劉學(xué)鵬張明昌馮明慧劉 偉丁士東韓進(jìn)東

（1.中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101；2.中國(guó)石油海洋工程有限公司鉆井事業(yè)部，天津 300451）

復(fù)合空心微珠低密度水泥漿的研究與應(yīng)用

劉學(xué)鵬1張明昌1馮明慧2劉 偉1丁士東1韓進(jìn)東2

（1.中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101；2.中國(guó)石油海洋工程有限公司鉆井事業(yè)部，天津 300451）

低壓易漏地層在固井過(guò)程中易發(fā)生漏失，因此固井時(shí)要求降低水泥漿密度。以漂珠和空心玻璃微珠復(fù)合作為密度減輕材料，根據(jù)顆粒級(jí)配緊密堆積理論，以水泥、穩(wěn)定劑DZW以及其他各種外加劑進(jìn)行合理配比，設(shè)計(jì)出一種密度為1.28 g/ cm3的低密度水泥漿。性能評(píng)價(jià)結(jié)果表明：該體系滿足沉降穩(wěn)定性要求，流動(dòng)性好，65 ℃下濾失量小于50 mL，24 h抗壓強(qiáng)度大于14 MPa?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，復(fù)合空心微珠低密度水泥漿體系能夠有效解決低壓易漏地層固井漏失問(wèn)題。

固井；低密度水泥漿；減輕劑；漂珠；空心玻璃微珠

目前，固井普遍應(yīng)用的低密度水泥漿減輕劑有漂珠、粉煤灰、空心玻璃微珠等［1-3］。粉煤灰作為密度減輕材料，漿體的密度能降至1.50 g/cm3左右［3］，但密度更低的穩(wěn)定成熟的粉煤灰低密度水泥漿體系相對(duì)難以調(diào)整。漂珠具有質(zhì)輕、空心、密閉、粒細(xì)、活性好等特點(diǎn)，但單獨(dú)使用抗壓能力有限［4］?？招牟Ａ⒅榫哂匈|(zhì)量均一、抗壓強(qiáng)度高、流動(dòng)性好等特點(diǎn)［2］，但價(jià)格較高。本文針對(duì)低密度水泥漿應(yīng)用日益增多及現(xiàn)階段常用的一些低密度固井水泥漿存在的問(wèn)題，以漂珠和空心玻璃微珠復(fù)合使用作為密度減輕材料，根據(jù)顆粒級(jí)配緊密堆積理論，以水泥、穩(wěn)定劑DZW以及其他各種外加劑進(jìn)行合理配比，設(shè)計(jì)出一種固井用低密度水泥漿并應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)，取得了良好的結(jié)果，同時(shí)降低了固井工程作業(yè)成本。

1 漂珠和空心玻璃微珠的特點(diǎn)

漂珠是一種從粉煤灰漂浮物中篩選出來(lái)的物質(zhì)， 在常壓下密度大約為0.7 g/cm3， 是優(yōu)良的耐熱超低密度材料。漂珠為細(xì)小的空心圓球，但質(zhì)量不穩(wěn)定，單獨(dú)使用承壓能力有限，在一定的壓力條件下，水泥漿中的水進(jìn)入空心圓球內(nèi)部或漂珠被壓碎，會(huì)造成水泥漿密度一定程度的增加［4］。

空心玻璃微珠是一種人工燒結(jié)的中空?qǐng)A球細(xì)粉狀輕質(zhì)無(wú)機(jī)非金屬材料，是近年發(fā)展起來(lái)的一種用途廣泛、性能優(yōu)異的新型輕質(zhì)材料，它具有質(zhì)量輕、體積大、導(dǎo)熱系數(shù)低、抗壓強(qiáng)度高、流動(dòng)性好等特點(diǎn)?？招牟Ａ⒅榕c漂珠相比，有極高的強(qiáng)度密度比，耐高壓，在井下壓力下不會(huì)破碎，但價(jià)格較高［2］。

2 水泥漿體系設(shè)計(jì)

采用漂珠和空心玻璃微珠復(fù)合作為減輕劑。減輕材料顆粒直徑比水泥直徑大，其中漂珠的密度約為0.70 g/cm3，顆粒直徑60~200 μm，承壓能力30~35 MPa；空心玻璃微珠密度約為0.60 g/cm3，顆粒直徑5~70 μm，承壓能力60~65 MPa。選用懸浮穩(wěn)定材料DZW，具有增加水泥石強(qiáng)度和提高水泥漿漿體穩(wěn)定性的作用，顆粒直徑在0.1~10 μm之間，幾種材料與水泥按一定比例混合可減輕密度，形成良好的空間堆積，符合顆粒級(jí)配堆積原理。這些材料具有較大的比表面積和反應(yīng)活性，能提高并加速水泥礦物熟料的水化程度，提高水泥漿體的反應(yīng)速度，加速水泥漿的硬化，提高低密度水泥石早期強(qiáng)度。其中懸浮穩(wěn)定材料DZW部分可以充填于水泥石結(jié)構(gòu)的空隙和裂縫中，形成致密的水泥石，進(jìn)一步增強(qiáng)水泥石的強(qiáng)度。配方優(yōu)選需要注意以下問(wèn)題［5-6］：（1）水泥漿在一定的條件下，漿體不發(fā)生分層，形成的水泥石縱向密度分布要基本一致，游離液少、體積收縮??；（2）選擇減輕劑的類型和級(jí)別粒徑，不能盲目增大用水量，用水量應(yīng)嚴(yán)格控制在所選擇減輕劑的最大允許范圍內(nèi)；（3）不能盲目追求水泥漿的流變性能和濾失量控制，而損害水泥漿的抗壓強(qiáng)度和穩(wěn)定性；（4）選擇不同粒徑的低密度材料緊密堆積并輔以外加劑，以提高早期強(qiáng)度。

3 實(shí)驗(yàn)材料及儀器

嘉華G級(jí)高抗硫酸鹽水泥，四川嘉華水泥廠；漂珠、空心玻璃微珠、穩(wěn)定劑DZW、降失水劑FSAM、降失水劑DZJY、分散劑DZS、緩凝劑DZH1、早強(qiáng)劑DZC，中石化石油工程技術(shù)研究院。

變速攪拌器，壓力試驗(yàn)機(jī)，8240型高溫高壓稠化儀，7120型高溫失水儀，美國(guó)千德樂(lè)工業(yè)儀器公司；OWC-9350A型常壓稠化儀，沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院應(yīng)用技術(shù)研究所；DNN-D6型六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，數(shù)顯密度計(jì)，青島海通達(dá)專用儀器廠；OWC-118型雙溫強(qiáng)度養(yǎng)護(hù)箱，沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院應(yīng)用技術(shù)研究所。

水泥漿的配制、養(yǎng)護(hù)以及各項(xiàng)性能測(cè)試，按照API規(guī)范推薦方法進(jìn)行。

4 低密度水泥漿性能

4.1 流變性

用漂珠和空心玻璃微珠配制的1.28 g/cm3水泥漿配方見(jiàn)表1，流變性能見(jiàn)表2。表1中的總水為水、降濾失劑、分散劑、早強(qiáng)劑和緩凝劑的總質(zhì)量。由表2可看出，低密度水泥漿流性指數(shù)n值大于0.7，稠度系數(shù)K值比較高，表明水泥漿中的水泥、漂珠、空心微珠和穩(wěn)定劑等材料之間能形成穩(wěn)定的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，可以阻止水泥漿中易沉降顆粒的沉降和空心微珠的上浮，從而保持良好的穩(wěn)定性［7-8］。

表1 1.28 g/cm3低密度水泥漿配方

表2 不同體系低密度水泥漿流變性能

4.2 濾失量及稠化性能

表1配方水泥漿濾失量（65 ℃）及稠化性能（65℃、40 MPa、30 min）見(jiàn)表3。可以看出，漂珠、空心玻璃微珠與水泥漿的配伍性較好，配制的水泥漿的性能滿足施工要求。

表3 低密度水泥漿的濾失量及稠化性能

4.3 穩(wěn)定性

漂珠和空心玻璃微珠的密度僅為0.60 g/cm3左右，與水泥的密度差異較大，配置水泥漿的穩(wěn)定性差。為此，選用了穩(wěn)定劑DZW，它能使水泥漿形成具有致密網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的懸浮體系，以增加水泥漿的黏度，使水泥漿保持良好的穩(wěn)定性。同時(shí)，由于漂珠和空心玻璃微珠為空心易破碎減輕材料，配漿時(shí)為防止其被攪拌器打碎，采用攪拌器固定轉(zhuǎn)速4 000 r/ min進(jìn)行攪漿，攪漿時(shí)間50 s。

表4給出4種水泥漿體系在加壓前后的漿體平均密度變化（實(shí)驗(yàn)條件65 ℃、40 MPa、60 min）、游離液和沉降穩(wěn)定性數(shù)據(jù)。

表4 低密度水泥漿的承壓性能

如表4所示，1號(hào)空心玻璃微珠漿經(jīng)過(guò)加壓后基本沒(méi)有破碎，承壓性能良好；2號(hào)漂珠漿經(jīng)過(guò)加壓后破碎明顯，承壓性能差；漂珠和空心玻璃微珠的混合漿（3號(hào)、4號(hào)）加壓后有少許破碎，密度升高較少，且空心玻璃微珠含量高的3號(hào)較4號(hào)密度升高得少。1號(hào)、3號(hào)和4號(hào)漿的游離液均為0.1~0.2 mL左右，水泥漿最大密度差為0~0.01 g/cm3；2號(hào)純漂珠水泥漿的游離液量為0，水泥漿最大密度差為0.02 g/cm3。結(jié)果表明，1號(hào)、3號(hào)和4號(hào)漿承壓強(qiáng)度好，游離液和沉降穩(wěn)定性符合要求，漿體能夠滿足固井施工要求；其中3號(hào)和4號(hào)漿為漂珠和空心玻璃微珠的混合漿，減少了空心玻璃微珠的使用量，降低了固井材料成本，較為經(jīng)濟(jì)。

4.4 水泥石抗壓強(qiáng)度

低密度水泥漿中的穩(wěn)定劑DZW能夠提高水泥石的抗壓強(qiáng)度，4種不同低密水泥石的強(qiáng)度見(jiàn)表5。結(jié)果表明，低密度水泥石均有較好的強(qiáng)度。

表5 不同水泥漿在不同溫度下的抗壓強(qiáng)度

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

彭頁(yè)HF-4井為渝東南地區(qū)彭水區(qū)塊頁(yè)巖氣水平探井，設(shè)計(jì)垂深2 384.24 m，設(shè)計(jì)斜深3 667.54 m。三開(kāi)?215.9 mm鉆頭鉆至3 652.00 m，?139.7 mm套管下至3 645.38 m；A靶點(diǎn)垂深2 059.00 m， 斜深2 201.50 m；B靶點(diǎn)垂深2 373.00 m， 斜深3 652.00 m。

該井在鉆進(jìn)至目標(biāo)層位龍馬溪組時(shí)漏失較為嚴(yán)重，降低循環(huán)油基鉆井液密度至1.25g/cm3，并加入剛性封堵劑與頁(yè)巖封堵劑控制住漏失。下套管后小排量頂通，再逐步增大排量并循環(huán)一周后，在固井施工前逐步篩除堵漏材料，固井施工中的防漏任務(wù)尤為艱巨。本次固井采用驅(qū)油型前置液，雙凝水泥漿結(jié)構(gòu)，領(lǐng)漿采用1.28 g/cm3的漂珠和空心玻璃微珠復(fù)合低密度水泥漿體系封固；尾漿采用常規(guī)密度1.89 g/ cm3的彈韌性水泥漿體系，返至A靶點(diǎn)200 m以上。施工結(jié)束候凝72 h后測(cè)井，結(jié)果顯示，水平段封固優(yōu)質(zhì)率達(dá)到90%以上，直井段合格率達(dá)到95%以上，固井質(zhì)量綜合評(píng)定為優(yōu)質(zhì)，在降低固井成本的同時(shí)保證了固井質(zhì)量。

6 結(jié)論

（1）利用顆粒級(jí)配原理，優(yōu)化了水泥與漂珠和空心玻璃微珠復(fù)合低密度充填材料之間的粒度分布，減少了材料顆粒之間的空隙，大大改善了水泥漿體系的整體性能，尤其是水泥石的強(qiáng)度。

（2）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，漂珠-空心玻璃微珠復(fù)合低密度水泥漿體系適合渝東南地區(qū)的地質(zhì)特點(diǎn)，能解決該地區(qū)的固井漏失問(wèn)題， 保證了該地區(qū)的固井質(zhì)量，為低壓易漏井固井提供了一條新途徑。

［1］SABINS Fred.降低固井水泥漿密度的新技術(shù)［J］.鉆井液與完井液，2006，23（4）：47-49.

［2］滕兆健，邢秀萍，常燕.空心玻璃微珠低密度水泥漿的初步研究［J］.鉆井液與完井液，2011，28（S0）：23-25.

［3］萬(wàn)偉，洛邊克哈，陳大鈞.超低密度高強(qiáng)度水泥漿體系的研究［J］.鉆采工藝，2008，31（5）：125-128.

［4］桑來(lái)玉，張紅衛(wèi).漂珠低密度水泥漿性能的影響因素分析研究［J］.西部探礦工程，2008（9）：91-94.

［5］焦建芳，鄧建民，陳英．恒密度超低密度水泥漿室內(nèi)研究［J］.鉆井液與完井液，2008，25（2）：43-45.

［6］張宏軍.中空玻璃微球超低密度水泥漿體系評(píng)價(jià)與應(yīng)用［J］.石油鉆采工藝，2011，33（6）：41-44.

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［8］羅楊，王強(qiáng)，許桂莉，等.一種超低密度高強(qiáng)度水泥漿配方的優(yōu)選［J］.鉆井液與完井液，2009，26（3）：52-55.

（修改稿收到日期 2014-10-13）

〔編輯 朱 偉〕

Research and application of composite hollow microbead low density cement slurry

LIU Xuepeng1, ZHANG Mingchang1, FENG Minghui2, LIU Wei1, DING Shidong1, HAN Jingdong2
（1.Research Institute of Petroleum Engineering,SINOPEC,Beijing100101,China;2.Drilling Division,CNPC Offshore Engineering Co.Ltd.,Tianjin300451,China）

Lost circulation may easily occur in low pressure leaking-prone formation during cementing, so cement slurry density needs to be reduced while cementing.Using floating beads and hollow glass microbeads jointly as density lightening material and properly matching cement, stabilizer DZW and various other additives according to theory of close packing of grain composition, a low density cement slurry was designed–with a density of 1.28 g/cm3.The result of performance evaluation shows that this system can meet the requirement of settling stability, has good flowability and its filtration at 65 ℃ is less than 50 mL and its 24 h compression strength is greater than 14 MPa.Results of field application show that this composite hollow micro-bead low density cement slurry system can effectively address the problem of lost circulation in low pressure leaking-prone formation during cementing.

cementing;low density cement slurry;lightening agent;floating bead;hollow glass microbead

劉學(xué)鵬，張明昌，馮明慧，等.復(fù)合空心微珠低密度水泥漿的研究與應(yīng)用［J］.石油鉆采工藝，2014，36（6）：39-41.

TE256

：B

1000–7393（2014） 06–0039– 03

10.13639/j.odpt.2014.06.010

國(guó)家科技重大專項(xiàng)“海相氣井固井完井技術(shù)”（編號(hào)：2011ZX05005-006-004）和中石化科技部攻關(guān)項(xiàng)目“溫度廣譜型油井水泥緩凝劑和降失水劑開(kāi)發(fā)”部分研究?jī)?nèi)容。

劉學(xué)鵬，1982年生。2010年畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)院膠體與界面化學(xué)專業(yè)，主要從事固井化學(xué)品和材料開(kāi)發(fā)，博士，高級(jí)工程師。E-mail：lxpfj@tju.edu.cn。