一种新型的低成本低密度水泥浆体系*

幸雪松，岳家平，王 杰，孙 挺，武治强

（1.海洋石油高效开发国家重点实验室，北京 100028；2.中海油研究总院有限责任公司，北京100028，3.中国石油大学（北京），北京 102249）

引言

南海油田的深水疏松砂岩地层因孔隙度高，地层胶结程度差，地层温度低，伴有浅层气而导致水泥浆体系抗压强度低，第二界面胶结质量差，地层破裂压力低，固井易漏失等生产技术问题[1～2]。为解决这些问题，在海洋固井中一般采用低密度水泥浆体系，降低井下压力，提高井壁的稳定性，实现安全固井，但低密度水泥浆体系本身抗压强度低，流变性差。在低密度水泥浆体系中,外掺料矿物材料、体系堆积密实度和外加剂是影响其性能的主要因素。矿物材料对水泥浆体系的密度、流变性能和强度等性能影响极大；提高水泥浆体系的堆积密实度，有助于体系单位体积内固相含量的提高,进而增加强度；外加剂主要起维持水泥浆体系稳定性、控制失水和调节稠化时间的作用,外加剂、外掺料和油井水泥共同构成了体系。因此，要提高低密度水泥浆体系性能，就是采用高性能矿物材料，提高堆积密实度，添加高性能外加剂。

目前现场为了保证油田的安全顺利固井施工，通常都采用性能过高的减轻剂（例如人工微珠）、外加剂等材料来提高固井质量，虽然使水泥浆体系的各方面性能都达到了最优，但这也造成了性能过剩且固井成本的大幅度提高，而现在低油价行情也使得降低固井成本成为了当务之急。在保证满足水泥浆体系性能的前提下，降低水泥浆体系成本，就是要做好矿物材料、堆积密实度、外加剂三者的优化配比，从中选取高性价比的材料，达到较高的堆积密实度，实现水泥浆体系的最优化。

当前现场单纯采用人工微珠作为减轻剂是可以达到疏松地层的固井要求，但是微珠成本太高；而以粉煤灰、膨润土、矿渣等作为减轻剂，成本会大幅度降低，但也导致了水泥浆抗压强度低等缺点，甚至不满足固井要求[3～7]。因此本研究通过颗粒级配原理[8]，将传统减轻剂、活性材料、高性能材料进行复配研究，开发出了一种新型低密度混材DHC-20。以低密度混材作减轻增强材料，同时优选出高性价比外加剂，形成了成本低廉、性能优良的密度在1.40～1.70g/cm3的低密度水泥浆，可满足深水浅层疏松砂岩地层固井的要求。

1 低密度混材的研制

1.1 颗粒级配原理

国内黄柏宗教授提出了颗粒级配原理并建立了紧密堆积模型，他建议以该模型作为优化水泥浆体系的基础[9]。衡量紧密堆积程度的主要参数是堆积率（PVF）。PVF 值越高，水泥石性能越好。单一尺寸的球形颗粒按六边形堆积，PVF 值可达到0.74，但它们任意排列时PVF 值只有0.64，通过优化混合固相颗粒的大小分布可增大堆积率，通常PVF 值可超过0.8[9]。不同粒径的颗粒在共混物中存在球轴承效应，这使得颗粒间的泥浆屈服点较低，提高了泥浆的混合性能和泵送性能，流变性增高；且泥浆含水率降低，水泥石抗压强度提高，浆体的稳定性增高。

线性堆积理论模型的公式见（1）。假设体系含有n 个粒级颗粒，粒径为di的粒组i 单独存在时的堆积率为εi，则体系的堆积率ri与各粒径的体积分数ηi呈线性关系，设每一个粒径di的粒组为连续堆积时，都可以计算一个堆积率ri,其中最小者为该体系的理论最密堆积率。

其中，l（i,j）为由于小颗粒的存在使大颗粒堆积率减小的松动效应，ω（i,j）为由于大颗粒的存在导致小颗粒的堆积率减小的墙壁效应。

因此，本项目考虑采用多种粒径的减轻剂材料进行复配，形成微珠-水泥-微细活性材料-超细材料四级空间分布，PVF 值可达到0.89。

1.2 实验材料

低密度水泥浆体系要达到降低成本的关键是尽量减少微珠等高成本材料的使用，采用其他方式满足水泥浆性能要求，而活性材料，超细凝胶材料恰能满足这个要求。这些材料粒径小，能够填充到水泥浆空隙中，使结构更加致密，提高堆积密实度，并且可发生火山灰效应，增加了C-S-H 凝胶的比例，改善水泥浆性能。

本研究以微珠、漂珠为基础，以超细材料A，活性材料B，C 为增强材料，根据紧密堆积模型计算和实验结论，最终开发出五元复配的低密度混材DHC-20。而超细材料，活性材料的价格远低于微珠价格，因此形成低密度混材后在保证性能的同时极大地减少了微珠的使用量，从而降低了水泥浆体系的成本，实现了比用浅层疏松砂岩地层水泥浆体系成本降低20%的目标。

其中，超细材料A 的主要成分为介稳态的SiO2,具有粒径较细和有一定活性的特点，可以填充水泥石空隙，提高水泥浆体积堆积度和稳定性，使其结构更加致密，增强水泥石的抗压强度及浆体的稳定性。活性材料B 的成分主要是以SiO2和Al2O3为主,活性材料C 的成分与水泥近似，它们都具有火山灰效应，可以与Ca（OH）2反应形成C-S-H 凝胶，促进水化作用的进行，增强水泥石的强度。

1.3 实验结果与讨论

为了形成性能优异的水泥浆体系，考虑将漂珠与微珠混合使用，达到降低成本的目的。从实验结果（见表1）可以看出，随着电厂漂珠掺入量的增加，水泥浆流变性读数变大，浆体越来越稠，且抗压强度越来越小，当漂珠与微珠比例大于3∶7 时，水泥石抗压强度下降明显，为了兼顾降低水泥浆成本和水泥浆性能，考虑将电厂漂珠与微珠以3∶7 的比例混合使用，形成混合漂珠材料。

为了确定混合漂珠与增强材料的合理配比，实现最优的颗粒级配效果和抗压性能，建立了多元紧密堆积理论模型，进行多组不同配比实验，通过水泥浆体系抗压强度最优值确定了低密度混材各材料的合理配比。最终确定低密度混材的配比为：10.5%人工微珠+4.5%漂珠+35%超细材料A+30%活性材料B+20%活性材料C。

对混材进行了粒径扫描（见图1）和微观结构扫描（见图2）。从图1 可以看出，不同单一混合材料的粒径分布各不相同，当混合成为低密度混材后，材料的粒径分布范围变广，从1～150μm 均有固相颗粒分布，且粒径集中度比单一材料平均，因此有助于与水泥形成颗粒级配结构，提高水泥浆性能。从图2中可以看出，在水泥石内部分布着超细材料等低密度材料，没有明显的大孔隙，这些材料的填充作用能有效降低水泥石密度。

表1 混合漂珠比例对水泥浆的影响Table 1 The effect of mixed bead ratio on the cement slurry

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

图2 低密度水泥石微观形貌Fig.2 The micromorphology of low density cement stone

2 水泥浆体系综合性能研究

以三峡水泥，低密度混材为主体，优选了早强剂，分散剂，降失水剂，缓凝剂，增强剂等外加剂，设计了密度为1.40～1.70g/cm3的水泥浆体系配方，按照国标GB/T19139－2012“油井水泥试验方法”，对低密度水泥浆综合性能进行了测定。

2.1 抗压强度

针对低密度水泥浆体系早期强度发展缓慢的特性，研发了配套的早强剂ACL。ACL 为一种复合早强剂，价格相对较低，且在ACL 存在下，可使C-S-H凝胶转化为絮状松散结构，C-S-H 凝胶的C/S 比值较高并有多皱的薄片结构,能明显地提高水化速率，使渗透率增大。结果如表2 所示，ACL 对水泥石早期抗压强度增强效果最明显，并且对流变性没有不利影响。

调节ACL 加量测定了水泥石在50℃下的24h、48h 抗压强度以及稠化时间，结果如表3 所示。由表3 可看出，随着早强剂ACL 加量增大，水泥石的强度是呈逐渐升高的趋势且24h 抗压强度大于12MPa，48h 抗压强度大于14MPa，可满足施工要求。当加量大于2%时，早期抗压强度增大的幅度降低。加入早强剂ACL 缩短了水泥浆的稠化时间，不同加量下稠化时间差别较小，但是比无早强剂水泥浆稠化时间缩短明显。

表2 不同早强剂使用效果Table 2 The effect of different early strength agents

表3 ACL 加量对低密度水泥浆性能的影响Table 3 The effect of ACL dosage on the properties of low density cement slurry

2.2 稳定性

在低密度水泥浆体系中稳定性是一个很重要的因素。配制低密度水泥浆，倒入常压稠化仪，在30℃下搅拌30min，然后将水泥浆倒入30℃常压养护箱中养护2h，之后测得水泥浆上下密度差为0.01g/cm3，表明水泥浆的稳定性好，可满足固井标准要求。

2.3 稠化性能

本研究优选了缓凝剂RE-L 改善水泥浆体系的稠化性能。在50℃，25MPa 下不同配方的稠化性能如表4 所示。从实验结果可以看出，随着缓凝剂的掺入，水泥浆的稠化时间明显延长。当缓凝剂掺量大于1.5%时，稠化时间增长幅度较大。此外，缓凝剂对水泥浆的流变性有一定的改善作用，缓凝剂RE-L 具有一定的分散效果。从图3 中可以看出水泥浆体系的稠化曲线近似直角，稠化性能好。现场可根据实际情况，选择合理的缓凝剂加量，达到合理的稠化时间。

表4 RE-L 加量对水泥浆体系性能的影响Table 4 The effect of RE-L addition on the performance of cement slurry system

图3 2%水泥浆稠化时间（223min）Fig.3 The thickening time of 2% cement slurry（223min）

2.4 水泥浆综合性能

表5 水泥浆体系综合性能Table 5 The comprehensive performances of cement slurry system

水泥浆配方为：G 级水泥+低密度混材+2%ACL+102%淡水+2%早强剂ACL+2%缓凝剂RE-L/+4%分散剂CF42L+6%降失水剂CG81L+2%增强剂ESC-S+1%消泡剂CX60L

对密度在1.40～1.70g/cm3水泥浆体系进行了抗压强度，失水，流变，稠化时间，沉降稳定性等性能的测试，结果如表5 所示。结果表明，该水泥浆体系沉降稳定性良好，上下密度差不大于0.01g/cm3；流变性能良好，失水量少，都控制在100mL 以内，稠化曲线平滑，近直角稠化，稠化时间可调；24h 抗压强度大于12MPa，48h 抗压强度大于14MPa。水泥浆综合性能良好，能满足固井施工要求，并且比常规低密度水泥浆成本降低20%。

3 结论

（1）利用颗粒级配原理和紧密堆积理论，将常规减轻剂与新型凝胶材料进行多元复配，开发出了一种性能优良，成本低廉的低密度混材；优选出具有高性价比的早强剂、分散剂、降失水剂等外加剂，形成了适应于深水疏松砂岩地层的低成本低密度水泥浆体系。

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

（3）该低成本低密度水泥浆体系密度在1.40～1.70g/cm3可调。结果表明，水泥浆体系在50℃下，24h抗压强度大于12MPa，48h 抗压强度大于14MPa，浆体稳定，失水少，稠化性能良好。并且与在用常规低密度水泥浆体系相比成本可降低20%。