固井的需求，多用于填充段，其适用密度范围一般为1.50～1.80 g/cm3。

需水型低密度水泥浆具有成本低、不受压力影响的特点，因此随着深井、超深井技术的不断发展和推广，开发出需水量大、活性高的材料配制低密度水泥浆成为一个研究的热点。通过引入性能优良的需水材料，明显提高了此类低密度水泥浆性能，且使其使用密度范围进一步扩大。下面对一些此类典型的研究进行一下概括总结。

粉煤灰作为一种来源广、成本低，且具有潜在活性的减轻材料，具有较好的应用价值。粉煤灰本身的化学组成与微观颗粒形态决定了其活性低、水化慢，因此如何激活粉煤灰的活性是粉煤灰低密度的关键。杨广国等[4]通过对其进行物理活化，破坏玻璃体表面致密保护层，改善颗粒圆球度，增加颗粒细度；再进行颗粒分级，窄化粒径分布，90%的活化粉煤灰颗粒粒径小于5 μm；配合使用化学激活剂，可有效提高粉煤灰活性。扫描电镜显示，活化粉煤灰水泥浆养护24 h的水化产物均匀，其间未有未反应的粉煤灰颗粒。以活化粉煤灰为主要减轻材料，研制开发出性能优良的活化粉煤灰低密度水泥浆体系，其密度在1.45～1.55 g/cm3可调，48 h水泥石抗压强度大于15 MPa，水泥浆上下密度差小于0.01 g/cm3。该体系在塔河油田应用30多井次，固井优良率达到80%，有效解决了塔河油田二叠系低压易漏层固井难题。

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能，即将珍珠岩原料破碎成一定粒度，在骤然加高温条件下，内部结合水变成高压水气力图外逸，使黏稠的玻璃质颗粒不断膨胀，再迅速冷却，后形成多孔结构的产品。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左右，堆积密度为0.10～0.20 g/cm3，孔隙间可吸存比自重量重5～6倍的水分，因此是配制需水型低密度水泥浆一种良好的充填材料[5]。用膨胀珍珠岩复配一些其他需水材料，可将水泥浆密度降至1.30 g/cm3左右。

天然类火山灰是一种含硅量较高的硅质材料，具有较小的密度和较大的比表面积、吸水率高、保水性能强等特点，且具有一定的活性，是需水型低密度比较优良的充填物。罗发强等[6]以一种广泛应用的天然类火山灰为主要减轻材料，辅以其他硅质材料，根据粒度级配和优化原理，配合新开发的早强剂，设计出密度可在1.35～1.60 g/cm3范围内变化，适合低压易漏地层固井作业的新型低密度水泥浆体系。室内实验表明，该体系具有悬浮稳定性强、滤失量低、水泥石早期抗压强度较高、成本低廉、且浆体密度受压力影响较小等特点，克服了常规低密度水泥浆早期强度低和漂珠受压力影响较大的缺点, 具有良好的工程应用前景。

蛭石是一种复杂的铁、镁含水硅酸盐类矿物，其矿物组成和化学成分随产地不同而有很大变化。蛭石矿物的平均密度约为2.5 g/cm3，抗压强度100～150 MPa，吸水率为18%～20%，膨胀倍数为10～25，耐碱性较耐酸性强。宋碧涛等[7]为了克服常规低密度水泥浆强度低和漂珠在高压下密度上升的缺点，通过室内实验研究，根据粒度级配原理，以蛭石为主要减轻材料、辅以其他硅质材料，开发出密度1.35～1.50 g/cm3的低密度水泥浆体系。室内实验研究表明，该水泥浆体系流变性能、滤失性能良好，且有一定的膨胀性能，适于低压易漏地层固井。

此外，为了方便海上施工，近些年人们对全液混低密度水泥浆体系进行了研究。在该体系中除了水泥外，其余减轻剂和外加剂全为液体，这样可降低灰罐使用，减小了现场工作人员的劳动强度，具有很好的经济性。但此类低密度水泥浆由于水灰比很大，所以密度较低时水泥石强度偏低，且渗透率较高，一般只用作填充段固井。此体系减轻的原理主要是采用具有高悬浮剂和增强作用的液体减轻剂，其可使水泥浆体系在很大水灰比的情况下保持良好的稳定性和一定的强度，减轻的方式主要还是通过增加体系需水量通过水来实现减轻。冯颖韬等[8]针对海上施工问题，开发了液体减轻剂，其具有高悬浮性，可使水灰比为2的水泥浆保持较好的稳定性，显著提高了水泥浆的造浆率，且其具有增强和促凝的作用，其适用水泥浆密度1.30～1.70 g/cm3。该液体减轻水泥浆体系作业成本较漂珠体系明显降低,满足深水低温条件性能要求,可适用于深水表层固井。

2 空心漂珠、微珠低密度水泥浆体系

空心材料由于其为密闭的中空材料，因此其实际密度很低，具有明显的降低体系密度的作用，是一种性能优良的减轻材料。目前常用的此类减轻材料主要包括漂珠、高性能空心玻璃微珠。

空心的漂珠是煤燃烧的副产物，其直径范围大约在25～300 μm。相对于加水降低密度的水泥浆，利用该方法得到的水泥浆可以具有更低的密度，形成的水泥石强度发展快强度高且渗透率低。在水泥浆中漂珠表面具有一定活性，其主要化学成分为氧化硅、氧化铝，还有少量的氧化铁、氧化钙和氧化镁，这些物质能与水泥水化析出的羟钙或石膏作用，生成具有胶凝性质的化合物，从而提高强度。漂珠是低密度水泥浆应用最为广泛的一种减轻剂，其密度一般在0.70 g/cm3左右，配合其他需水材料，可将水泥浆密度降至1.30 g/cm3以下，且具有较好的综合性能[9-10]。但是，漂珠耐压能力有限，通常压力超过20 MPa就会出现大量破碎，从而导致水泥浆密度明显上升，无法满足一些高压复杂井的要求[11]。另外，随着近年来对环保的要求越来越严格，漂珠生产量越来越少，价格也不断上涨，从而限制了其应用。

高性能空心玻璃微珠[12-13]是一种人造的空心微珠，其真密度在0.20～0.60 g/cm3，粒径在2～130 μm之间，具有重量轻、导热系数低、抗压强度高、流动性好等特点。高性能空心玻璃微珠相比空心漂珠具有以下优点： 1)密度可人为控制，可达到明显低于空心漂珠的密度，从而为制备性能优良的超低密度水泥浆提供良好的减轻材料。2)耐压程度可通过工艺控制，可制备出耐压程度很强的空心微珠，从而满足高压复杂地层的固井需求。高性能空心玻璃微珠相比空心漂珠其缺点是成本更高，在成本控制严格时不利于其推广应用。不同厂家的高性能空心玻璃微珠通常会根据密度和耐压程度分为多个不同系列，通常是密度越低耐压程度越低，密度和耐压之间存在一定矛盾，因此在降低空心微珠密度的同时如何提高其耐压能力是一个难点问题，也是高性能空心玻璃微珠的一个发展方向。

目前高性能空心玻璃微珠做得最好的是美国3M公司，其用在固井中的HGS系列中空玻璃微珠，是一种碱性硼硅酸钙盐，不溶于水和油，密度在0.20～0.60 g/cm3，直径在10～90 μm，壁厚2～3 μm，耐高温，化学稳定，能降低流体黏度，改善流动性，具有较高的强度和不可压缩性，最高耐压可达124 MPa，其拉伸强度、抗压强度、杨氏模量均优于漂珠。国内现已有多家企业进行高性能空心玻璃微珠研究和生产，密度在0.20～0.60 g/cm3，最高耐压可达83 MPa，可满足大部分油气井的固井。

直接采用空心材料配制低密度水泥浆虽可明显降低体系密度，但水泥石强度较低，且由于空心材料很容易上浮，因此稳定性难以保证。因此，在实际应用中，常掺入一些悬浮稳定、增强性的材料。其中，使用最多是微硅和一些增强材料[14]。美国BJ石油服务公司利用API G级水泥、漂珠及微硅配制的水泥浆密度可达1.25 g/cm3, 性能与常规1.90 g/cm3水泥浆相近，包括失水量，稳定性和抗压强度。该技术应用上百口井，都取得了良好的固井效果。使用微硅和高性能空心微珠配制的低密度水泥浆，密度可达1.30 g/cm3以下，水泥浆具有较好的强度和稳定性。

此外利用空心材料作为减轻材料，采用紧密堆积原理设计，复合不同性质、不同形状、不同尺寸的材料开发高强低密度水泥浆体系也是低密度水泥浆开发的热点[15-18]。高强度低密度水泥浆体系根据组成物料的特性，进行合理组合和进一步加工，保证物料颗粒之间紧密堆积并具有良好的颗粒分布和颗粒级配。此低密度水泥浆体系可减少物料颗粒间的充填水和表面的润滑水提高水泥浆单位体积中固相含量，以形成更加致密的水泥石；通过超细矿物材料之间的物理化学作用等手段，以提高低密度水泥浆的力学性能。目前此类低密度水泥浆性能最优，国内及国外多家公司都有相应的体系。开发的高强度低密度水泥浆最低密度可达到0.90 g/cm3，具有密度低、强度高、稳定性好、渗透率低等特点，同等条件下可与常规密度水泥浆的强度相媲美，此类体系已在海内外油田得到了广泛应用，取得了良好的效果。

3 泡沫低密度水泥浆体系

气体具有极小的密度，因此当气体以气泡形式存在于水泥浆中时可明显降低体系的密度。利用泡沫得到的水泥浆要比用水降低密度得到的水泥浆具有更高的抗压强度，且泡沫水泥具有一定弹性，可压缩，可膨胀，导热系数低，适用于一般低压易漏地层、水敏性地层、热采井以及防气窜井的固井。

制造泡沫的方法有2种：一种是机械充气法，这种方法可根据需要在水泥浆中充入任意设计量的气体，并通过人工干预形成均匀细小的气泡[19]。但所需设备庞大，工艺设计和施工都较为复杂。可以根据充气量的大小，调节水泥浆密度，使水泥浆井下密度降至0.84～1.32 g/cm3，最低可达0.5～0.6 g/cm3。美国哈里伯顿公司一直致力于机械注氮泡沫水泥浆固井技术研究与完善工作，研制开发了相应的外加剂、计算机控制系统及配套现场施工工艺技术。现场施工时，由水泥车用含有各种外加剂的混合水配制净浆，通过氮气泵向净浆中注入氮气形成泡沫水泥浆，注氮量的大小可根据现场设计的水泥浆密度由计算机自动控制。另一种是化学发气法，它是利用化学剂在水泥浆中反应产生氮气而形成泡沫水泥，由于发气量较小，降低密度受到限制，常加入减轻剂进一步降低密度，但无需添加任何辅助设备，设计简单施工方便。

随着发泡和稳泡技术的发展以及固井设备性能的提高，使得泡沫水泥固井技术得到迅速发展，已经成为较成熟的油井水泥浆体系，在各种低压高渗透、漏失层、高温层以及出水地层的堵漏、固井施工中获得了可喜的应用成果。其中主要是在美国加利福尼亚的Mt.Poso油田蒸汽驱浅井、德克萨斯西部和新疆西哥东南部油田的卤水层封隔及岩盐层固井、威利斯顿盆地和帕明盆地的岩盐层固井、美国俄亥俄州天然气深井固井以及阿曼Marmul油田空气钻井后井眼固井等相关领域得到了广泛应用[19]。渤星公司开发的泡沫低密度水泥浆也已经在长庆等油田得到广泛应用，取得了良好效果。

4 复合减轻的低密度水泥浆体系

为了进一步提高低密度水泥浆的综合性能以及性价比，有的研究会采用几种减轻方式复合的方法，制备新型的低密度水泥浆体系。常用的方式有2种，一种是性能优良的低密度水泥浆与泡沫水泥浆的结合，另一种是常规减轻材料与需水型材料相结合，利用水、空心材料或其他低密度材料复合来减轻，提高水泥浆的性价比。

常规低密度水泥浆与泡沫水泥浆的复合使用也逐渐受到重视，在常规低密度水泥浆中引入泡沫，在明显降低水泥浆体系密度的同时，对水泥浆其他性能影响不大，从而扩大了其使用范围，这方面国外研究较多[20-21]。国外通过空心微珠和充气泡沫两种减轻方式的有机结合，制备出了密度更低、性能更加优良的超低密度水泥浆(ULCS)。墨西哥中南部Samaria区域地层的破裂压力梯度非常低(0.879～1.198 g/cm3)，水泥浆不能成功地在井眼内循环，采取的方案是利用先配制密度为1.32～1.44 g/cm3的微珠水泥浆，然后将水泥浆充气至密度为0.998 g/cm3制得超低密度水泥浆。自从引进了该技术之后，施工者已经能够成功地将水泥浆循环到尾管以上，以往不可能达到的水泥浆性能都可以达到。此外，密度为0.647 g/cm3超低密度水泥浆在墨西哥Cantarell油田尾管固井中得到应用，固井质量得到很大提高。该技术的使用可以有效地避免昂贵的多级注水泥作业以及固井质量差后的挤水泥修复作业。

彭志刚等[22]通过大量实验, 采用改性有机橡胶与需水性材料复合的方式，复配出一种新型实心耐压减轻材料FXW，主要由改性再生橡胶粉、粉煤灰、微硅、增强材料组成。其中改性再生橡胶粉是将回收的废旧轮胎，经过常温橡胶粉碎机粉碎， 再通过颗粒分级筛选， 然后用表面活性剂进行化学改性，并掺入微量活性成分复配而成。采用合适的加量，可使水泥浆的密度降到1.30 g/cm3以下。实验证明，减轻材料FXW与其他外加剂相容性好，浆体施工性能优良；FXW为实心减轻材料，能够承受井下高压，解决了漂珠和泡沫低密度水泥浆不能承压的问题；FXW低密度水泥石强度高，韧性好，可满足油井后期开发需求。

卢海川等[23]将纳米材料引入到低密度水泥浆中，复配不同粒径的高需水超细材料和空心微珠材料，形成了一套纳米基低密度水泥浆体系。该体系具有成本低性能好的特点，在很大水灰比的情况下，具有高强度、良好稳定性和较低渗透率的特点，且耐压性能良好，在现场应用多口井，固井质量良好，明显降低了作业成本。

5 结论

结合目前低密度水泥浆国内外研究现状，低密度水泥浆的发展趋势和研究方向总结如下：

1)开发低成本高性能低密度水泥浆体系。面临国际油价持续低迷，勘探开发成本逐渐压缩，低成本成为各大油田公司未来一段时间乃至长期一个重要发展战略。而目前所用的高性能低密度水泥浆成本偏高，因此开发一些新型低密度材料，在降低成本的同时改善水泥浆的综合性能，是一个重要的研究方向，如开发一些高活性的需水材料，其在降低水泥浆的密度的同时，又可保证水泥浆具有良好的稳定性和强度。

2)开发高耐压低密度水泥浆体系。随着深井、超深井技术的不断发展和推广，越来越多的易漏地层面临高压的问题，而常规的低密度水泥浆体系耐压能力有限。利用高性能空心玻璃微珠虽可得到一定高耐压的水泥浆体系，但成本较高，且耐压能力与密度之间存在一定矛盾，因此开发密度低、耐压能力强、成本低的高性能空心玻璃微珠是一个研究方向。

3)将纳米技术引入到低密度水泥浆体系设计中，利用紧密堆积原理，进一步提升低密度水泥浆的综合性能。

4)综合利用各种减轻方式的优势，采用多种减轻材料复合的方法，开发综合性能良好的低密度水泥浆体系。