幸雪松，岳家平，王 杰，孫 挺，武治強(qiáng)

（1.海洋石油高效開(kāi)發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100028；2.中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京100028，3.中國(guó)石油大學(xué)（北京），北京 102249）

引言

南海油田的深水疏松砂巖地層因孔隙度高，地層膠結(jié)程度差，地層溫度低，伴有淺層氣而導(dǎo)致水泥漿體系抗壓強(qiáng)度低，第二界面膠結(jié)質(zhì)量差，地層破裂壓力低，固井易漏失等生產(chǎn)技術(shù)問(wèn)題[1～2]。為解決這些問(wèn)題，在海洋固井中一般采用低密度水泥漿體系，降低井下壓力，提高井壁的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)安全固井，但低密度水泥漿體系本身抗壓強(qiáng)度低，流變性差。在低密度水泥漿體系中,外摻料礦物材料、體系堆積密實(shí)度和外加劑是影響其性能的主要因素。礦物材料對(duì)水泥漿體系的密度、流變性能和強(qiáng)度等性能影響極大；提高水泥漿體系的堆積密實(shí)度，有助于體系單位體積內(nèi)固相含量的提高,進(jìn)而增加強(qiáng)度；外加劑主要起維持水泥漿體系穩(wěn)定性、控制失水和調(diào)節(jié)稠化時(shí)間的作用,外加劑、外摻料和油井水泥共同構(gòu)成了體系。因此，要提高低密度水泥漿體系性能，就是采用高性能礦物材料，提高堆積密實(shí)度，添加高性能外加劑。

目前現(xiàn)場(chǎng)為了保證油田的安全順利固井施工，通常都采用性能過(guò)高的減輕劑（例如人工微珠）、外加劑等材料來(lái)提高固井質(zhì)量，雖然使水泥漿體系的各方面性能都達(dá)到了最優(yōu)，但這也造成了性能過(guò)剩且固井成本的大幅度提高，而現(xiàn)在低油價(jià)行情也使得降低固井成本成為了當(dāng)務(wù)之急。在保證滿足水泥漿體系性能的前提下，降低水泥漿體系成本，就是要做好礦物材料、堆積密實(shí)度、外加劑三者的優(yōu)化配比，從中選取高性?xún)r(jià)比的材料，達(dá)到較高的堆積密實(shí)度，實(shí)現(xiàn)水泥漿體系的最優(yōu)化。

當(dāng)前現(xiàn)場(chǎng)單純采用人工微珠作為減輕劑是可以達(dá)到疏松地層的固井要求，但是微珠成本太高；而以粉煤灰、膨潤(rùn)土、礦渣等作為減輕劑，成本會(huì)大幅度降低，但也導(dǎo)致了水泥漿抗壓強(qiáng)度低等缺點(diǎn)，甚至不滿足固井要求[3～7]。因此本研究通過(guò)顆粒級(jí)配原理[8]，將傳統(tǒng)減輕劑、活性材料、高性能材料進(jìn)行復(fù)配研究，開(kāi)發(fā)出了一種新型低密度混材DHC-20。以低密度混材作減輕增強(qiáng)材料，同時(shí)優(yōu)選出高性?xún)r(jià)比外加劑，形成了成本低廉、性能優(yōu)良的密度在1.40～1.70g/cm3的低密度水泥漿，可滿足深水淺層疏松砂巖地層固井的要求。

1 低密度混材的研制

1.1 顆粒級(jí)配原理

國(guó)內(nèi)黃柏宗教授提出了顆粒級(jí)配原理并建立了緊密堆積模型，他建議以該模型作為優(yōu)化水泥漿體系的基礎(chǔ)[9]。衡量緊密堆積程度的主要參數(shù)是堆積率（PVF）。PVF 值越高，水泥石性能越好。單一尺寸的球形顆粒按六邊形堆積，PVF 值可達(dá)到0.74，但它們?nèi)我馀帕袝r(shí)PVF 值只有0.64，通過(guò)優(yōu)化混合固相顆粒的大小分布可增大堆積率，通常PVF 值可超過(guò)0.8[9]。不同粒徑的顆粒在共混物中存在球軸承效應(yīng)，這使得顆粒間的泥漿屈服點(diǎn)較低，提高了泥漿的混合性能和泵送性能，流變性增高；且泥漿含水率降低，水泥石抗壓強(qiáng)度提高，漿體的穩(wěn)定性增高。

線性堆積理論模型的公式見(jiàn)（1）。假設(shè)體系含有n 個(gè)粒級(jí)顆粒，粒徑為di的粒組i 單獨(dú)存在時(shí)的堆積率為εi，則體系的堆積率ri與各粒徑的體積分?jǐn)?shù)ηi呈線性關(guān)系，設(shè)每一個(gè)粒徑di的粒組為連續(xù)堆積時(shí)，都可以計(jì)算一個(gè)堆積率ri,其中最小者為該體系的理論最密堆積率。

其中，l（i,j）為由于小顆粒的存在使大顆粒堆積率減小的松動(dòng)效應(yīng)，ω（i,j）為由于大顆粒的存在導(dǎo)致小顆粒的堆積率減小的墻壁效應(yīng)。

因此，本項(xiàng)目考慮采用多種粒徑的減輕劑材料進(jìn)行復(fù)配，形成微珠-水泥-微細(xì)活性材料-超細(xì)材料四級(jí)空間分布，PVF 值可達(dá)到0.89。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

低密度水泥漿體系要達(dá)到降低成本的關(guān)鍵是盡量減少微珠等高成本材料的使用，采用其他方式滿足水泥漿性能要求，而活性材料，超細(xì)凝膠材料恰能滿足這個(gè)要求。這些材料粒徑小，能夠填充到水泥漿空隙中，使結(jié)構(gòu)更加致密，提高堆積密實(shí)度，并且可發(fā)生火山灰效應(yīng)，增加了C-S-H 凝膠的比例，改善水泥漿性能。

本研究以微珠、漂珠為基礎(chǔ)，以超細(xì)材料A，活性材料B，C 為增強(qiáng)材料，根據(jù)緊密堆積模型計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)論，最終開(kāi)發(fā)出五元復(fù)配的低密度混材DHC-20。而超細(xì)材料，活性材料的價(jià)格遠(yuǎn)低于微珠價(jià)格，因此形成低密度混材后在保證性能的同時(shí)極大地減少了微珠的使用量，從而降低了水泥漿體系的成本，實(shí)現(xiàn)了比用淺層疏松砂巖地層水泥漿體系成本降低20%的目標(biāo)。

其中，超細(xì)材料A 的主要成分為介穩(wěn)態(tài)的SiO2,具有粒徑較細(xì)和有一定活性的特點(diǎn)，可以填充水泥石空隙，提高水泥漿體積堆積度和穩(wěn)定性，使其結(jié)構(gòu)更加致密，增強(qiáng)水泥石的抗壓強(qiáng)度及漿體的穩(wěn)定性?；钚圆牧螧 的成分主要是以SiO2和Al2O3為主,活性材料C 的成分與水泥近似，它們都具有火山灰效應(yīng)，可以與Ca（OH）2反應(yīng)形成C-S-H 凝膠，促進(jìn)水化作用的進(jìn)行，增強(qiáng)水泥石的強(qiáng)度。

1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

為了形成性能優(yōu)異的水泥漿體系，考慮將漂珠與微珠混合使用，達(dá)到降低成本的目的。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見(jiàn)表1）可以看出，隨著電廠漂珠摻入量的增加，水泥漿流變性讀數(shù)變大，漿體越來(lái)越稠，且抗壓強(qiáng)度越來(lái)越小，當(dāng)漂珠與微珠比例大于3∶7 時(shí)，水泥石抗壓強(qiáng)度下降明顯，為了兼顧降低水泥漿成本和水泥漿性能，考慮將電廠漂珠與微珠以3∶7 的比例混合使用，形成混合漂珠材料。

為了確定混合漂珠與增強(qiáng)材料的合理配比，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的顆粒級(jí)配效果和抗壓性能，建立了多元緊密堆積理論模型，進(jìn)行多組不同配比實(shí)驗(yàn)，通過(guò)水泥漿體系抗壓強(qiáng)度最優(yōu)值確定了低密度混材各材料的合理配比。最終確定低密度混材的配比為：10.5%人工微珠+4.5%漂珠+35%超細(xì)材料A+30%活性材料B+20%活性材料C。

對(duì)混材進(jìn)行了粒徑掃描（見(jiàn)圖1）和微觀結(jié)構(gòu)掃描（見(jiàn)圖2）。從圖1 可以看出，不同單一混合材料的粒徑分布各不相同，當(dāng)混合成為低密度混材后，材料的粒徑分布范圍變廣，從1～150μm 均有固相顆粒分布，且粒徑集中度比單一材料平均，因此有助于與水泥形成顆粒級(jí)配結(jié)構(gòu)，提高水泥漿性能。從圖2中可以看出，在水泥石內(nèi)部分布著超細(xì)材料等低密度材料，沒(méi)有明顯的大孔隙，這些材料的填充作用能有效降低水泥石密度。

表1 混合漂珠比例對(duì)水泥漿的影響Table 1 The effect of mixed bead ratio on the cement slurry

圖1 低密度混材的粒度分布Fig.1 The particle size distribution of low density mixtures

圖2 低密度水泥石微觀形貌Fig.2 The micromorphology of low density cement stone

2 水泥漿體系綜合性能研究

以三峽水泥，低密度混材為主體，優(yōu)選了早強(qiáng)劑，分散劑，降失水劑，緩凝劑，增強(qiáng)劑等外加劑，設(shè)計(jì)了密度為1.40～1.70g/cm3的水泥漿體系配方，按照國(guó)標(biāo)GB/T19139－2012“油井水泥試驗(yàn)方法”，對(duì)低密度水泥漿綜合性能進(jìn)行了測(cè)定。

2.1 抗壓強(qiáng)度

針對(duì)低密度水泥漿體系早期強(qiáng)度發(fā)展緩慢的特性，研發(fā)了配套的早強(qiáng)劑ACL。ACL 為一種復(fù)合早強(qiáng)劑，價(jià)格相對(duì)較低，且在ACL 存在下，可使C-S-H凝膠轉(zhuǎn)化為絮狀松散結(jié)構(gòu)，C-S-H 凝膠的C/S 比值較高并有多皺的薄片結(jié)構(gòu),能明顯地提高水化速率，使?jié)B透率增大。結(jié)果如表2 所示，ACL 對(duì)水泥石早期抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)效果最明顯，并且對(duì)流變性沒(méi)有不利影響。

調(diào)節(jié)ACL 加量測(cè)定了水泥石在50℃下的24h、48h 抗壓強(qiáng)度以及稠化時(shí)間，結(jié)果如表3 所示。由表3 可看出，隨著早強(qiáng)劑ACL 加量增大，水泥石的強(qiáng)度是呈逐漸升高的趨勢(shì)且24h 抗壓強(qiáng)度大于12MPa，48h 抗壓強(qiáng)度大于14MPa，可滿足施工要求。當(dāng)加量大于2%時(shí)，早期抗壓強(qiáng)度增大的幅度降低。加入早強(qiáng)劑ACL 縮短了水泥漿的稠化時(shí)間，不同加量下稠化時(shí)間差別較小，但是比無(wú)早強(qiáng)劑水泥漿稠化時(shí)間縮短明顯。

表2 不同早強(qiáng)劑使用效果Table 2 The effect of different early strength agents

表3 ACL 加量對(duì)低密度水泥漿性能的影響Table 3 The effect of ACL dosage on the properties of low density cement slurry

2.2 穩(wěn)定性

在低密度水泥漿體系中穩(wěn)定性是一個(gè)很重要的因素。配制低密度水泥漿，倒入常壓稠化儀，在30℃下攪拌30min，然后將水泥漿倒入30℃常壓養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)2h，之后測(cè)得水泥漿上下密度差為0.01g/cm3，表明水泥漿的穩(wěn)定性好，可滿足固井標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3 稠化性能

本研究?jī)?yōu)選了緩凝劑RE-L 改善水泥漿體系的稠化性能。在50℃，25MPa 下不同配方的稠化性能如表4 所示。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著緩凝劑的摻入，水泥漿的稠化時(shí)間明顯延長(zhǎng)。當(dāng)緩凝劑摻量大于1.5%時(shí)，稠化時(shí)間增長(zhǎng)幅度較大。此外，緩凝劑對(duì)水泥漿的流變性有一定的改善作用，緩凝劑RE-L 具有一定的分散效果。從圖3 中可以看出水泥漿體系的稠化曲線近似直角，稠化性能好。現(xiàn)場(chǎng)可根據(jù)實(shí)際情況，選擇合理的緩凝劑加量，達(dá)到合理的稠化時(shí)間。

表4 RE-L 加量對(duì)水泥漿體系性能的影響Table 4 The effect of RE-L addition on the performance of cement slurry system

圖3 2%水泥漿稠化時(shí)間（223min）Fig.3 The thickening time of 2% cement slurry（223min）

2.4 水泥漿綜合性能

表5 水泥漿體系綜合性能Table 5 The comprehensive performances of cement slurry system

水泥漿配方為：G 級(jí)水泥+低密度混材+2%ACL+102%淡水+2%早強(qiáng)劑ACL+2%緩凝劑RE-L/+4%分散劑CF42L+6%降失水劑CG81L+2%增強(qiáng)劑ESC-S+1%消泡劑CX60L

對(duì)密度在1.40～1.70g/cm3水泥漿體系進(jìn)行了抗壓強(qiáng)度，失水，流變，稠化時(shí)間，沉降穩(wěn)定性等性能的測(cè)試，結(jié)果如表5 所示。結(jié)果表明，該水泥漿體系沉降穩(wěn)定性良好，上下密度差不大于0.01g/cm3；流變性能良好，失水量少，都控制在100mL 以?xún)?nèi)，稠化曲線平滑，近直角稠化，稠化時(shí)間可調(diào)；24h 抗壓強(qiáng)度大于12MPa，48h 抗壓強(qiáng)度大于14MPa。水泥漿綜合性能良好，能滿足固井施工要求，并且比常規(guī)低密度水泥漿成本降低20%。

3 結(jié)論

（1）利用顆粒級(jí)配原理和緊密堆積理論，將常規(guī)減輕劑與新型凝膠材料進(jìn)行多元復(fù)配，開(kāi)發(fā)出了一種性能優(yōu)良，成本低廉的低密度混材；優(yōu)選出具有高性?xún)r(jià)比的早強(qiáng)劑、分散劑、降失水劑等外加劑，形成了適應(yīng)于深水疏松砂巖地層的低成本低密度水泥漿體系。

（2）確定了低密度混材配方：10.5%人工微珠+4.5%漂珠+35%超細(xì)材料A+30%活性材料B+20%活性材料C。

（3）該低成本低密度水泥漿體系密度在1.40～1.70g/cm3可調(diào)。結(jié)果表明，水泥漿體系在50℃下，24h抗壓強(qiáng)度大于12MPa，48h 抗壓強(qiáng)度大于14MPa，漿體穩(wěn)定，失水少，稠化性能良好。并且與在用常規(guī)低密度水泥漿體系相比成本可降低20%。