摘 要: 基于顆粒級配增強原理,設計了以漂珠、水泥顆粒、微硅顆粒和自制的顆粒級配增強外摻料為主構(gòu)成的四元體級配體系,并研制了與之配套的早強增韌劑。試驗結(jié)果表明,篩選確定的漂珠、微硅顆粒和自制的顆粒粒徑分布合理,所設計的四元體級配體系確實可行,與早強增韌劑配合使用,可顯著提高漂珠微硅類低密度水泥石的綜合強度、水泥漿的穩(wěn)定性和防竄能力,與其它常用外加劑也有良好的配伍性。研究結(jié)果對油井水泥體系的研制與應用具有普遍的指導意義。
關鍵詞: 低密度; 油井水泥; 顆粒級配; 纖維; 強度; 穩(wěn)定性; 實驗研究
中圖分類號: TE 256. 6 文獻標識碼: A 文章編號: 1006 - 768X(2006) 06 - 0104 - 03
因采用低密度水泥漿固井可有效地保護油氣儲集層、提高單井產(chǎn)能,這使其應用日漸廣泛,已成為解決低壓層、易漏失層和長封固段等固井復雜問題的一項重要技術手段。但是隨著大量輕質(zhì)材料摻入、水泥漿密度降低的同時,水泥漿流變性和穩(wěn)定性變差,失水也變得難以控制,尤其是水泥石強度大幅降低,有時難以滿足封固地層的要求,且水泥漿的密度降得越低,上述矛盾就越突出[ 1 ] ,這個矛盾不解決,將制約低密度水泥漿固井技術的發(fā)展和推廣應用,因此尋求“低密度”與“高性能”之間的平衡是目前低密度水泥體系發(fā)展的重要方向。本文以綜合性能較好、現(xiàn)場使用較普遍的漂珠微硅類低密度水泥體系為例,采用顆粒級配增強、纖維增韌的技術思路,在開發(fā)實際可用的高強低密度水泥體系的同時,也試圖探索一種能將油井水泥體系的研制與應用引向深入的有效途徑。
一、技術思路
以顆粒級配增強[ 2 ] ～[ 3 ] 、纖維增韌[ 4 ] ～[ 6 ]為研究的主體技術思路。為實現(xiàn)顆粒級配增強,設計選用以漂珠顆粒、水泥顆粒、微硅顆粒和自制的顆粒級配增強外摻料為主構(gòu)成4級顆粒填充結(jié)構(gòu)體系,其中粒徑最大的漂珠顆粒堆積構(gòu)成第1級填充結(jié)構(gòu),在漂珠顆粒堆積的空隙中填充水泥顆粒構(gòu)成第2級填充結(jié)構(gòu),在水泥顆粒堆積的空隙中填充顆粒級配增強外摻料構(gòu)成第3級填充結(jié)構(gòu),最后則是在顆粒級配增強外摻料堆積的空隙中填充微硅構(gòu)成第4級填充結(jié)構(gòu)(見圖1) 。因為粒徑較小的顆粒依次填充于更大粒徑的顆粒堆積構(gòu)成的空隙中,各級填充結(jié)構(gòu)相互穿插、互為支撐,因此在體系的總體積基本不變、密實度大幅提高的同時,體系的結(jié)構(gòu)強度將顯著改善,而且小顆粒對大顆粒能夠起到滾動潤滑的作用,這也有利于減少配漿用水量,提高水泥石強度和漿體穩(wěn)定性。
二、實驗
1. 實驗材料
依據(jù)上述技術思路,篩選了漂珠和微硅,研制了顆粒級配增強外摻料KZ和配套的早強增韌劑ZR,試驗確定了分散劑、降失水劑等配套外加劑。實驗研究用材料為: (1)分散劑USZ (河南衛(wèi)輝) ; ( 2)降失水劑FHJ - 2 (勝利油田富海) ; (3)消泡劑FHX -1 (勝利油田富海) ; ( 4)勝濰G級高抗硫酸鹽型水泥,顆粒粒徑10～60μm,平均粒徑20μm; (5)漂珠(河北保定電廠) ,顆粒粒徑40～200μm, 平均粒徑80μm; (6)微硅(貴州硅鐵合金廠) ,顆粒粒徑0. 02～0. 5μm,平均粒徑0. 1 μm; ( 7)顆粒級配增強外摻料KZ(自制) ,由無機膠凝材料和硅質(zhì)材料混合碾磨制成,顆粒粒徑2～14 μm,平均粒徑6. 5 μm;(8)早強增韌劑ZR (自制) , 優(yōu)選不同的長度分布和合適長徑比的纖維,進行化學改性然后與一定比例的、可促進水泥強度發(fā)展的活性微粒及與之相匹配的激活劑復配制成,活性微粒和激活劑的平均粒徑為55μm; (9)勝利油田生活用自來水。
2. 測試參數(shù)
水泥漿的制備、稠化性能、流變性、濾失量和抗壓強度等的測試方法按GB10238 - 1998 和APISPEC 10規(guī)范進行。由于目前尚無確定的方法評定油井水泥石的韌性,參照有關建材標準規(guī)范,結(jié)合油井注水泥施工的實際情況,研究采用水泥石抗折強度評價其韌性,認為抗折強度值大者韌性高。漿體穩(wěn)定性以水泥石密度在垂直方向上變化的大小進行評價,變化越小穩(wěn)定性越好。對于水泥漿防竄性能的評價,目前也無確定的標準,對此本文選用實際中應用較多、經(jīng)實踐檢驗可行、且易于實現(xiàn)的SPN無因次系數(shù)法評價水泥體系的防竄性能,該方法主要反應水泥漿失水量及水泥漿凝固過程中阻力變化對氣竄的影響,其表達式為:
式中: FLAP I —水泥漿AP I失水量, ml; t100BC、t30BC —水泥漿稠度為100 Bc和30 Bc的時間, min。實際應用證實當0≤SPN ≤3,防竄效果好; 3 < SPN≤6,防竄效果中等; SPN > 6,防竄效果差[ 1 ] 。
三、實驗結(jié)果及機理分析
1. 水泥石強度
表2是表1中4個四元體級配體系的配方和在表1配方的基礎上未加KZ時的三元體級配體系的水泥石強度的測試結(jié)果。分析表2中數(shù)據(jù)可見,四元體級配體系的水泥石的強度要顯著高于三元體級配體系的,與常規(guī)密度水泥石的強度接近。這證實了對漂珠微硅類低密度水泥體系所做分析準確到位,篩選確定的漂珠、微硅顆粒和自制的顆粒粒徑分布合理,所設計的多級顆粒填充結(jié)構(gòu)體系確實可行。而且由早強增韌劑ZR引入水泥石中的改性纖維的變形與水泥基體材料不同步,在纖維周圍的水泥基體中形成一個拉應力區(qū),當水泥石受到拉力時,微裂縫、微裂紋等缺陷開始生長,如果有纖維跨越這些微裂縫,裂縫的生長需要消耗額外的能量克服微裂縫附近拉應力區(qū)對裂縫生長的抑制作用,這種局部效應累積的宏觀結(jié)果也使得水泥石抗折強度和膠結(jié)強度提高[ 7 ] ～[ 8 ] 。
由表2發(fā)現(xiàn)增壓條件下水泥石的抗壓強度要略低于常壓條件下的。通常認為這是由于空心漂珠在高壓條件下破裂、局部強度降低累積的結(jié)果[ 1 ] ,但是結(jié)合試驗的設備條件分析,還有一個可能的原因就是增壓養(yǎng)護設備加壓系統(tǒng)為將養(yǎng)護壓力維持在設定值需頻繁啟動,加壓系統(tǒng)啟動的瞬間,對試件的養(yǎng)護環(huán)境造成較大的沖擊,使得空心漂珠在沖擊載荷作用下破碎。這提示在采用低密度水泥漿固井時,要盡量避免環(huán)境壓力的較大波動對水泥石強度造成的影響。
2. 水泥漿性能
分析表3中水泥漿性能的測試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),所研制顆粒級配增強外摻料KZ和早強增韌劑ZR與常用油井水泥外加劑配伍性良好,失水量很低、游離水也控制得很好, 50～100 Bc的稠度發(fā)展快,表現(xiàn)出了很好的防竄性能,水泥漿的流變性滿足泵注要求。這是因為多種小粒徑顆粒的緊密堆積,使顆粒之間的距離減小,體系的比表面積增大,對水的束縛能力增大,使?jié){體結(jié)構(gòu)強度增大,但是由于充填在大顆粒間的小顆粒象滾珠一樣使整個體系的潤滑性得到了改善,所以漿體的稠度并不太大,易于混合和泵送。上述效應與多級顆粒構(gòu)成的致密網(wǎng)架結(jié)構(gòu)協(xié)同作用,使得水泥漿中的液相流動阻力增大,水泥漿的失水和游離水得到了有效的控制。漿體結(jié)構(gòu)強度增大、結(jié)構(gòu)變致密對水泥漿中液相流動的控制是雙向的,即液相流出漿體和周圍環(huán)境中的流體介質(zhì)進入漿體的難度均增大,因此水泥漿的失水和游離水減小的同時,水泥漿防竄能力提高也獲得顯著的提高[ 2 ]～[ 3 ] 。
3. 漿體穩(wěn)定性
將水泥漿置入直徑25 mm、長150 mm 的玻璃管中,玻璃管處于垂直狀態(tài)在常壓、75℃條件下養(yǎng)護36 h后,將試件分成5段分別測試密度,由各段密度差判定水泥漿的穩(wěn)定性,結(jié)果見表4。由表4可見垂直方向上最大密度差只有0. 02 g/ cm3 ,分布較均勻,有利于保證整個封固段的封固質(zhì)量。表4中的試驗結(jié)果也進一步證實了以漂珠、水泥顆粒、微硅顆粒及自制的顆粒級配增強外摻料為主構(gòu)成的四元體級配體系,可獲得較大的漿體結(jié)構(gòu)強度,有效地限制了液相和輕質(zhì)材料在漿體中的運動,使水泥石的均勻性提高。
四、結(jié)論
(1)優(yōu)選低密度水泥體系中的顆粒組成和粒徑分布是提高低密度水泥漿整體性能的有效途徑。試驗結(jié)果證實,以漂珠、水泥顆粒、微硅顆粒及自制的顆粒級配增強外摻料為主構(gòu)成的4級顆粒填充結(jié)構(gòu)體系確實可行。
(2)所設計的顆粒填充結(jié)構(gòu)體系與早強增韌劑配合使用,可顯著提高低密度水泥石的綜合強度、水泥漿的穩(wěn)定性和防竄能力,與其它外加劑也有良好的配伍性。
(3)研究結(jié)果為有效解決當前固井的一些實際問題提供了一個可行的途徑。
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