抗高温硅酸盐水泥浆体系研究

张弛， 陈小旭， 李长坤， 王瑜， 于永金， 丁志伟

（1.中国石油集团钻井工程技术研究院，北京102206；2. 大庆钻探工程公司钻井生产技术服务二公司，吉林松原138000；3.中国石油集团西部钻探公司准东钻井公司，新疆昌吉831500；4.中国石油冀东油田分公司勘探开发建设项目部，河北唐山063200）

抗高温硅酸盐水泥浆体系研究

张弛1， 陈小旭2， 李长坤3， 王瑜4， 于永金1， 丁志伟1

（1.中国石油集团钻井工程技术研究院，北京102206；2. 大庆钻探工程公司钻井生产技术服务二公司，吉林松原138000；3.中国石油集团西部钻探公司准东钻井公司，新疆昌吉831500；4.中国石油冀东油田分公司勘探开发建设项目部，河北唐山063200）

针对高温条件下，常规硅酸盐加砂水泥浆体系存在的稳定性差、水泥石抗压强度衰退和开裂等问题，有针对性地开展了水泥高温增强材料优选、水泥石力学性能优化和抗高温硅酸盐水泥浆体系综合性能优化等研究，结果表明，高温条件下，掺加火山灰类高活性矿物材料能保证水泥石抗压强度良好发展，无衰退现象；优选的晶须/纤维材料对水泥石“降脆、增韧”作用显著，水泥石高温养护无开裂现象，且弹性模量能控制在9.0 GPa以内；通过配套使用高性能抗高温降失水剂、缓凝剂和高温稳定剂等外加剂，水泥浆体系综合性能良好，具有低失水、高温稳定性好、稠化时间可调、过渡时间短等特点。该研究成果对保证深井、超深井固井安全，提高固井质量具有重要意义。

硅酸盐水泥；高温；韧性；固井；固井质量

近年来，深层油气资源开发已经成为油田“上产增效”工作新的增长点，但随着钻井技术的发展和油田勘探开发的不断深入，井下复杂地质、工程技术难题凸显，给固井带来了严峻挑战。特别在超高温下，国内常规硅酸盐加砂水泥浆体系暴露出诸多问题，水泥石高温强度衰退、开裂、收缩和水泥浆高温稳定性差等问题尤为突出。国外如斯伦贝谢、哈里伯顿等公司都具有抗温能力超过200 ℃的硅酸盐水泥浆体系，国内则缺乏温度在200 ℃以上且综合性能稳定的硅酸盐水泥浆体系，部分油田重点高温深井水泥浆体系大都首选国外水泥浆体系。针对高温深井、超深井固井技术需求，通过运用水泥高温增强材料与配套激发剂优选复配、水泥石力学性能优化、配套水泥浆外加剂等技术手段，优化形成了抗高温硅酸盐水泥技术，完善了水泥浆体系综合性能。

1 实验部分

实验材料：抚顺G级油井水泥；水泥改性材料、粒径为0.025 mm石英砂、晶须材料、纤维材料，均为工业级；降失水剂DRF-120L、缓凝剂DRH-200L、高温稳定剂DRK-3S、分散剂DRS-1S。

主要设备：Chandler Model7120翻转式高温高压失水仪、Chandler Model8040D10双缸高温高压稠化仪、Chandler Model7375高温高压养护釜、Chandler Model4207水泥石抗压强度试验机，美国Chandler公司；JSM 6490LV型扫描电子显微镜，日本JEOL公司；TAW—1000微机控制电液伺服水泥石三轴试验机系统，朝阳试验仪器有限公司。

实验方法：水泥浆制备及性能测试按照API RP 10B油井水泥实验推荐方法，第22版标准执行。

2 关键外掺料优选与评价

2.1 高温增强材料研究

2.1.1 高温增强材料优选设计思路

高温下，原浆水泥石主要水化产物是以板块状C2SH和CH为主的混合物相，水化产物强度低且产物间胶结疏松，存在微裂纹[1]。这些微观缺陷的存在，使水泥石在受到外力作用下产生应力集中，形成宏观裂纹，这是原浆水泥石高温强度衰退的主要影响因素之一。杨远光、张景富等学者通过原浆水泥石强度衰退规律研究，结合室内实验结果，提出了防止水泥石衰退的石英砂加量[1-3]，但过多提高石英砂加量（60%以上），对保证水泥浆高温稳定性、水泥石完整性带来很多困难。

结合前期关于水泥水化规律、水泥石强度衰退规律等文献资料，通过添加火山灰类高活性矿物材料，达到消耗不利于水泥石强度发展的C2SH、Ca（OH）2等水化产物的目的，提升水泥石抗高温性能；其次通过对水泥颗粒间进行有效充填，提高水泥石密实度，保证力学性能良好发展。

2.1.2 高温增强材料优选与结果分析

1） 高温增强材料优选。室内从材料理化性质、晶体结构等方面，初步筛选了10余种耐高温活性矿物材料。通过对水泥浆配浆过程、浆体状态等方面进行考察，初步优选3种材料作为硅酸盐水泥高温增强材料。材料基本参数如表1所示。

表1 高温增强材料基本参数

2）单独添加高温增强材料实验结果。室内考察了添加3种高温增强材料的硅酸盐水泥石与净浆水泥石，在200 ℃下养护2 d和7 d的抗压强度发展，水泥浆配方如下。实验结果见表2。

W0#水泥+1.2%DRK-3S+0.9%DRS-1S+4.5%DRF-120L+2.5%DRH-200L+水，密度为1.90 g/cm3

W1#W0#+40%石英砂+10%G1

W2#W0#+40%石英砂+5.0%G2

W3#W0#+40%石英砂+5.0%G3

W4#W0#+40%石英砂

W5#W0#+50%石英砂

表2 改性硅酸盐水泥石抗压强度数据表

由表2可知，200 ℃下养护时，掺加40%石英砂的水泥石抗压强度由2 d的80.0 MPa降低至7 d的62.8 MPa，而掺加50%石英砂的水泥石抗压强度发展不仅慢，且衰退更明显。而抗高温硅酸盐水泥石抗压强度发展较为缓慢，但未出现衰退现象。

3）复配高温增强材料实验结果。综合表2数据，按3种高温增强材料最初加量进行复配实验，评价抗高温硅酸盐水泥石在200 ℃、350 ℃下分别养护2 d、7 d的抗压强度发展，水泥浆配方如下，实验结果见表3、表4。

P0#水 泥 +1.2%DRK-3S+0.9%DRS-1S+4.5%DRF-120L+2.5%DRH-200L+水，密度为1.90 g/cm3

P1#P0#+10%G1+5.0%G2+40%石英砂

P2#P0#+5.0%G1+5.0%G2+40%石英砂

P3#P0#+5.0%G2+5.0%G3+40%石英砂

P4#P0#+10%G1+5.0%G2+5.0%G3+40%石英砂（存在触变性）

表3 高温增强硅酸盐水泥石抗压强度（200 ℃）

表4 高温增强硅酸盐水泥石抗压强度（350 ℃）

由表3可以看出，200 ℃下养护，复配后的水泥石均未出现衰退现象；对比P1#、P2#配方的实验数据，提高高温增强材料G1加量制约了水泥石抗压强度的发展，这是由于高温增强材料不能完全分解，未能充分参与水泥水化；对比P1#、P2#、P3#配方的实验数据，200 ℃下G1与G2复配比G3与G2复配效果更好；对比P1#、P4#配方实验数据，高温增强材料G3对水泥石抗压强度发展影响不大。

由表4可以看出，P1#、P4#配方水泥石7 d抗压强度未发生衰退。特别地，P4#配方水泥石抗压强度增长51.71%。

我国校园足球竞赛多以学校为基本参赛单位，这会导致足球竞赛成绩优势学校与劣势学校差距进一步加大，影响学校参赛积极性，造成劣势学校优秀足球人才流失。建议增设以区级、市级、省级为单位的校园足球竞赛体系，尤其是以区为单位的校园足球赛事，促进片区内学校间足球优势资源共享，将散落于区域内的各学校优秀球员集中起来，为他们提供一同训练与比赛的机会，通过高水平校园足球竞赛体系的构建，也为职业足球发现与选拔基层青少年人才提供平台。

2.2 水泥石力学性能优化

掺加高温增强材料（复配）形成的硅酸盐水泥石抗压强度高，解决了200 ℃下硅酸盐水泥石抗压强度衰退的问题，但仍存在水泥石开裂现象，证明高温增强材料对降低水泥石脆性无明显作用。室内优选了一种改性钙质晶须材料和1种低弹模纤维材料（基本参数见表5），优化水泥石力学性能，使脆性硅酸盐水泥石达到“高强度、低弹模”的目标。

表5 晶须/纤维材料基本参数

水泥石配方如表6所示。其中P4配方为未掺加晶须/纤维材料的水泥石试样，Q1、Q2分别为单独掺加低弹模纤维、晶须水泥石试样，Q3为掺加低弹模纤维/晶须水泥石试样。

表6 晶须/纤维水泥石实验配方（密度为1.90 g/cm3）

晶须/纤维材料增强增韧的本质是把水泥石的脆性破裂转变为塑性破裂，阻断或者延长水泥石受力时微裂纹的扩展路径。作用机理主要有桥连机制、裂纹偏转机制和拔出机制[4]。从表6可知，晶须/纤维材料复配的水泥石Q3力学性能最为突出，相比P4水泥石，弹性模量降低达36.23%。

图1c）是低弹模纤维/碳酸钙晶须水泥石的微观形貌，在微裂纹产生和发展的过程中，尺寸较小的晶须将会率先在较小尺寸区域作用，限制微裂纹的产生和发展；随着应力的增大，微裂纹通过积累、汇合转变为更大尺寸的宏观裂纹，此时尺寸较大的低弹模纤维将起主导作用，通过桥连、裂纹偏转及拔出等方式增韧水泥石[5-8]。同时，纤维与晶须具有不同的尺寸与长径比，可明显改变水泥石的微观结构，在不同结构层次对微裂纹进行有效限制。

图1 晶须/纤维水泥石电镜扫描图像

3 抗高温硅酸盐水泥浆体系性能评价

3.1 降失水性能

调整水泥浆中降失水剂DRF-120L的加量，测定水泥浆在不同温度下的失水量，结果见图 2。水泥浆配方如下。

抚顺G级水泥+10%G1+5.0%G2+5.0%G3+ 5.0%低弹模纤维+4.0%晶须+40%石英砂+0.6%稳定剂DRK-3S+0.9%分散剂DRS-1S+降失水剂DRF-120L+2.5%缓凝剂DRH-200L+水，密度为1.88 g/cm3

图2 抗高温硅酸盐水泥浆体系在不同温度下的失水量

从图2可以看出，水泥浆的失水量随温度的升高逐渐增大；增大降失水剂DRF-120L加量可以降低抗高温硅酸盐水泥浆体系在高温下的失水量，当DRF-120L加量为6%时，在200 ℃下，水泥浆的API失水量可以控制在100 mL以内，说明降失水剂DRF-120L具有良好的抗高温性能。

3.2 高温稳定性

1#抚 顺 G 级 水 泥 +10%G1+5.0%G2+ 5.0%G3+5.0%低弹模纤维+4.0%晶须+40%石英砂+0.4%稳定剂DRK-3S+0.9%分散剂DRS-1S+6.0%降失水剂DRF-120L+2.5%缓凝剂DRH-200L+水

2#1#+0.2%稳定剂DRK-3S

表7 抗高温硅酸盐水泥浆体系高温稳定性评价

从表7可以看出，抗高温硅酸盐水泥浆体系具有良好的高温稳定性，当循环温度超过180 ℃时，提高悬浮稳定剂加量，能保证水泥浆体系稳定性。

3.3 综合性能

不同温度下，对抗高温硅酸盐水泥浆体系综合性能进行了评价，结果见表8和图3。

表8 抗高温硅酸盐水泥浆体系综合性能评价（密度为 1.90 g/cm3）

图3 抗高温硅酸盐水泥浆体系170 ℃稠化曲线

从表8和图3可以看出，抗高温硅酸盐水泥浆体系流动性好；API失水量小于100 mL；稠化时间可调，不存在稠化时间“倒挂”现象；过渡时间短，基本呈“直角”稠化。体系综合性能良好，能保证高温深井、超深井固井技术需求。

4 结论

1.优选火山灰类高活性矿物材料进行复配，提高硅酸盐水泥石抗温性能，保证抗压强度良好发展。长期抗高温性能还需进一步验证。

2.晶须/纤维材料具有“降脆、增韧”作用，由于晶须/纤维材料具有不同颗粒级别，能够在不同级别下，发挥各自作用，协同增效，阻止或减少水泥石内不同尺度裂纹的发展。因此，晶须/纤维材料混合掺加效果更为显著。

3.抗高温硅酸盐水泥浆体系综合性能良好，具有失水量低、高温稳定性好、稠化时间可调、过渡时间短等特点；且水泥石力学性能突出，高温条件下仍具有“强度高、弹性模量低”的力学特点。

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Study of High Temperature Silicate Cement Slurry

ZHANG Chi1, CHEN Xiaoxu2, LI Changkun3, WANG Yu4, YU Yongjin1, DING Zhiwei1
(1. CNPC Drilling Research Institute, Beijing 102206; 2. The Second Drilling Techniqcal Service of Daqing Drilling Engineering Corporation, Songyuan, Jilin 138000; 3. Zhundong Drilling Branch of CNPC Xibu Drilling Engineering Company Limited, Changji, Xinjiang 831500; 4. Department of Exploration and Development Construction Projects,PetroChina Jidong Oilf i eld Company, Tangshan, Hebei 063200)

Conventional silicate cements at elevated temperatures have a series of problems, such as poor stability, declining of compressive strengthof set cement and cracking of set cement etc. To address these problems, studies have been conducted on the selection of materials for modif i cation of cement, optimization of the mechanical properties of set cement and the overall properties od modif i ed silicate cement slurry. It was concluded that, at elevated temperatures, addition of highly active minerals (such as volcanic ash) into cement can ensure the sound development of the compressive strength of set cement. Crystal whiskers/f i bers selected play an important role in the “brittleness reduction and toughness enhancement” of set cement, ensuring that set cement does not crack when curing at elevated temperatures and its elastic modulus is controlled to less than 9.0 GPa. Using high performance f i lter loss reducers,retarders and high temperature stabilizers suitable for the cement, the cement slurry will have good overall properties, i.e., low f i lter loss, good high temperature stability, thickening time that is controllable and short transit time etc. This study is of importance to safe cementing of deep and ultra-deep wells with high job quality.

Silicate cement; High temperature; Toughness; Well cementing; Job quality of well cementing

张弛，陈小旭，李长坤，等.抗高温硅酸盐水泥浆体系研究[J].钻井液与完井液，2017， 34（5）：62-66.

ZHANG Chi，CHEN Xiaoxu，LI Changkun，et al.Study of high temperature silicate cement slurry[J].Drilling Fluid &Completion Fluid，2017，34（5）：62-66.

TE256

A

1001-5620（2017）05-0062-05

10.3969/j.issn.1001-5620.2017.05.012

“十三五” 国家重点研发计划课题二“固井工程用高耐蚀高韧性水泥基材料的研究与应用” （2016YFB0303600）。

张弛，1987年生，工程师，毕业于西南石油大学油气井工程专业，主要从事固井技术研究与现场服务工作。E-mail：zhangchidr@cnpc.com.cn。

2017-5-21；HGF=1704M2；编辑 马倩芸）