摘 要: 基于颗粒级配增强原理,设计了以漂珠、水泥颗粒、微硅颗粒和自制的颗粒级配增强外掺料为主构成的四元体级配体系,并研制了与之配套的早强增韧剂。试验结果表明,筛选确定的漂珠、微硅颗粒和自制的颗粒粒径分布合理,所设计的四元体级配体系确实可行,与早强增韧剂配合使用,可显著提高漂珠微硅类低密度水泥石的综合强度、水泥浆的稳定性和防窜能力,与其它常用外加剂也有良好的配伍性。研究结果对油井水泥体系的研制与应用具有普遍的指导意义。
关键词: 低密度; 油井水泥; 颗粒级配; 纤维; 强度; 稳定性; 实验研究
中图分类号: TE 256. 6 文献标识码: A 文章编号: 1006 - 768X(2006) 06 - 0104 - 03
因采用低密度水泥浆固井可有效地保护油气储集层、提高单井产能,这使其应用日渐广泛,已成为解决低压层、易漏失层和长封固段等固井复杂问题的一项重要技术手段。但是随着大量轻质材料掺入、水泥浆密度降低的同时,水泥浆流变性和稳定性变差,失水也变得难以控制,尤其是水泥石强度大幅降低,有时难以满足封固地层的要求,且水泥浆的密度降得越低,上述矛盾就越突出[ 1 ] ,这个矛盾不解决,将制约低密度水泥浆固井技术的发展和推广应用,因此寻求“低密度”与“高性能”之间的平衡是目前低密度水泥体系发展的重要方向。本文以综合性能较好、现场使用较普遍的漂珠微硅类低密度水泥体系为例,采用颗粒级配增强、纤维增韧的技术思路,在开发实际可用的高强低密度水泥体系的同时,也试图探索一种能将油井水泥体系的研制与应用引向深入的有效途径。
一、技术思路
以颗粒级配增强[ 2 ] ～[ 3 ] 、纤维增韧[ 4 ] ～[ 6 ]为研究的主体技术思路。为实现颗粒级配增强,设计选用以漂珠颗粒、水泥颗粒、微硅颗粒和自制的颗粒级配增强外掺料为主构成4级颗粒填充结构体系,其中粒径最大的漂珠颗粒堆积构成第1级填充结构,在漂珠颗粒堆积的空隙中填充水泥颗粒构成第2级填充结构,在水泥颗粒堆积的空隙中填充颗粒级配增强外掺料构成第3级填充结构,最后则是在颗粒级配增强外掺料堆积的空隙中填充微硅构成第4级填充结构(见图1) 。因为粒径较小的颗粒依次填充于更大粒径的颗粒堆积构成的空隙中,各级填充结构相互穿插、互为支撑,因此在体系的总体积基本不变、密实度大幅提高的同时,体系的结构强度将显著改善,而且小颗粒对大颗粒能够起到滚动润滑的作用,这也有利于减少配浆用水量,提高水泥石强度和浆体稳定性。
二、实验
1. 实验材料
依据上述技术思路,筛选了漂珠和微硅,研制了颗粒级配增强外掺料KZ和配套的早强增韧剂ZR,试验确定了分散剂、降失水剂等配套外加剂。实验研究用材料为: (1)分散剂USZ (河南卫辉) ; ( 2)降失水剂FHJ - 2 (胜利油田富海) ; (3)消泡剂FHX -1 (胜利油田富海) ; ( 4)胜潍G级高抗硫酸盐型水泥,颗粒粒径10～60μm,平均粒径20μm; (5)漂珠(河北保定电厂) ,颗粒粒径40～200μm, 平均粒径80μm; (6)微硅(贵州硅铁合金厂) ,颗粒粒径0. 02～0. 5μm,平均粒径0. 1 μm; ( 7)颗粒级配增强外掺料KZ(自制) ,由无机胶凝材料和硅质材料混合碾磨制成,颗粒粒径2～14 μm,平均粒径6. 5 μm;(8)早强增韧剂ZR (自制) , 优选不同的长度分布和合适长径比的纤维,进行化学改性然后与一定比例的、可促进水泥强度发展的活性微粒及与之相匹配的激活剂复配制成,活性微粒和激活剂的平均粒径为55μm; (9)胜利油田生活用自来水。
2. 测试参数
水泥浆的制备、稠化性能、流变性、滤失量和抗压强度等的测试方法按GB10238 - 1998 和APISPEC 10规范进行。由于目前尚无确定的方法评定油井水泥石的韧性,参照有关建材标准规范,结合油井注水泥施工的实际情况,研究采用水泥石抗折强度评价其韧性,认为抗折强度值大者韧性高。浆体稳定性以水泥石密度在垂直方向上变化的大小进行评价,变化越小稳定性越好。对于水泥浆防窜性能的评价,目前也无确定的标准,对此本文选用实际中应用较多、经实践检验可行、且易于实现的SPN无因次系数法评价水泥体系的防窜性能,该方法主要反应水泥浆失水量及水泥浆凝固过程中阻力变化对气窜的影响,其表达式为:
式中: FLAP I —水泥浆AP I失水量, ml; t100BC、t30BC —水泥浆稠度为100 Bc和30 Bc的时间, min。实际应用证实当0≤SPN ≤3,防窜效果好; 3 < SPN≤6,防窜效果中等; SPN > 6,防窜效果差[ 1 ] 。
三、实验结果及机理分析
1. 水泥石强度
表2是表1中4个四元体级配体系的配方和在表1配方的基础上未加KZ时的三元体级配体系的水泥石强度的测试结果。分析表2中数据可见,四元体级配体系的水泥石的强度要显著高于三元体级配体系的,与常规密度水泥石的强度接近。这证实了对漂珠微硅类低密度水泥体系所做分析准确到位,筛选确定的漂珠、微硅颗粒和自制的颗粒粒径分布合理,所设计的多级颗粒填充结构体系确实可行。而且由早强增韧剂ZR引入水泥石中的改性纤维的变形与水泥基体材料不同步,在纤维周围的水泥基体中形成一个拉应力区,当水泥石受到拉力时,微裂缝、微裂纹等缺陷开始生长,如果有纤维跨越这些微裂缝,裂缝的生长需要消耗额外的能量克服微裂缝附近拉应力区对裂缝生长的抑制作用,这种局部效应累积的宏观结果也使得水泥石抗折强度和胶结强度提高[ 7 ] ～[ 8 ] 。
由表2发现增压条件下水泥石的抗压强度要略低于常压条件下的。通常认为这是由于空心漂珠在高压条件下破裂、局部强度降低累积的结果[ 1 ] ,但是结合试验的设备条件分析,还有一个可能的原因就是增压养护设备加压系统为将养护压力维持在设定值需频繁启动,加压系统启动的瞬间,对试件的养护环境造成较大的冲击,使得空心漂珠在冲击载荷作用下破碎。这提示在采用低密度水泥浆固井时,要尽量避免环境压力的较大波动对水泥石强度造成的影响。
2. 水泥浆性能
分析表3中水泥浆性能的测试结果可以发现,所研制颗粒级配增强外掺料KZ和早强增韧剂ZR与常用油井水泥外加剂配伍性良好,失水量很低、游离水也控制得很好, 50～100 Bc的稠度发展快,表现出了很好的防窜性能,水泥浆的流变性满足泵注要求。这是因为多种小粒径颗粒的紧密堆积,使颗粒之间的距离减小,体系的比表面积增大,对水的束缚能力增大,使浆体结构强度增大,但是由于充填在大颗粒间的小颗粒象滚珠一样使整个体系的润滑性得到了改善,所以浆体的稠度并不太大,易于混合和泵送。上述效应与多级颗粒构成的致密网架结构协同作用,使得水泥浆中的液相流动阻力增大,水泥浆的失水和游离水得到了有效的控制。浆体结构强度增大、结构变致密对水泥浆中液相流动的控制是双向的,即液相流出浆体和周围环境中的流体介质进入浆体的难度均增大,因此水泥浆的失水和游离水减小的同时,水泥浆防窜能力提高也获得显著的提高[ 2 ]～[ 3 ] 。
3. 浆体稳定性
将水泥浆置入直径25 mm、长150 mm 的玻璃管中,玻璃管处于垂直状态在常压、75℃条件下养护36 h后,将试件分成5段分别测试密度,由各段密度差判定水泥浆的稳定性,结果见表4。由表4可见垂直方向上最大密度差只有0. 02 g/ cm3 ,分布较均匀,有利于保证整个封固段的封固质量。表4中的试验结果也进一步证实了以漂珠、水泥颗粒、微硅颗粒及自制的颗粒级配增强外掺料为主构成的四元体级配体系,可获得较大的浆体结构强度,有效地限制了液相和轻质材料在浆体中的运动,使水泥石的均匀性提高。
四、结论
(1)优选低密度水泥体系中的颗粒组成和粒径分布是提高低密度水泥浆整体性能的有效途径。试验结果证实,以漂珠、水泥颗粒、微硅颗粒及自制的颗粒级配增强外掺料为主构成的4级颗粒填充结构体系确实可行。
(2)所设计的颗粒填充结构体系与早强增韧剂配合使用,可显著提高低密度水泥石的综合强度、水泥浆的稳定性和防窜能力,与其它外加剂也有良好的配伍性。
(3)研究结果为有效解决当前固井的一些实际问题提供了一个可行的途径。
参考文献
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