低摩阻低密度水泥浆体系研究

罗 静，王学春

(中海油田服务股份有限公司，河北 三河 065201)

固井技术在石油工业中具有至关重要的地位，它直接影响到油井的安全、稳定和生产效率，为了确保井筒的完整性和产能，以及防止井漏和环境污染，石油工程领域一直在不断寻求创新的固井方法和材料[1]。低摩阻耐压防漏低密度水泥浆固井技术的核心思想是降低水泥浆的密度，以减少摩阻和压力损失，从而提高井筒的稳定性和耐压性能。与传统高密度水泥浆相比，低密度水泥浆不仅可以降低井筒中的摩阻，还可以减少地层损伤和漏失的风险[2]。

本次研究主要是针对现有低密度水泥浆体系耐压性能差，施工过程中易出现漏失现象，固井质量相对较低等问题，开展水泥浆的配方优化、性能评价等方面的研究，以此推动推动低摩阻耐压防漏低密度水泥浆固井技术的进一步发展和应用。

1 低密度水泥浆四级颗粒级配设计

低密度水泥浆的四级颗粒级配设计是固井技术研究中的关键一步，它直接影响到水泥浆的性能和稳定性。在设计四级颗粒级配时，需要确定水泥浆中的不同颗粒大小的比例，一般来说，低密度水泥浆需要包含一定比例的细颗粒和粗颗粒，以确保水泥浆的流变性能和稳定性，细颗粒可以填充空隙，提高浆体的流动性，而粗颗粒可以增强水泥浆的抗压性能[3]。颗粒的形状也会影响水泥浆的性能，通常选用具有角状或多棱角的颗粒可以提高颗粒之间的黏合力，有助于增强水泥浆的结构稳定性。需要确定颗粒的分布密度，以控制水泥浆的密度，低密度水泥浆的设计目标是降低密度，因此需要选择较轻的颗粒，或者通过空气或其他轻质物质的添加来降低密度。有时需要对颗粒进行表面处理，以增加颗粒的亲水性或改善与水泥的粘附性，这有助于确保水泥浆的黏结力和粘附性[4]。需要考虑颗粒的稳定性，以防止颗粒在水泥浆中沉积或分层，稳定的颗粒分布有助于保持水泥浆的一致性。

本次研究对YB-G水泥的粒度分布及最紧密堆积粒度分布进行了测试，测试结果如表1、表2所示，通过对比分析可以发现，其粒度分布和最紧密堆积粒度分布存在一定的差距。在开展四级级配设计的过程中，一级大颗粒选择的粒径为60～120 μm，二级较大颗粒选择的粒径为40～80 μm，三级颗粒选择YB-G水泥，其粒径为00～150 μm，四级颗粒选择的粒径为0～10 μm。

表1 YB-G水泥的粒度分布

表2 YB-G水泥最紧密堆积粒度分布

2 颗粒级配材料优选与配比

2.1 级配材料优选

在开展级配材料选择的过程中，首要的考虑因素是选择具有较低密度的颗粒材料，以确保水泥浆的密度降低，常见的轻质颗粒包括微珠玻璃、珍珠岩、气凝胶、膨胀珍珠岩等，这些材料通常具有低密度和良好的隔离性能，有助于减轻水泥浆的密度，从而减小井筒压力[5]。颗粒的大小和分布会影响水泥浆的流变性能和抗压强度，通常情况下，水泥浆中需要同时包含细颗粒和粗颗粒，以确保适当的颗粒填充和黏结力，细颗粒可以填充颗粒之间的空隙，而粗颗粒可以增强水泥浆的结构稳定性，因此，在级配设计中需要考虑颗粒的大小和比例。颗粒的形状也是重要的考虑因素，通常选择具有多棱角或角状形状的颗粒，因为它们可以提供更好的黏结力和稳定性，这有助于减少颗粒沉积和分层现象，提高水泥浆的性能。最终的级配材料选择应该考虑到井口的地质条件、井深、井温、井压等因素，不同的地质条件和应用环境可能需要不同类型的级配材料以满足特定的需求。

在此次研究中选取4种空心微珠类减轻材料GJG、GJQ、JQ-1、JQ-2，并对这四种类型的材料进行了耐压测试。耐压性能直接关系到井筒的安全性，在油井固井中，井筒必须能够承受地层和井压带来的压力，以确保井口和井身的完整性，低密度水泥浆中的减轻材料必须具备足够的耐压性，以防止井筒崩塌、破裂或发生漏失，从而导致油井事故和环境问题，水泥浆中的减轻材料的耐压性能对于井筒的稳定性至关重要，如果在高压下材料失效，井筒可能会受到严重影响，导致其不稳定，从而威胁到油井的安全性和运行效率，在固井过程中，需要精确地控制井筒中的压力，低密度水泥浆的耐压性能可以帮助确保井筒中的压力保持在可控范围内，从而减小了井口事故和生产问题的风险。通过对比分析，最终选择使用复合超细活性材料JQ-1作为一级骨架支撑材料，JQ-2最为二级可塑弹性材料。同时选择复合超细活性材料TC-4作为四级颗粒填充材料。

图1 减轻材料破碎率与施加压力关系曲线

2.2 颗粒级配材料配比

如果使用空心微珠类减轻材料来降低密度，那么需要确定它们在整个水泥浆中的比例，这将直接影响到水泥浆的密度，通常较高比例的空心微珠可以降低密度，但也可能影响其他性能。水-固比是水泥浆中水和固体颗粒的比例，它对水泥浆的流变性能和密度都有影响，合理的水-固比应根据具体的要求进行选择。除了颗粒级配材料外，还需要考虑添加黏合剂和添加剂，以确保水泥浆的黏结性和流动性，这些化学物质的比例和类型也需要根据研究的具体目标进行选择。

在此次研究中共设计三种类型的水泥浆基浆配方，第一组中的材料配比为12%JQ-1+8%JQ-2+55%YB-G+25%TC-4，其水灰比为0.65，密度为1.25 g/cm3，第二组中的材料配比为11%JQ-1+6%JQ-2+58%YB-G+25%TC-4，其水灰比为0.64，密度为1.30 g/cm3，第三组中的材料配比为10%JQ-1+5%JQ-2+60%YB-G+25%TC-4，其水灰比为0.62，密度为1.35 g/cm3。三种类型水泥浆基浆配方的粒径累计分布如图2所示。综合分析可以发现，三种类型水泥浆基浆配方粒径分布曲线与标准曲线较为相似，趋向于最紧密堆积模型。

图2 体系粒径累计分布曲线

3 低摩阻耐压防漏低密度水泥浆配方形成与性能评价

3.1 水泥浆配方的形成与基本性能

在此次研究中选择使用改性PVA类降失水剂G409F1控制水泥浆的失水量，选择醛酮缩聚物类降摩剂 G408FJ调节水泥浆的流动性，选择改性淀粉类缓凝剂 G407R1调节水泥浆的稠化时间。G409F1作为降失水剂的一种，其主要作用是减少水泥浆在固井过程中的液相损失，它能够形成一层薄膜在颗粒表面，从而减少水泥浆的排液速率，提高了水泥浆的抗渗性能，其还可以用于调整水泥浆的黏度，通过控制G409F1的用量，可以改善水泥浆的流动性和可泵性，从而减小泵送过程中的摩阻，提高工作效率，通常具有良好的温度稳定性，可以在高温环境下保持其性能，这对于油井固井在高温地区的应用至关重要。醛酮缩聚物类降摩剂G408FJ是一种在低密度水泥浆固井技术中常用的化学添加剂，其主要作用是减少水泥浆的摩阻，改善固井过程中的流动性能，G408FJ通常具有良好的化学兼容性，可以与水泥、其他添加剂以及固井材料相容，这确保了水泥浆的稳定性和一致性，许多醛酮缩聚物类降摩剂是环境友好型化学品，对环境影响较小。这对于满足环保法规和可持续发展要求非常重要。

通过对三组水泥浆体系进行分析发现，其都满足固井作业的需求，其初始稠化时间在15-16Bc，稠化所需要的时间在240 min左右，失水量处于50～60 mL，游离液仅为0.2%。

3.2 水泥浆耐压性能评价

在开展耐压性能评价的过程中，从研究样品中采集一定数量的水泥浆样品，确保它们代表了研究中使用的配方，根据需要，可以在实验前将水泥浆样品充分搅拌，以确保均匀分散的颗粒，选择合适的耐压测试装置，通常是实验室压力细胞或类似设备，确保测试装置的密封性能和安全性，以防止泄漏或意外事故，设定所需的实验条件，包括温度和压力。这些条件应该与实际井口条件相匹配，以获得真实可靠的测试结果。通过对三组低摩阻耐压防漏低密度水泥浆体系耐压性能进行评价后发现，其耐压性能优良，能够较好地保证入井后水泥浆性能的稳定性。

3.3 水泥浆防漏性能评价

在开展防漏性能评价的过程中，需要逐渐增加压力，模拟井口中的孔隙压力梯度，记录每个压力级别下的数据，包括压力值、孔隙压力和时间，在施加压力的过程中，持续监测水泥浆的渗透率，渗透率的变化可以反映防漏性能，在每个压力级别下记录数据，并绘制渗透率随时间和压力的曲线，根据测试结果，评估水泥浆体系的防漏性能，通常，较低的渗透率表示更好的防漏性能。通过对三组低摩阻耐压防漏低密度水泥浆体系进行防漏性能评价发现，其防漏效果明显，可以大幅增强易漏层承压能力。

4 结 论

低摩阻耐压防漏低密度水泥浆固井技术在油井完井作业中具有重要作用，它可以有效降低井筒密度，减轻地层压力，降低钻井液对地层的侵害，提高油井安全性。在此次研究中对低摩阻耐压防漏低密度水泥浆进行了合理的设计及评价，通过评价发现，本次研究设计的三组低摩阻耐压防漏低密度水泥浆体系均具有良好的耐压及防漏性能。