纳米二氧化硅对固井水泥浆性能的影响

李波 陆永伟

摘 要：纳米二氧化硅是一种新型高性能材料，能够有效改善水泥基材料的力学性能和微观结构。为了研究纳米二氧化硅对固井水泥浆性能的影响，通过加入不同比例的纳米二氧化硅，评价水泥浆的流变性、稳定性、稠化时间、失水量、抗压强度、抗折强度及抗冲击强度。实验结果表明，加入适量的纳米二氧化硅会使水泥浆体系增稠，沉降稳定性更好，失水性能得到明显改善，稠化时间缩短。纳米二氧化硅可以有效改善水泥浆体系的抗压强度、抗折强度及抗冲击强度，尤其提高了水泥浆体系的早期强度。研究结果为纳米二氧化硅在固井水泥浆中的应用提供参考。

关键词：纳米二氧化硅;固井;水泥浆;力学性能;早期强度

中图分类号：TE256 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）13-0096-04

Abstract： Nano-silica is a new type of high performance material， which can effectively improve the mechanical properties and microstructure of cement-based materials. In order to study the influence of nano-silica on the performance of cement slurry， the rheology， stability， thickening time， water loss， compressive strength， flexural strength and resistance of cement slurry were evaluated by adding different proportion of nano-silica. The impact strength test results show that adding appropriate amount of nano-silica can thicken the cement slurry system， improve the settlement stability， improve the water loss performance and shorten the thickening time. Nano-silica can effectively improve the compressive strength， flexural strength and impact strength of cement slurry system， especially the early strength of cement slurry system. The research results provide a reference for the application of nano-silica in cementing slurry.

Keywords： nano-silica;cementing;cement slurry;mechanical properties;early strength

油氣井固井就是在环空井壁与套管之间注入水泥浆，然后凝固形成水泥环，目的是封隔油、气、水层，防止层间互窜，保护套管，增加油气井寿命。随着油气田的深入开发，地层的复杂情况对固井技术要求也越来越高。油气井在开发过程中在井下射孔、压裂及开采等作业时，水泥环易遭到损坏。为了使水泥环能够有效封隔地层，在水泥基中添加高性能材料来提高其性能成为一种必然[1-4]。

纳米二氧化硅粒径小、具有比常规材料更大的比表面积和表面能，且具有火山灰活性，加入水泥浆中能够有效改善水泥基材料的力学性能和微观结构[5]。Ershadi等[6]研究发现，与空白水泥石相比，纳米二氧化硅水泥石的孔隙度和渗透率分别下降了33.3%和99%。Tjemsland[7]研究了纳米二氧化硅对水泥浆性能的影响。研究结果表明，水泥浆的流变性能得以改善，水泥石的早期强度也得到明显提高。陈安生等[8]测试了不同纳米二氧化硅含量下的混凝土的力学性能，评价表明，当纳米二氧化硅掺量为2%～3%，抗压强度增加11%。杨洪雨等[9]在油井水泥中加入纳米二氧化硅，水泥浆体系的稳定性提高，稠化过渡时间缩短，水泥石抗压强度显著提高。本实验通过掺入不同加量的纳米二氧化硅，评价纳米二氧化硅对固井水泥浆性能的影响。

1 实验部分

1.1 实验材料及仪器

嘉华G级油井水泥（四川嘉华特种水泥有限公司）;纳米二氧化硅（宣城晶瑞新材料有限公司）;降失水剂、分散剂、增强剂、缓凝剂及消泡剂（荆州嘉华有限公司）。实验所用主要仪器如表1所示。

1.2 实验方法

1.2.1 实验配方。实验配方为100%G级油井水泥+44%水+2%增强剂+2%降失水剂+0.4%缓凝剂+0.5%分散剂+0.5%消泡剂+纳米二氧化硅。

1.2.2 纳米二氧化硅使用方法。将准确称取的纳米二氧化硅加入到所需加量的配浆水中，用搅拌器匀速搅拌5min，然后利用超声波清洗器50kHz超声分散处理20min，让纳米二氧化硅充分分散，从而得到纳米二氧化硅溶液。再用此溶液进行水泥浆的配置。

1.2.3 水泥浆性能的评价。参照《油井水泥试验方法》（GB/T 19139—2012）配制水泥浆，并对配制的水泥浆进行测试。

2 实验结果与讨论

2.1 纳米二氧化硅水泥浆流变性的研究

油井水泥浆的流变性决定水泥浆在井筒环形空间中的流态，是水泥浆配方设计的核心以及安全施工的前提。水泥浆具有良好的流变性可以保证水泥浆在固井施工过程中的安全性和泵送效率[10]。

为了研究纳米二氧化硅对水泥浆流变性的影响，采用六速旋转粘度计测试不同纳米二氧化硅加量下的流变性，实验结果如表2所示。由表2可知，随着纳米二氧化硅加量的增大，水泥浆体系会逐渐增稠。不同纳米二氧化硅加量下的流变性都能满足固井施工泵送要求。因此，纳米二氧化硅的加入不会对水泥浆体系产生很大的影响。为了保证良好的流变性，需要控制纳米二氧化硅的加量。由于纳米二氧化硅固体含量的加大，颗粒之间的摩阻变大，导致水泥浆体系增稠。

2.2 纳米二氧化硅水泥浆稳定性的研究

水泥浆体系稳定性差会导致体系分层，影响水泥环质量。为了研究水泥浆在井下的静态稳定性，可测量水泥浆的游离液和利用密度计测量水泥浆上下液层的密度差。游离液和密度差越大，水泥浆体系的稳定性越差，实验结果如表3所示。根据实验结果可知，随着纳米二氧化硅加量的增大，游离液逐渐变小一直到零，密度差也在逐步减小。因此，加入适量的纳米二氧化硅可以有效改善水泥浆体系的稳定性。加入纳米二氧化硅后，水泥浆体系的黏度增大，颗粒的悬浮稳定性增加，改善了水泥浆体系的稳定性[11]。

2.3 纳米二氧化硅水泥浆失水性能的研究

水泥浆失水量过大，会使水泥浆的水灰比发生变化，导致水泥浆体系不稳定，促使水泥浆过早凝固，稠化时间变短，也会损害地层。水泥浆的失水性能直接影响固井施工质量和油井的产能等，故失水量越小越好[12]。为了研究纳米二氧化硅对水泥浆失水性能的影响，室内测试不同纳米二氧化硅加量下的失水量，实验结果如图1所示。由图1可知，随着纳米二氧化硅加量的增大，水泥浆体系的失水量逐步减小，失水性能越好。当纳米二氧化硅的加量达到2.5%时，水泥浆的失水量从58mL降到24mL。由于纳米二氧化硅具有较大的比表面积，粒径较小，可以有效充填泥饼的孔隙，颗粒之间的自由水也会减小，有效降低水泥浆体系的失水量。

2.4 纳米二氧化硅水泥浆稠化时间的研究

稠化时间是指在一定温度与条件下，水泥浆稠度达到100BC所需的时间。固井作业时，为了保证有绝对的施工时间，避免事故的发生，必须对使用的水泥浆进行稠化时间实验。一般在满足施工时间的基础上，附加一点时间来设计水泥浆的稠化时间。水泥浆的稠化时间直接关系到固井作业的施工安全。室内对不同纳米二氧化硅加量下的稠化时间进行测试，实验结果如图2所示。由实验结果可知，随着纳米二氧化硅加量的增大，水泥浆体系的稠化时间逐渐缩短。当纳米二氧化硅加量为2.5%时，稠化时间从空白的241min降到173min，稠化时间减少了28%。这是由于纳米二氧化硅加快了水泥的水化反应。

2.5 纳米二氧化硅水泥浆力学性能的研究

水泥浆注入套管与地层环空后最终会凝固并形成水泥环。固井水泥环可以保护套管，减少地层流体或地层压力对套管的损害，起到保护油气井套管的作用，增加油气井寿命，并提高油气产量。油气开采中，在射孔、压裂等作业下，水泥环会产生应力变化，易发生脆性破坏而导致其力学完整性失效，轻则造成气窜和环空带压，重则导致油气井报废。水泥浆的力学性能直接影响油气井的使用寿命。为了探究纳米二氧化硅的掺入对水泥石力学性能的影响规律，测试了在不同纳米二氧化硅加量下，80℃养护0.5、1、3d 及7d后的抗压强度、抗折强度及抗冲击强度，实验结果如图3、图4及图5所示。

由图3、图4和图5可知，随着养护时间增长，抗压强度、抗折强度及抗冲击强度都有所提高。随着纳米二氧化硅加量加大，抗压强度、抗折强度及抗冲击强度也会有所增大。

与空白样相比，当纳米二氧化硅加量为2.5%时，养护0.5d后，抗压强度、抗折强度及抗冲击强度分别提高41.8%、54.9%及33.3%。养护3d和7d的抗压强度、抗折强度、抗冲击强度较空白样分别提高13.8%、43.1%、21.3%和17.1%、52.8%、19.4%。因此，加入适量的纳米二氧化硅后，抗压强度、抗折强度和抗冲击强度都得到提高，尤其0.5d的早期强度得到显著提高。纳米二氧化硅可以有效改善水泥石的力学性能。

3 结论

①加入适量的纳米二氧化硅会使水泥浆体系增稠，沉降稳定性更好，失水性能得到明显改善，稠化时间缩短。

②纳米二氧化硅可以有效改善水泥浆体系的力学性能，尤其提高了水泥浆体系的早期强度。当纳米二氧化硅加量为2.5%时，养护0.5d后，抗压强度、抗折强度及抗冲击强度分别提高41.8%、54.9%及33.3%。

参考文献：

[1]谭春勤，刘伟，丁士东，等.SFP弹韧性水泥浆体系在页岩气井中的应用[J].石油钻探技术，2011（3）：53-56.

[2]刘硕琼，齐奉忠.中国石油固井面临的挑战及攻关方向[J].石油钻探技术，2013（6）：6-11.

[3]华苏东，姚晓.油井水泥石脆性降低的途径及其作用机理[J].中国石油大学学报（自然科学版），2007（1）：108-113.

[4]严思明，严圣东，吳亚楠，等.功能材料对固井水泥石力学性能的影响[J].石油钻采工艺，2018（2）：174-178.

[5]宋建建，许明标，王晓亮，等.纳米材料在油井水泥中的应用进展[J].科学技术与工程，2018（19）：141-148.

[6]Ershadi V，Ebadi T，Rabani A，et al.The Effect of Nanosilica on Cement Matrix Permeability in Oil Well to Decrease the Pollution of Receptive Environment[J].International Journal of Environmental Science and Development，2011（2）：128-132.

[7]Tjemsland M.The effect of nano-silica in oil-well cement[D].Trond-heim：Norges Teknisk-naturvitenskapelige Universitet，2013.

[8]陈安生，唐小萍，王四清，等.纳米级二氧化硅的掺量对高性能混凝土性能影响试验研究[J].工业建筑，2014（7）：102-105.

[9]杨洪雨.液态纳米二氧化硅对水泥浆性能影响研究[J].西部探矿工程，2017（7）：84-85，88.

[10]张兴国，高兴原，冯明.固井质量影响因素分析[J].钻采工艺，2002（2）：10-13.

[11]蒙飞.纳米二氧化硅和氧化石墨对固井水泥浆性能及水化过程的影响研究[D].成都：西南石油大学，2016.

[12]詹美玲.抗高温油井水泥降失水剂的合成及性能研究[J].探矿工程（岩土钻掘工程），2018（3）：46-48，52.