一种低成本低密度水泥浆体系的室内研究

李鹏晓， 孙富全， 夏元博， 曾建国

(1中国石油集团海洋工程有限公司渤星公司 2 CNPC钻井工程重点实验室固井技术研究室)

近年来低油价成为新常态，油气勘探开发低成本战略成为当务之急。以漂珠、人造微珠为减轻材料的高性能低密度水泥浆体系性能优异，满足低压易漏层以及低压油气层长封固段的固井作业[1-4]，但是由于漂珠及人造微珠价格昂贵，导致水泥浆成本较高，在固井中的应用受到极大限制。国内外广泛利用粉煤灰、膨润土等传统减轻材料制备普通低密度水泥浆，成本大幅降低，但大多存在着浆体稳定性差、失水量大、水泥石强度低且发展慢等缺点，该类低密度水泥石48 h强度一般不超过10 MPa[5-6]，抗压强度难以达到14 MPa，不能满足技术套管对固井水泥石的性能标准要求。为满足非目的层固井技术需求，研究性能上明显高于普通低密度且与漂珠低密度相差不大的低密度水泥浆，具有重要的现实意义。本研究通过开发一种低成本、物化性能优异的非微珠硅质类减轻材料，利用紧密堆积技术，优化设计了性能上满足一般低压漏失地层技术套管固井的低成本低密度水泥浆。

一、 低密度水泥浆体系设计

1. 设计原则

以低成本的非微珠材料作为主体减轻材料，尽可能减少高成本的空心微珠用量，合理搭配活性外掺料，按照紧密堆积原理，优化设计出有利于提高浆体稳定性和水泥石强度的复合减轻增强材料。以该复合减轻增强材料为基础设计的水泥浆(密度1.35～1.50 g/cm3)应具有稠化时间可调、足够抗压强度、较低失水、良好流变性能和浆体稳定性能等。

2. 减轻增强材料优化设计

2.1 减轻材料制备与性能

优选出一种低成本天然硅质材料，通过高温焙烧、磨细、筛分、提纯等二次加工处理，制备了一种硅质多孔材料SA。该材料作为主要减轻材料，与粉煤灰、膨润土、膨胀珍珠岩等其他硅质材料相比，具有密度更低、比表面积大、孔隙度高、吸附性好、化学稳定性好、不过分增稠等优点，该材料对水泥浆性能无不良影响，可依据其高吸水和高保水性特点，制备低密度水泥浆。几种非微珠类减轻材料的基本性能进行了测定，如表1所示。

2.2 复合减轻增强材料的设计

按照紧密堆积设计原理，从充填增强效应、结晶矿物学增强效应两个方面入手进行复合减轻增强材料设计。以减轻材料SA为基材，优选微硅、超细胶凝材料SC等高活性超细外掺材料作为辅助增强材料，利用紧密堆积模型合理优化颗粒级配，设计了减轻材料SA-微硅-超细胶凝材料SC三元体系的复合减轻增强材料PZL。各个材料的粒径分布如表2所示。

表1 几种减轻材料基本性能

表2 减轻增强材料粒径分布

以可压缩堆积模型(CPM)[7]作为颗粒体系紧密堆积基础模型，通过VB语言编程对模型方程进行求解，计算了不同配比三元体系的堆积密度，如表3所示，可知PZL三元体系最大堆积密实度在0.77～0.78之间。根据理论计算结果，结合实验室实验，以最高堆积密实度和减少微硅用量的原则，优选出减轻增强材料PZL的最佳配比(质量比)为W减轻材料∶W微硅∶W超细胶凝材料=65 ∶15 ∶20。

表3 减轻材料SA-微硅-超细水泥三元体系堆积密实度计算

二、水泥浆体系性能研究

胜潍G级水泥、复合减轻材料PZL作为主体干混材料组分，优选早强剂、悬浮剂、降失水剂、分散剂、消泡剂等配套外加剂，设计了密度为1.35～1.50 g/cm3的水泥浆体系配方，按照国标GB/T 19139-2012“油井水泥试验方法”，对低密度水泥浆综合性能和水泥石强度性能进行了测定。

1. 水泥浆综合性能

对密度为1.35～1.50 g/cm3的水泥浆体系的失水、流变、析水、沉降稳定性、稠化等水泥浆综合性能进行测定，如表4所示。实验结果表明，水泥浆浆体流变性能较好，流变参数合理，符合典型幂律流体流变模式，满足现场固井对提高顶替效率的要求；失水、游离液较小，大大低于行业标准SY/T 6544-2010规定的技套固井水泥浆失水<150 mL、游离液<1%的要求；浆体沉降稳定性能良好且稠化时间合理。水泥浆综合性能优良，与漂珠低密度相当，满足低压易漏失地层现场固井施工要求。

表4 水泥浆体系综合性能

本文研究的低密度水泥浆相比现有普通低密度水泥浆，沉降稳定性能大大改善。根据BP沉降稳定性试验，70℃时不同密度水泥浆体系顶部和底部密度差在0.013～0.041 g/cm3，均小于0.05 g/cm3，稳定性显著优于现有普通低密度水泥浆(上下密度差一般大于0.10 g/cm3)，与漂珠低密度水泥浆相当。主要原因为：微硅、超细胶凝材料SC等亚微米、微米级超细材料具有较强的悬浮作用，通过与硅质材料SA的高吸附性协同作用和紧密堆积优化，从而形成了具有极强悬浮能力的复合减轻增强材料，解决了高水固比下浆体稳定性难题。

2. 水泥石强度

测定了低密度水泥石在50℃和70℃时的抗压强度，如表5所示。水泥石抗压强度随着养护时间和养护温度的增加而不断增加，水泥石早期强度发展较快，70℃条件下低密度水泥石24 h抗压强度大于9 MPa，48 h强度可达14 MPa以上，水泥石强度虽与高强低密度水泥石有一定差距，但远高于常规低密度水泥石，足以满足现场非目的层技术套管固井对水泥石强度的要求。同时对低密度水泥石(1.40 g/cm3)进行了超声波强度测试(图1)，可以看出，水泥石早期强度发展较快，24 h和48 h超声波强度分别达到了9 MPa和15 MPa，与实验室测定结果相符。

表5 水泥石抗压强度

图1 超声波强度曲线(1.40g/cm3，50℃)

三、水泥浆体系成本对比

减轻材料SA来自天然硅质火山灰材料，后处理工艺简单，原料来源广，市场价格大约是微硅和漂珠价格的2/3和1/4，配制的水泥浆具有明显的成本优势。将本文研究的低密度水泥浆与漂珠低密度水泥浆体系应用成本进行对比，漂珠低密度水泥浆采用常用成熟配方(水泥-微硅-漂珠体系)，表6可以看出，相比漂珠低密度水泥浆体系，本文研究的低密度水泥浆体系成本降低可达40%。

四、结论

(1)开发了一种新型低成本减轻材料，利用紧密堆积原理，研发出活性高、物理稳定性好的新型低密度复合减轻增强材料。

表6 不同体系水泥浆成本比较

(2)利用复合减轻增强材料，可以在高水固比情况下配制出密度为1.35～1.50 g/cm3低密度水泥浆体系。性能评价结果表明，水泥浆体系浆体稳定、失水小、流变性和稠化性能良好，水泥石强度足够，整体性能与漂珠低密度水泥浆相差不大，满足非目的层固井施工要求。

(3)与漂珠低密度水泥浆相比，低成本低密度水泥浆成本降低可达40%，具有良好的经济效益。

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