＊侯亞偉 許前富 王義昕 陳宇

（中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學研究院 河北 065201）

海內(nèi)外各類低壓易漏失復(fù)雜油氣井廣泛分布，低密度水泥漿的應(yīng)用越來越普遍。目前常用成熟的低密度水泥漿體系有兩種：一種以空心微珠為減輕材料配制水泥漿，優(yōu)點是可根據(jù)需求配制不同低密度的水泥漿且水泥漿性能優(yōu)異，缺點是水泥漿成本高；一種是利用傳統(tǒng)減輕材料如膨潤土、粉煤灰等配制的水泥漿，雖然成本較低，但是水泥漿密度一般為1.5g/cm3以上，且水泥漿穩(wěn)定性差、強度低，尤其是低溫性能差，無法滿足市場施工需求[1-3]。

近年來，油氣田開發(fā)降本增效的壓力逐漸增大，因此開發(fā)性能適宜的經(jīng)濟型水泥漿體系具有重要的現(xiàn)實意義。本研究采用具有吸水性能較強、比表面積大、水化反應(yīng)快的材料開發(fā)了多功能材料C-P10，并以C-P10為核心材料輔以外摻料和功能性外加劑開發(fā)經(jīng)濟型低密度水泥漿體系。構(gòu)建的1.40～1.55g/cm3水泥漿體系成本低，配方簡單，性能滿足一般低壓漏失地層技術(shù)套管固井。

1.實驗部分

(1)材料準備

實驗材料包括G級油井水泥（SD‘G’），降失水劑C-FL83L、增強劑C-BT1、早強劑C-A93L、消泡劑C-X60L等固井外加劑。

針對經(jīng)濟型低密度水泥漿體系需水量大，固相含量低導致水泥漿不穩(wěn)定、水泥石強度發(fā)展慢的問題，中海油服開發(fā)出具備高懸浮性能、早強性能、促凝性能的多功能添加劑C-P10。該添加劑由硅氧晶體組成的層狀結(jié)構(gòu)物質(zhì)A，小粒徑、高比表面積的活性材料B，納米級活性材料C構(gòu)成。

物質(zhì)A是一種由硅氧晶體組成的層狀結(jié)構(gòu)物質(zhì)，具有較強吸水性，能吸收自身體積20倍的水，吸水后在水中成膠態(tài)，具有一定黏滯性和觸變性，同時其層間存在大量金屬、非金屬陽離子，有較強的離子交換能力和吸附性能，有利于提高體系的懸浮穩(wěn)定性，在提高液固比的同時能夠有效控制游離液和穩(wěn)定性。

物質(zhì)B是一種反應(yīng)速度較快的材料，有利于增加水泥早期水化反應(yīng)速率，促進水化反應(yīng)的進程，增加體系鈣礬石的數(shù)量有利于早期強度的發(fā)展，同時還可以與體系中的聚合物降失水劑發(fā)生鰲合，從而增加體系穩(wěn)定性。

物質(zhì)C是一種納米尺寸具有高比表面積的活性材料，需水量較高，同時能加速水泥水化反應(yīng)，同時與水化產(chǎn)物Ca(OH)2反應(yīng)生成C-S-H凝膠，加速水化反應(yīng)向正向進行，在增加水化產(chǎn)物數(shù)量的同時還能夠填充水泥硬化體中的細小空隙，形成的結(jié)構(gòu)均勻致密，改善水泥石的力學性能[4-5]。

(2)實驗儀器

美國TA公司TAM air水化熱分析儀，美國Chandle公司8040型增壓稠化儀和3500LS旋轉(zhuǎn)粘度計，DFC-0705S型高溫高壓失水儀，YJ-2001型勻加荷壓力試驗機等。

(3)實驗方法

水泥漿配方如下：

配方A：100%SD‘G’+20%C-BT1+X%C-P10+8%C-FL83L+1%C-A93L+0.25%C-X60L+自來水，水泥漿密度為1.4g/cm3。

配方B：100%SD‘G’+15%C-BT1+X%C-P10+6%C-FL83L+0.6%C-A93L+0.25%C-X60L+自來水，水泥漿密度為1.55g/cm3。

在不同溫度、加量等條件下，分別考察了C-P10對構(gòu)建的低密度水泥漿的穩(wěn)定性、抗壓強度、稠化性能等性能的影響。

2.結(jié)果與討論

(1)C-P10對水泥漿穩(wěn)定性影響

本研究構(gòu)建的低密度經(jīng)濟型水泥漿中并未添加任何空心微珠等減輕材料，而是依靠提高配降水用量來降低漿體密度。隨著配漿水量提高，水泥漿穩(wěn)定性下降，從而出現(xiàn)自由液增多，上下密度差變大的現(xiàn)象。

表1 C-P10對水泥漿穩(wěn)定性的影響Tab.1 Effect of C-P10 on slurry stability

水泥漿配方：100%SD‘G’+15%C-BT1+X%C-P10+Y%CFL83L+3+0.6%C-A93L+0.25%C-X60L+自來水。

從表1數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，體系中同時含有減輕劑C-P10與降失水劑C-FL83L時，水泥漿自由液明顯減少，流變性讀數(shù)提高，水泥石上下密度差也逐步縮小，這說明水泥漿穩(wěn)定性得到很大改善。構(gòu)建的體系可以有效控制自由水＜1%，上下密度差小于0.02g/cm3，滿足固井的施工要求。

(2)C-P10對水泥漿流變性能的影響

表2 C-P10對水泥漿流變性能的影響Tab.2 Effect of C-P10 on rheological property

從表2數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，不同溫度下，隨著C-P10加量的提高，水泥漿的低轉(zhuǎn)速讀數(shù)增大明顯，但高轉(zhuǎn)數(shù)讀數(shù)較低。表明C-P10可以有效提高水泥漿的切力和水泥漿的穩(wěn)定性。水泥漿較低的高轉(zhuǎn)速讀數(shù)，保證了水泥漿在泵送過程中磨阻較低。

(3)C-P10對水泥石強度的影響

對于低密度水泥漿，水泥石抗壓強度是衡量水泥漿能否施工的重要指標，采用配方B，在不同的溫度下，研究了C-P10對水泥石強度的影響。

表3表明，在不同溫度下，水泥石強度均隨著C-P10加量增多而增大。隨著加量的增加水泥石強度緩慢增加。C-P10在一定加量范圍內(nèi)可以有效提高水泥石強度，但是隨著加量增大，C-P10的促凝作用達到飽和，部分C-P10不再參與水泥早期水化，無法進一步起到提高早期強度效果。圖1表明相同溫度下，水泥石的抗壓強度隨著C-P10加量的增加而逐漸增加。

表3 不同C-P10加量下1.55g/cm3水泥石抗壓強度Tab.3 Compressive strength of 1.55g/cm3 cement set with different dosage of C-P10

圖1 同一溫度（40℃）不同加量C-P10對水泥石抗壓強度的影響變化規(guī)律Fig.1 The influence of C-P10 on the compressive strength of cement set at the same temperature(40℃)with different dosage

(4)C-P10對水泥漿稠化時間的影響

C-P10在不同加量時對水泥漿稠化時間的影響如圖3所示。

圖2 C-P10加量對水泥漿稠化時間的影響Fig.2 Influence of C-P10 on thickening time of cement slurry with different dosage

由圖2可以看出，不同溫度下，水泥漿的稠化時間隨著C-P10的加量增大而縮短，C-P10具備較好的促凝性能，可以有效促進水泥漿的水化，低溫下可將稠化時間從418min縮短至226min左右，大大提高了低溫下水泥漿稠化時間的可調(diào)性。

圖3緩凝劑加量對水泥漿稠化時間的影響表明，水泥漿的稠化時間隨緩凝劑加量增大而規(guī)律性延長，具備良好的可調(diào)性，認為C-P10的促凝性能并未破壞緩凝劑的作用，較高溫度下可以通過添加緩凝劑的方法調(diào)節(jié)水泥漿的稠化時間。

圖3 緩凝劑加量對水泥漿稠化時間的影響（50℃）Fig.3 Effect on thickening time of cement slurry(50℃) with different retarder dosage

(5)水泥漿綜合性能

以C-P10構(gòu)建的1.4～1.5g/cm3水泥漿的基本性能如表4。

表4 1.4～1.55g/cm3水泥漿基礎(chǔ)性能Tab.4 Basic performance of 1.4～1.55g/cm3 cement slurry

圖4 1.4g/cm3水泥漿稠化曲線Fig.4 Thickening curve of 1.4 g/cm3 cement slurry

3.現(xiàn)場應(yīng)用

由于渤海海域各區(qū)塊水深均較淺，約為數(shù)十米，對表層固井水泥漿性能的要求較低，表層固井過程中，多采用領(lǐng)尾漿配合固井，其中領(lǐng)漿主要起填充功能，一般水泥漿密度需滿足密度1.4～1.6g/cm3，稠化時間4～6h可調(diào)，24h水泥石強度不小于6.9MPa，API失水小于100ml，自由水小于1%，循環(huán)溫度大多介于20～50℃。如采用常規(guī)的空心微珠配制的水泥漿雖然水泥漿性能好，但通常價格很高，成本回報率低，使用以C-P10為主要材料的低密度水泥漿體系作為領(lǐng)漿在渤海灣岐口（QK）18-XX井進行了首次應(yīng)用。

岐口（QK）18-XX井完鉆井深為573m，完鉆鉆井液密度為1.16g/cm3，一開固井，φ17-1/2”井眼，下入φ13-3/8”套管，井底BHCT/BHST為28℃/35℃，尾漿采用常規(guī)的1.9g/cm3水泥漿（水灰比0.44），領(lǐng)漿采用水泥漿密度為1.5g/cm3，要求稠化時間4～5h，低密度水泥漿性能如表4所示，滿足領(lǐng)漿固井需求，固井結(jié)束后，電測固井質(zhì)量優(yōu)。

表5 經(jīng)濟型低密度水泥漿性能Tab.5 Performance of cement slurry with low cost and low density

以C-P10為主要材料配制的低密度水泥漿體系，因主要依賴水為減輕材質(zhì)，大幅降低空心材料的添加量，使得水泥漿成本大幅降低，且性能良好，具備很好的現(xiàn)場應(yīng)用價值。

4.結(jié)論

（1）C-P10在提高水泥漿液固比的同時還有助于體系穩(wěn)定和水泥石強度發(fā)展，可將其作為減輕劑配制低密度水泥漿。

（2）C-P10原料來源廣泛，市場價格低，可減少甚至不使用高成本的人造微珠構(gòu)建水泥漿體系，從而顯著降低體系成本。

（3）以C-P10為核心構(gòu)建的1.40～1.55g/cm3經(jīng)濟型低密度水泥漿各項技術(shù)性能均滿足施工要求。該體系的現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果良好，可以推廣使用。