摘要 為了滿足低密度條件下固井施工的要求，常用的低密度水泥漿必須被淘汰。本文就高強(qiáng)度超低密度水泥漿的基本性能及優(yōu)勢(shì)進(jìn)行的研究得知其適用的溫度范圍十分廣泛，具有穩(wěn)定性好、抗壓強(qiáng)度高、滲透率低、防氣竄能力強(qiáng)、失水量易控制等優(yōu)點(diǎn)，因此可以在更大的方面滿足低壓易漏、氣體鉆井以及欠平衡鉆井的固井要求，簡(jiǎn)化了施工工藝，提高了施工效率。

關(guān)鍵詞 低密度高強(qiáng)度水泥 固井 應(yīng)用

1 低密度高強(qiáng)度固井水泥的設(shè)計(jì)思路及組成體系組成

1.1低密度高強(qiáng)度水泥將的設(shè)計(jì)思路

隨著科學(xué)界對(duì)微觀力學(xué)與宏觀力學(xué)進(jìn)一步的研究，一些科學(xué)工作者提出了通過緊密堆積理論及材料顆粒大小分布來提高材料宏觀力學(xué)性能的技術(shù)構(gòu)想。通過調(diào)節(jié)混合物加固對(duì)象的不同顆粒的尺寸分布，進(jìn)行合理級(jí)配和加工，從而使水泥漿體系能夠?qū)崿F(xiàn)良好的孔隙充填。多種尺寸的顆粒分布的混合物緊密堆積一單位體積水泥漿含有更多的固相，從而得到高性能的水泥漿。低密度高強(qiáng)度水泥漿的組成是根據(jù)物料間的物理化學(xué)作用來確定的。為提高低密度水泥漿的性能，研究并確定具有一定顆粒分布的充填性好、比表面積小、表面光滑致密、本身化學(xué)性能高的礦物活性材料，不僅能夠發(fā)生自身凝硬性的反應(yīng)，還能夠提高水泥漿的整體性能。高強(qiáng)低密度水泥漿是以線性堆積模型和固體懸浮模型為基礎(chǔ)的，根據(jù)緊密堆積理論進(jìn)行設(shè)計(jì)。這個(gè)體系利用合理的物料顆粒級(jí)配以及對(duì)物料表面性質(zhì)的改善，減少物料顆粒間的充填水和表面的潤(rùn)滑水，提高單位體積水泥漿中的固相，形成更加致密的水泥石，通過超細(xì)礦物材料之間的物理作用，提高低密度水泥漿的力學(xué)性能。體系中的增強(qiáng)劑是由具有合理顆粒級(jí)配的活性礦物材料組成的，可在水泥中形成具有致密網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的懸浮體系，體系中還能夠產(chǎn)生細(xì)小的、均勻分布的、具有一定彈性的封閉泡沫，能夠進(jìn)一步地充填、連接懸浮體系中的固體顆粒，從而使體系更加穩(wěn)定。

1.2體系組成

低密度高強(qiáng)度水泥漿主要由油井水泥、漂珠、增強(qiáng)劑PZW－A及相應(yīng)配套的外加劑等幾個(gè)部分組成。不同密度的低密度高強(qiáng)度水泥漿的綜合性能測(cè)試結(jié)果具有很大的差別。普通低密度水泥漿當(dāng)中的減輕材料粒徑比較大，在減輕材料和水泥顆粒之間，存在著比較大的間隙，這樣既增大了整個(gè)體系的需水量及含水量，又降低了整個(gè)體系的密實(shí)度，使水泥漿的穩(wěn)定性和水泥石滲透率受到負(fù)面影響。壓力和攪拌速度的增大會(huì)使普通低密度水泥漿的密度增大。

超低密度水泥漿選擇減輕作用明顯、球形度好的玻璃微珠作為減輕材料，它能夠顯著的降低水泥漿的密度。玻璃微珠的球形度較好，粒度均勻，從而減少了體系的需水量，使水泥漿固相含量得到了很大的提高，這樣有利于實(shí)現(xiàn)體系的緊密堆積，增強(qiáng)體系的承壓能力。玻璃微珠與超細(xì)增強(qiáng)材料進(jìn)行合理的顆粒級(jí)配，摻入水泥漿中，不僅能發(fā)生凝硬性反應(yīng)，還能夠充填水泥石孔的間隙，從而形成致密的水泥石，進(jìn)而、提高低密度水泥漿的強(qiáng)度以及穩(wěn)定性等綜合性能；同時(shí)由于充填顆粒的滾珠效應(yīng)，即使在較低水固比的情況之下，也能夠使水泥漿擁有良好的流變性。

2 低密度高強(qiáng)度水泥的性能及固井應(yīng)用

2.1具有良好的穩(wěn)定性

低密度高強(qiáng)度水泥漿體系及沉降穩(wěn)定性能良好，這是由于體系增強(qiáng)劑中的部分超細(xì)顆?？梢宰鳛橐环N助劑懸浮水泥漿組成中的其他材料。這些超細(xì)顆?？梢猿涮钤谄渌^大和較重的物料顆粒之間，連接懸浮物料；這些顆粒周圍還能吸附大量的水分子，水分子之間通過氫鍵互相連接，使超細(xì)顆粒之間形成均勻致密的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，并與水泥漿組成中其他顆粒吸附的水分子通過氫鍵連接，使水泥漿形成具有致密網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的懸浮體系；此外，增強(qiáng)劑發(fā)生的水硬性反應(yīng)及水泥漿發(fā)生的膠凝反應(yīng)，保證了水泥漿具有良好的穩(wěn)定性。

2.2具有較大的優(yōu)越性

水泥石在抗壓強(qiáng)度相同條件下，低密度高強(qiáng)度水泥漿與相同密度的普通漂珠低密度水泥漿相比，水泥石的抗壓強(qiáng)度得到了很大程度的提高，這是由于增強(qiáng)劑能有效的提高整個(gè)體系的抗壓強(qiáng)度。增強(qiáng)劑由大量的活性材料組合而成，能夠產(chǎn)生大量的水硬性反應(yīng)，提高水泥顆粒之間的膠結(jié)和水泥石強(qiáng)度；增強(qiáng)劑中的超細(xì)顆粒還能夠很好地堆積和充填在其他顆粒形成的孔隙中，這樣能夠提高混合物充填比例，形成更加致密的水泥石，進(jìn)一步增強(qiáng)水泥石的強(qiáng)度。

2.3具有良好的抗腐蝕性能

對(duì)水泥石腐蝕機(jī)理的研究表明，在腐蝕性溶液中，影響水泥石耐久性的主要因素是：水泥漿由于凝結(jié)硬化而形成的水泥石物相組成中的氫氧化鈣晶體的含量及水泥石的致密性。增強(qiáng)劑的設(shè)計(jì)能夠在很大程度上滿足以上抗腐蝕的要求。增強(qiáng)劑能夠與由于水泥水化而產(chǎn)生的氫氧化鈣反應(yīng)，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的C-S-H凝膠，從而消耗水泥石中的腐蝕物質(zhì)，提高水泥石耐腐蝕的能力；其中不參與反應(yīng)的增強(qiáng)劑的其他物料，能夠與水泥漿中的固相顆粒形成的良好級(jí)配和充填，形成非滲透性的、致密的、連通性差的硬結(jié)水泥石，從而阻止腐蝕性離子的侵蝕，提高了水泥石的抗腐蝕性能。

2.4具有高效的防氣竄能力

氣竄主要是由于鉆井液頂替的不完全、游離液高、失水高、水泥漿體積收縮、膠凝強(qiáng)度發(fā)展緩慢、水泥石孔隙度大等因素導(dǎo)致的，而增強(qiáng)劑由于本身的性能特點(diǎn)，能夠減小水泥石的間隙度，能夠平衡水泥柱承受的壓力、以便減少氣竄的危險(xiǎn)；增強(qiáng)劑還能夠由于補(bǔ)償水泥漿凝結(jié)而引起的收縮，減少失水和游離液，具有較短的靜膠凝強(qiáng)度過渡時(shí)間，有助于防止氣竄。

利用水泥漿性能系數(shù)SPN，能夠評(píng)價(jià)水泥漿防氣竄性能。SPN的值越小，防氣竄的能力就越強(qiáng)。稠化過渡時(shí)間越短，失水量越小，則SPN的值越小，相應(yīng)的防氣竄能力就越強(qiáng)。從以往的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)可知，56℃下的稠化時(shí)間分別為130，155，185min的水泥漿，SPN值對(duì)應(yīng)為1.76，2.30，2.64。低密度高強(qiáng)度水泥漿的稠化時(shí)間一般為130～160min，因此該體系具有良好的防氣竄能力。

3 低密度高強(qiáng)度水泥漿的優(yōu)勢(shì)及固井實(shí)例

3.1固井優(yōu)勢(shì)

3.1.1低密度高強(qiáng)度水泥漿中的增強(qiáng)劑，能夠有效提高并改善水泥漿的整體性能。具體表現(xiàn)在：減少水泥漿的游離液、失水量；縮短水泥石的收縮、候凝時(shí)間；提高水泥石抗壓強(qiáng)度、抗腐蝕和防氣竄的能力，并且不受溫度和環(huán)境限制。能夠在任何環(huán)境下進(jìn)行固井作業(yè)。

3.1.2高性能超低密度水泥漿以低密度高強(qiáng)度水泥漿技術(shù)、多功能降失水劑XF為基礎(chǔ)進(jìn)行研制，適用密度為1.0～1.30g／cm³，適用溫度范圍廣泛，體系綜合性能良好，能夠在最大程度上滿足固井施工的技術(shù)要求。

3.1.3低密度高強(qiáng)度水泥漿的綜合性能可以滿足低壓易漏、氣體鉆井及欠平衡鉆井的固井，達(dá)到防漏、防竄、降低成本、實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)封固段固井、簡(jiǎn)化施工工藝等目的，對(duì)于保護(hù)油層、最大程度地開發(fā)有效產(chǎn)能具有重要意義。

3.2施工井實(shí)例

民40-55-6井是吉林油田民40區(qū)塊井網(wǎng)的一口生產(chǎn)井，完鉆井深1556m，油層頂?shù)诪?376～1516m，準(zhǔn)139.7mm套管下深為1546m。鉆井設(shè)計(jì)中要求水泥漿返高到地面，加上附加量，水泥漿封固段達(dá)1546m。為了壓穩(wěn)地層，防止壓漏地層，達(dá)到平衡地層壓力的目的，固井施工設(shè)計(jì)水泥封固段長(zhǎng)一般為1560m。設(shè)計(jì)低密度水泥漿封固段0～1276m，封固段長(zhǎng)1276m，實(shí)際施工中施工正常，沒有發(fā)生漏失、油氣竄等復(fù)雜情況。低密度水泥漿封固段長(zhǎng)1276m(計(jì)算中環(huán)空容積誤差)，經(jīng)過聲幅、變密度的電測(cè)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該井全井封固質(zhì)量合格。

結(jié)語(yǔ)

低密度高強(qiáng)度水泥漿綜合性能優(yōu)良，密度易調(diào)節(jié)，失水易控制，游離液低，稠化時(shí)間可調(diào)，抗壓強(qiáng)度高，能夠適用于高、低溫度及各種環(huán)境條件下的低密度水泥漿固井。采用低密度高強(qiáng)度水泥漿進(jìn)行固井施工，可以大大減少施工成本，提高施工效率，加快施工進(jìn)度，保證施工工程能夠在既定的范圍又好又快的完成。