摘 要: 国内外利用颗粒级配和紧密堆积理论研究开发了1. 20～1. 65 g/ cm3 的低密度水泥浆体系,解决了固井中的技术难题,取得了比较满意的效果。随着勘探开发复杂古潜山油藏、海相碳酸岩盐裂缝油藏,保护油层、保护套管的需要,对水泥浆提出了更高的要求。特别是超深井、高温度、长封固、平衡压力固井施工,要求水泥浆超低密度、高强度、体积不收缩。目前,国内外还没有水泥浆密度低于1. 10 g/ cm3 的超低密度体系的应用报道。通过采用美国3M公司的高强低密度人造空心微珠,进行了超低密度水泥浆体系的试验,在水泥浆密度达到1. 04～1. 10g/ cm3 时,依然具有较高的强度和较好的水泥浆性能,可以应用到超深井、超长封固的固井施工中。
关键词: 低密度; 超低密度; 水泥浆体系; 空心玻璃微珠
中图分类号: TE 256. 6 文献标识码: A 文章编号: 1006 - 768X(2006) 06 - 0107 - 04
一、低密度水泥浆体系的现状
近年来,国外科研机构利用颗粒级配充填堆积理论,采用多种低密度材料复配,通过不同的水泥浆外加剂的调节,研究开发了1. 20～1. 65 g/ cm3 不同密度的水泥浆体系[ 1 ] 。目前,应用的低密度水泥浆体系有粉煤灰体系、膨润土体系、矿渣体系、珍珠岩体系、泡沫体系等等。每种体系各有其优缺点,不论哪种低密度水泥浆体系,必须较好地解决低密度材料上浮,保证浆体的稳定性。必须掺入一定量的稳定剂,防止水泥浆的分层。要选择较好的不同粒径的材料,相互配合充填粒径间的空隙,紧密堆积以提高其抗压强度。近年来,已经应用的低密度水泥浆体系形成的水泥石的强度大幅度提高,在48 h后强度能达到14 MPa。但是目前还没有水泥浆密度低于1. 10 g/ cm3 的报道。
二、各种低密度材料的性能和优选
(1)粉煤灰:是火力发电厂煤粉燃烧熔融后排出的粉末状废物,具有火山灰特性的微细灰。主要成分为SiO2 和Al2O3 ,粒径范围为0. 5～300μm,密度为2. 0～2. 50 g/ cm3 ,价格便宜,购买方便。
(2)微硅:生产硅钢或铁合金生产过程中分离出来的一种副产品,主要成分是SiO2 ,平均粒径0. 10～0. 15 μm,具有较大的比表面积。密度2. 50 g/cm3 ,能使水泥石渗透率下降,提高抗腐蚀性能[ 2 ] 。
(3)海泡石:是一种白色质轻纤维状富镁硅酸盐矿物,由硅氧四面体和镁氧八面体组成。主要成分为SiO2 和MgO,其结构中存在一系列晶道,具有极大的比表面积,密度一般为1. 30～2. 10 g/ cm3 ,热稳定性好,抗盐性好[ 2 ] 。
(4)珍珠岩: 属于火山玻璃质熔岩,主要成分SiO2 ,为白色或浅灰色颗粒,绉褶的蜂窝结构,含有大量的空隙,具有较大的膨胀性。密度2. 40 g/ cm3 ,堆积密度0. 10～0. 2 kg/m3 ,可存比自重高5～6倍的水分。研磨成20～30目的颗粒,能形成膨胀珍珠岩水泥浆体系,具有减轻和降失水的良好性能[ 3 ] 。但易上浮,需要选择与其配伍的稳定剂。
(5)漂珠:粉煤灰在水中漂浮起来的球状颗粒,晒干后即成漂珠,具有密闭、粒细、质轻、壁薄、活性等性能。它的视密度只有0. 7 g/ cm3 左右,用漂珠配制的低密度水泥浆可以达到较低的密度。但是,由于漂珠本身的强度较低,而且漂珠外壳本身的壁厚和形状的差异,在一定压力和混浆泵的搅拌下容易破碎。
(6)人造空心玻璃微球: HGS中空玻璃微球是美国3M公司人工制造的空心微珠,是一种碱性硅硼酸钙盐,不溶于水和油,平均直径90 μm,壁厚2～3μm,耐高温,化学稳定,破碎压力14～124MPa,能降低流体的粘度,改善流动性,较高的强度和不可压缩性。其拉伸强度、抗压强度、杨氏模量均优于漂珠。另外HGS中空玻璃微球水泥浆体系在凝固时,收缩率非常低,能保证较好的胶结强度。目前国内已经可以生产人造的空心玻璃微珠,并有产品销售,但是性能与国外还有差距。
人造高强度空心微珠的诞生,为超低密度水泥浆体系的开发提供了条件。
三、3M公司HGS空心微珠性能
3M公司已经形成了系列空心微珠产品,是惰性物质,不溶于油和水。具有良好的耐温性和高强度,最高耐温600℃,最高抗压强度124 MPa (见表1) ,这就意味着超低密度水泥浆可以适应更深的油井和超深井使用。
通过表1中的数据,根据不同井深的油藏压力和不同的水泥封固段,可以选择不同级别的产品,满足工程的需要。
用HGS空心玻璃微球作水泥浆减轻剂可使水泥浆密度降到0. 90 g/ cm3 ,而且由于破碎压力较高,用离心泵泵送也不会对实际密度有较大影响。中空玻璃微球与漂珠在相同实验条件下的破碎体系比较见图1。
可见在相同条件下漂珠的破碎率远大于HGS空心玻璃微球,这说明HGS空心玻璃微球在混拌和泵送过程中的破碎率远小于漂珠,对实际密度的影响较小。
HGS空心玻璃微球可解决低压漏失地层和多级压力梯度固井的难题,减少固井风险,提高固井成功率。
四、超低密度水泥浆的设计
高强超低密度水泥浆体系的稳定性和早期强度是衡量超低密度水泥浆体系性能优劣的两个主要指标,超低密度水泥浆体系要求稳定性好、早期强度高。
根据颗粒级配紧密堆积理论,通过优化低密度混合物中粒度分布,提高水泥浆体系的密实程度,可以使超低密度水泥浆体系的强度和其它性能大幅度的提高。因此,要注意以下问题:
(1)较好的稳定性:水泥浆在一定的条件下,浆体不发生分层离析,形成的水泥石纵向密度分布要基本一致,析水小、体积收缩小。
(2)合适的流变性和密度:选择减轻剂的类型和级别粒径,不能盲目增大用水量,用水量应严格控制在所选择减轻剂的最大允许范围内。
(3)较高的早期强度:不能盲目追求水泥浆的流变性能和滤失量控制,而损害水泥浆的抗压强度和稳定性。选择不同粒径的低密度材料紧密堆积辅以外加剂以提高早期强度。
因此,选择了细漂珠作为减轻以及粗颗粒干混材料。用细漂珠作减轻剂配制低密度水泥浆,在较低液固比时,就可获得较低密度的水泥浆,从而使得水泥石的强度较高。对于粒度较细的颗粒,选择微硅以及3M公司产品作为细颗粒充填材料。
五、实验情况
根据以上原则,经过优选,配制出了密度为1. 20～1. 04 g/ cm3 的高强超低密度水泥浆体系。这几套体系选用国产漂珠和3M公司的空心微珠,都具有密度低(国产0. 70 g/ cm3 , 3M公司0. 46～0. 60 g/cm3 ) ,抗压强度高、粒度细的特点。
根据减轻材料(漂珠)的不同,制定实验方案:
(1)采用国产漂珠配制1. 20～1. 10 g/ cm3 的水泥浆体系,并调节其各项性能;
(2)采用进口漂珠配制1. 10～1. 05 g/ cm3 的水泥浆体系,并调节其各项性能。
通过优选水泥浆体系配方,达到要求,实验情况与水泥浆性能如下:
1. 国产漂珠进口外加剂超低密度体系(1. 20 g/ cm3 )
配方: AP I - G水泥+ 自来水300 g + 漂珠147% +充填剂18% +充填增强剂80% +防窜剂2. 0% +液体降失水剂7% +液体缓凝剂1. 5% +液体减阻剂5% +消泡剂0. 1%;性能:密度1. 20 g/ cm3 ,水泥浆上下密度无差异;流动度19 cm,游离水0;
流变: 200 /110 /78 /44 /8 /7 (0. 1MPa ×93℃ ×20min) ; AP I失水: 80 ml ( 6. 9 MPa ×93℃ ×30 min) ;稠化时间: 252 min ( 105℃ ×40 MPa) ; 抗压强度:17. 4MPa /24h; 18. 5MPa /48 h (0. 1MPa ×80℃) 。
2. 国产漂珠国产外加剂超低密度体系(1. 20 g/ cm3 )
配方: AP I - G级水泥200g +水357g +漂珠110% +充填剂70% +早强剂2. 5% +降失水剂0. 9% +液体减阻剂2. 5% +液体缓凝剂0. 45%;性能:密度:ρ= 1. 20 g/ cm3 ;流动度: 22 cm;流变性能: n = 0. 855; K = 0. 329 Pa·Sn ( 93℃ ×0. 1MPa ×20 min) ; 失水: 80 ml ( 93℃ ×6. 9 MPa ×30min) ; 强度: 13. 8 MPa ( 80℃ ×0. 1 MPa ×48 h) ;15. 1MPa (100℃ ×15 MPa ×48 h) ;稠化时间:增压稠化(105℃ ×40MPa) ,缓凝剂加量0. 4% ～0. 6%,稠化时间180～300 min,初始稠度20BC,直角稠化,稠化时间可调。
3. 进口(3M)微珠进口外加剂超低密度体系(1. 10g/ cm3 )
配方: AP I - G水泥+ 自来水240 g +漂珠150% +充填剂5% +充填增强剂90% +防窜剂2. 0% +液体降失水剂7% +液体缓凝剂1. 6% +液体减阻剂6% +消泡剂0. 1%;性能:密度: 1. 10 g/ cm3 ,水泥浆上下密度无差异;流动度: 19 cm;游离水: 0;AP I失水: 92 ml (6. 9 MPa ×93℃ ×20 min) ;稠化时间: 180 min (105℃ ×40 MPa) ;抗压强度: 21. 9MPa /24 h; 25. 8MPa / 48 h (0. 1MPa ×80℃) 。
4. 国产漂珠进口外加剂超低密度体系( 1. 10 g/cm3 )
配方: AP I - G水泥+ 自来水240 g +漂珠200% +充填剂10% +充填增强剂50% +防窜剂2. 0% +液体降失水剂8% +液体缓凝剂1. 6% +液体减阻剂5% +消泡剂0. 1%;性能:密度: 1. 10 g/ cm3 ,水泥浆上下密度无差异;流动度: 20 cm;游离水: 0;流变: 185 /102 /75 /42 /7 /5 ( 0. 1 MPa ×93℃ ×20 min ) ; AP I失水: 40 ml ( 0. 1 MPa ×93℃ ×20min) ;稠化时间: 250 min ( 105℃ ×40 MPa) ;抗压强度: 18MPa / 48h (0. 1MPa ×80℃) 。
5. 国产微珠国产外加剂超低密度体系(1. 10 g/ cm3 )
配方: API - G级水泥100g +水370g +漂珠230% +充填增强剂67. 0% +早强剂6. 5% +降失水剂2. 4% +液体减阻剂4. 0% +液体缓凝剂0. 20%;性能:密度:ρ= 1. 10 g/ cm3 ;流动度: 22 cm;流变性能: n = 0. 769; K = 0. 570 Pa · sn ( 93℃ ×0. 1MPa ×20 min) ; 失水: 66 ml ( 93℃ ×6. 9 MPa ×30min) ; 强度: 13. 9 MPa ( 80℃ ×0. 1 MPa ×48 h) ;14. 5MPa (100℃ ×15 MPa ×48 h) ;稠化时间:增压稠化(105℃ ×40 MPa) ,缓凝剂加量0% ～0. 20%,稠化时间200～350 min,初始稠度20 BC左右,直角稠化,稠化时间可调。
6. 进口(3M)微珠进口外加剂超低密度体系( 1. 08g/ cm3 )
配方(1) : AP I - G水泥87g + 自来水210 g + 3M漂珠182% +充填剂30% +充填增强剂115% +防窜剂6. 0% +液体降失水剂8% +液体减阻剂4% +消泡剂0. 3%;性能: 密度: 1. 08 g/ cm3 ; 流动度: 22 cm; 游离水: 0; AP I失水: 45 ml (80℃ ×7MPa ×30 min) ;稠化时间: 270 min (80℃ ×50MPa) ;抗压强度:22MPa (24 h ×80℃ ×0. 1 MPa) ; 7 MPa (24 h ×0. 1MPa ×40℃) 。
配方(2) :以上配方加液体缓凝剂0. 4%。性能:稠化时间和强度发生了变化。稠化时间:330 min (80℃ ×50MPa) ;抗压强度: 18. 5MPa (24 h×80℃ ×0. 1 MPa ) ; 5 MPa ( 24 h ×0. 1 MPa ×40℃) 。
7. 进口(3M)微珠进口外加剂超低密度体系( 1. 06g/ cm3 )
配方:AP I - G水泥85 g + 自来水220 g + 3 M漂珠208% +充填剂31% +充填增强剂113% +防窜剂6. 0% +液体降失水剂8% +液体减阻剂4%+消泡剂0. 3%;性能: 密度: 1. 06 g/ cm3 ; 流动度: 21 cm; 游离水: 0; AP I失水: 44 ml (80℃ ×7MPa ×30 min) ;稠化时间: 265 min (80℃ ×50MPa) ;抗压强度:14MPa (24 h ×80℃ ×0. 1 MPa) ; 5 MPa (24 h ×0. 1MPa ×40℃) 。
8. 进口(3M)微珠进口外加剂超低密度体系(1. 04g/ cm3 )
配方(1) : AP I - G水泥80 g + 自来水235 g + 3M 漂珠225% + 充填剂31. 5% + 充填增强剂112. 5% +防窜剂6. 0% +液体降失水剂8% +液体减阻剂4% +消泡剂0. 3%;性能: 密度: 1. 04 g/ cm3 ; 流动度: 20 cm; 游离水: 0; AP I失水: 42 ml (80℃ ×7MPa ×20 min) ;稠化时间: 262 min (80℃ ×50MPa) ;抗压强度:9MPa ( 24 h ×0. 1 MPa ×80℃) ; 4 MPa (24 h ×0. 1MPa ×40℃) 。
配方(2) :以上配方增加液体缓凝剂0. 2%。性能:稠化时间和强度发生了变化。稠化时间:305 min (80℃ ×50 MPa) ;抗压强度: 8 MPa (24 h ×80℃ ×0. 1MPa) ; 2MPa (24 h ×0. 1MPa ×40℃) 。
配方(3) :以上配方增加固体早强剂0. 5%。性能:稠化时间和强度发生了变化。稠化时间:198 min (80℃ ×50MPa) ;抗压强度: 12MPa (24 h ×80℃ ×0. 1MPa) ; 3MPa (24 h ×0. 1MPa ×40℃) 。
六、实验结论
通过采用国产和进口的低密度材料和水泥外加剂,优选了超低密度水泥浆体系。实验表明,选择不同级别不同粒径的低密度材料,通过紧密堆积可以配制密度1. 04 ～1. 20 g/ cm3 的超低密度水泥浆,而且体系具有良好的性能: 浆体稳定性好,流变性能好,抗压强度高。
(1)流动性较好,现在的设备可以满足要求;
(2)浆体稳定,水泥浆上下密度没有差别,沉降稳定性较好;
(3)稠化时间可调性好,可根据施工需要随意调节;
(4)稠化过度时间短( 40～100 BC) ,基本成直角稠化;
(5)失水控制较好,可将AP I失水有效控制在100 ml以下;
(6)虽然密度低,但抗压强度高, 24 h抗压强度可达14MPa以上,特别是使用进口漂珠的水泥浆体系的24 h强度在20MPa以上;
(7)美国3M公司HGS空心微珠的各项性能均比国产漂珠要好,且不受井底压力的影响。因此在成本条件允许的情况下,建议使用美国3M公司的空心微珠配制的超低密度水泥浆体系,以满足深井、超深井、超长封固和保护油气层的需要。
超低密度水泥浆体系的研究成功,对于开发复杂潜山油藏、海相碳酸岩盐裂缝油藏、古生界奥陶系漏失油藏,对于保护油层和实现超长水泥封固都具有重要意义。例如轮南塔河油田、川东北油田、胜利油田的乐安和滨南古潜山裂缝油藏。特别是桩西地区、富台油田、渤深6潜山等,在5 000多米井深的古潜山有了重大发现,针对埋藏深、温度高( 150℃～180℃)的特点,优选材料和配方,可以实现超长封固,平衡地层压力固井。简化施工程序,减少多级固井风险,降低成本。降低套管外挤力,保护套管,减少采油后期套管变形的可能性,延长油井寿命。中石化重点深探井塔深1井已经成功的应用了超低密度水泥浆体系。
七、结论
(1)使用粉煤灰漂选的空心微珠质量差、抗压强度低、容易破碎,满足需要强度的水泥浆密度最低可以降到1. 20 g/ cm3。
(2)泡沫水泥浆可以降到较低的密度,而在井底的实际密度要高,其水泥石的渗透性高,抗压强度低。
(3)人造空心微珠具有完美的球体形状和较高的抗压强度,可以配制密度1. 10 g/ cm3 以下密度的水泥浆,而且具有良好的性能,可以满足工程的需要。
(4)目前国产空心微珠最低可以达到1. 10 g/cm3 密度的具有较高强度的超低密度水泥浆, 3M公司生产的空心微珠可以达到1. 04 g/ cm3 的密度,依然具有较高的强度,是普通漂珠配制的水泥浆体系的两倍,但是低温下抗压强度还比较低,它具有的耐温600℃和弹性可以满足临界固井条件。
(5)配制的密度0. 90 g/ cm3 的水泥浆体系的抗压强度还比较低(抗压强度: 5. 6 MPa /24 h ×0. 1MPa ×80℃) ,密度1. 00 g/ cm3 以下的超低密度水泥浆体系的性能还需要继续深入的研究。
参考文献
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