高温下加砂G级油井水泥强度发展规律研究

王景建,冯克满,许前富薛 雷,朱江林 中海油田服务股份有限公司油田化学事业部,北京101149

随着石油勘探开发的不断成熟,无论是生产井还是探井都在向深井、超深井发展,因此保证深井、超深井、地热井高温条件下的水泥石强度,满足封固质量是固井工程必须要解决的问题。为此,张维君、王珠忠等通过建立理论模型和试验方法,在实践中检验了使用超声波检测高温高压下水泥石强度的可行性,试验表明这种方法具有很强的操作性和可靠性,而且动态测量性能好[1]。张景富等利用超声波强度测试仪、高温高压养护釜及强度仪等仪器,对各种不同条件下G级油井水泥石强度进行了测试,得出了在不同温度及外加剂条件作用下的水泥石强度的发育及变化特点,确立了水泥石产生高温强度衰退规律[2];杨远光、陈大均等通过研究几种常用油井水泥在高温水热条件下水泥石强度的衰退的规律,提出掺加适当比例的石英砂可以抑制高温水泥石强度衰退[3];杨智光、崔海清等通过检测特定养护时间条件下G级水泥原浆强度及不同比例的硅砂加量,指出G级油井水泥石在高温条件下强度衰退的临界温度分别为110℃和150℃;在水泥中加入硅砂可以抑制水泥石的高温强度衰退,硅砂的合理加量为水泥量的30%～40%[4]。以上研究始终没有就加入硅砂的目数对提高水泥石抗高温衰退的规律性给出明确结论,也没有研究水泥石在高温一周以后甚至30d后的强度发育情况,为此,笔者以山东G级水泥为研究对象,利用超声波强度仪研究在不同温度对掺入不同目数硅粉的水泥石高温强度发育情况进行了研究。

1 G级油井水泥未加硅粉高温强度衰减规律研究

普通硅酸盐油井水泥中主要矿物是硅酸三钙(C3S)和硅酸二钙 (C2S),两者约占矿物总量的80%左右,温度较低时2种矿物的水化产物主要是C2SH2和一定量的Ca(OH)2及少量的CaCO3,这些水化产物有较好的力学性能[3]。笔者首先进行了纯水泥未加硅粉的高温强度试验,试验结果如表1。试验结果表明,当温度超过130℃时,水泥石在30d内都有不同程度的强度衰减,温度越高,强度衰减的越严重。并且水泥石强度的衰减并不是呈线性,而是一种几何式加速衰退。这可能是由于温度升高后,加速了水泥水化反应,能暂时得到较高的水泥石强度值,但C2S和C3S水化生成的C2SH2在高温条件下不稳定,发生晶型转变,形成以C2SH(C)和C2SH(A)为主体的混合物相。这2种水化产物强度较低,再加上它们在固体状态下晶型转变破坏了水泥石的内部结构,造成高温下水泥石强度急骤衰退。

表1 原浆在高温下强度衰减试验表(水灰比0.44)

2 加砂G级油井水泥高温强度发育规律研究

2.1 不同加砂量对水泥石强度影响

通过加入硅砂来降低水泥石中的Ca(OH)2和钙硅比 (C/S),能有效抑制硅酸盐油井水泥在高温下的强度衰退现象[4]。不同加砂量对水泥石强度影响 (养护温度为150℃)如图1和图2所示,结果表明,当硅粉加量达到35%时,水泥石在30d内强度发展一直呈现上升趋势;未加硅粉的水泥石初始强度低,同时出现强度衰减。对比加入300目与800目硅粉的水泥石强度发展,加量在20%时,强度都有不同程度下降;当加量达到27%时,强度发展初期都有一定的衰退,但后期强度发展呈现一定上升趋势,说明随硅粉含量的增加,逐步形成水泥石强度的二次发育;当含量达到35%时,已出现明显的二次强度增长。

分析其中的原因,可能是由于加砂水泥在高温水热条件下,SiO2可吸收水泥熟料水化时析出的Ca(OH)2,水热合成CSH(B),降低了 “液相”中的Ca2+浓度,这就打破了C2SH2或C2SH(A)、C2SH(C)等高钙水化硅酸盐的水化平衡,它们将逐渐水化为低钙硅酸盐,使CSH(B)成为水泥石的主要水化产物,而纤维状的CSH(B)单体高温稳定强度高,因此提高了硅酸盐油井水泥在高温下的强度和热稳定性[5]。随硅粉加量的提高,可以使水化平衡进一步倾向于生成低钙硅酸盐,当硅粉的加量使C/S摩尔比接近或达到1∶1时,不但水泥石强度衰退有所缓解,而且水泥石强度发展呈现增长。

图1 加入800目硅粉水泥石强度发育图

图2 加入300目硅粉水泥石强度发育图

2.2 硅粉目数对水泥石强度影响研究

依次选用了160目、300目、600目、800目4种常见规格的硅粉进行高温下30d的水泥石强度发展研究,试验温度为180℃,结果见图3,其中图3(a)硅粉加量27%,图3(b)硅粉加量35%。

研究结果表明,在高温180℃,当硅粉加量27%时,并不能有效缓解水泥石强度发展的衰减趋势,粗硅粉衰减趋势更明显;而当硅粉加量35%时,基本上都可以保证水泥石的强度,160目粗硅粉仍然有一定程度的衰减,但中后期强度有所增长。对比发现加入更细的硅粉,水泥石早期强度发展更快,强度高值出现的更早,初始强度更高。硅粉越细,介入水泥石强度二次发育就越快,水泥石强度的二次增长越明显,越能抑制水泥石中早期强度的衰减趋势。

同样,对比图1、图2的试验结果,在养护温度150℃时,相同配方及养护环境下,800目硅粉的水泥石强度较300目硅粉的水泥石强度更高,超细硅粉在水化早期能更有效地消耗水泥水化产生的Ca(OH)2晶体;促进水泥水化速度和水化程度;充填水泥硬化浆体中的微细孔隙;改善水泥硬化浆体的微观结构,进而达到提高硬化浆体强度的目的。即硅粉的目数越高,硅粉颗粒粒径越小,在高温环境下早期强度发展越快,且硅粉目数越细,水泥石强度的二次发展越快,水泥石抗高温衰退能力越强。分析其原因,这可能是由于粒径较大的硅粉比表面积较小,与水泥水化过程中产生的氢氧化钙发生反应时,反应速度较慢,而且反应也不够充分;而粒径较小的硅粉比面积较大,有利于反应平衡向形成低钙硅酸盐发展 ,因而提高水泥石强度效果较好[6]。

图3 180℃时不同目数硅粉对水泥石强度影响

3 其他非常规水泥浆体系高温强度发展规律

以上主要是针对常规密度1.90SG的水泥浆体进行研究,在中海油服水泥浆体系中使用较多的还包括PC-LET体系,即低密高强水泥浆体系。针对低密高强水泥浆体系,笔者研究了在高温环境下加硅粉与无硅粉时的强度发育趋势,结果如图4和图5所示。结果表明,即使低密高强水泥浆体系含有大量的漂珠 (SiO2)成分以及添加的增强剂中也同样含有较多SiO2成分,但高温不加硅粉时,强度仍然有不同程度的衰减。当温度达到130℃时,强度衰减量7d时达到11.6%,加有30%的硅粉即使在高温150℃下强度不衰减,呈现二级增长。

图4 无硅粉曲线图 (130℃)

[1]张维君,王珠忠,田兴杰.高温高压下超声波检测水泥石强度的研究 [J].微计算机信息,2009(1):75-77.

[2]张景富,徐明,闫占辉,等.高温条件下G级油井水泥原浆及加砂水泥的水化和硬化 [J].硅酸盐学报,2008,36(7):939-945.

[3]杨远光,陈大钧.高温水热条件下水泥石强度衰退研究[J].石油钻采工艺,1992(5):33-39.

[4]杨智光,崔海清,肖志兴.深井高温条件下油井水泥强度变化规律研究 [J].石油学报,2008,29(3):435-437.

[5]刘崇建,黄柏宗.油气井注水泥理论与应用 [M].北京:石油工业出版社,2001.

[6]桑来玉.硅粉对水泥石强度发展影响规律 [J].钻井液与完井液,2004,21(6):41-44.