高繼超，李建華，周雪，李彥軍，盧海川，李德偉，楊晨

（1.中國石油集團(tuán)海洋工程公司渤星公司，天津 300451；2.長慶油田第四采氣廠，西安 710000；3.川慶鉆探長慶固井公司，西安 710000）

低密度水泥漿技術(shù)是解決低壓易漏層固井問題的有效手段，但由于投資壓縮，目前各大油田常用的低密度水泥漿體系普遍呈現(xiàn)低成本化，因此性能欠佳，水泥石頂部強(qiáng)度低的問題尤為凸顯。加入常規(guī)早強(qiáng)材料后常會(huì)明顯縮短稠化時(shí)間，然而，為了滿足施工安全可能還需加入緩凝劑，兩者之間存在矛盾。近些年人們考慮到納米材料的優(yōu)異性能，開始將納米材料引入到固井水泥漿中[1-2]，并取得了一些較好的效果，包括在改善固井質(zhì)量、提高水泥石強(qiáng)度、保持井筒完整性等方面起到了重要作用[3-9]。為了緩解稠化時(shí)間和強(qiáng)度的矛盾問題，通過引入表面改性的納米材料，并利用復(fù)配技術(shù)，開發(fā)了一種新型納米基復(fù)合增強(qiáng)劑，并對(duì)其進(jìn)行了較為系統(tǒng)的適應(yīng)性評(píng)價(jià)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

勝濰G 級(jí)水泥，改性納米材料N，減阻劑CF40S（醛酮縮聚物類），降失水劑G60S（PVA 類），緩凝劑BCR-210S（有機(jī)鹽類），珍珠巖混材Ⅰ號(hào)（密度為0.90 g/cm3），無機(jī)鹽A，珍珠巖混材Ⅲ號(hào)（密度為1.30 g/cm3），漂珠混材（密度為1.15 g/cm3），粉煤灰，微硅。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

按照 GB/T 19139—2012《油井水泥實(shí)驗(yàn)方法》進(jìn)行水泥漿的制備及稠化時(shí)間、失水量、水泥石抗壓強(qiáng)度等性能測試。將水泥漿在實(shí)驗(yàn)溫度下，使用常壓稠化儀養(yǎng)護(hù)20 min 后，倒入500 mL 量筒，靜置于實(shí)驗(yàn)溫度的水浴中2 h，用液體密度計(jì)從上到下測試水泥漿的密度，其差值即為水泥漿的上下密度差。

2 結(jié)果與討論

2.1 納米基復(fù)合增強(qiáng)劑的開發(fā)

2.1.1 納米材料N的改性及加量評(píng)價(jià)

目前應(yīng)用在固井中的納米材料主要包括納米二氧化硅、碳納米管、納米氧化鐵、納米多水高嶺石等。通過對(duì)不同種類納米材料的尺寸測試及實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)，優(yōu)選出一種由鈣、硅等元素構(gòu)成的納米材料N，其尺寸在30～70 nm。由于納米微粒一旦團(tuán)聚，就會(huì)失去納米材料的優(yōu)異特性，因此采用了改性劑對(duì)納米材料N 進(jìn)行了表面處理，通過空間位阻效應(yīng)和靜電排斥作用，使其易分散于水泥漿中。進(jìn)行了改性納米材料N 的加量對(duì)水泥漿性能影響的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表1，水泥漿基礎(chǔ)配方如下。

1#勝濰G 級(jí)水泥+60%珍珠巖混材Ⅰ號(hào)+0.2%減阻劑CF40S+3.3%降失水劑G60S+0.45%緩凝劑BCR-210S+納米材料N+114%水，密度為1.28 g/cm3

2#勝濰G 級(jí)水泥+70%珍珠巖混材Ⅱ號(hào)+0.2%CF40S+3.6%G60S+0.45%BCR-210S+納米材料N+117%水，密度為1.43 g/cm3

表1 不同加量納米材料N 對(duì)水泥漿性能的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，納米材料N 具有較高的表面活性和一定水化活性，從而可使水泥漿輕微增稠，促進(jìn)水泥石強(qiáng)度發(fā)展。由表1 可知，隨著納米材料N 的加量提高，會(huì)輕微縮短稠化時(shí)間，對(duì)失水無不良影響。

2.1.2 增強(qiáng)劑的復(fù)配優(yōu)化

大量實(shí)驗(yàn)研究表明，在正確選用早強(qiáng)劑品種、復(fù)合比例、使用加量和使用條件適宜時(shí)，復(fù)合早強(qiáng)劑可得到比單組分早強(qiáng)劑更優(yōu)良的早強(qiáng)效果[10-14]。因此，考慮將常用的早強(qiáng)劑作為激活材料與改性納米材料N 進(jìn)行復(fù)配。通過對(duì)常規(guī)早強(qiáng)劑的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)篩選，水泥漿使用1#配方，實(shí)驗(yàn)溫度為50 ℃。

表2 不同早強(qiáng)劑最佳加量優(yōu)選實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，無機(jī)鹽A 表現(xiàn)出對(duì)稠化時(shí)間影響較小、水泥石提強(qiáng)效果明顯的特性。因此，新型復(fù)合增強(qiáng)劑NA 的組分為2.5%改性納米材料N+0.8%無機(jī)鹽A，加量為水泥的3.3%。

2.1.3 增強(qiáng)機(jī)理分析

納米材料N 具有一定模板成核作用：當(dāng)水化開始后，水化產(chǎn)物能以其為模板形成具有較高強(qiáng)度的晶型結(jié)構(gòu)，從而在不影響水化產(chǎn)物的情況下提高水泥石強(qiáng)度，搭配無機(jī)鹽A 的早強(qiáng)特性，二者結(jié)合，共同促進(jìn)水化反應(yīng)，加快強(qiáng)度發(fā)展速度，同時(shí)納米顆粒小而均勻，可對(duì)水化產(chǎn)物的微孔隙或是微裂縫等缺陷結(jié)構(gòu)進(jìn)行填充，使水泥石內(nèi)部更加致密，進(jìn)而改善水泥石的力學(xué)性能。與此同時(shí)，借助納米級(jí)粒子活性高、比表面積大等優(yōu)點(diǎn)，減小了低密度水泥漿上下密度差和游離液，對(duì)其穩(wěn)定性起到了改良作用。

2.2 性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

納米基復(fù)合增強(qiáng)劑NA 的室內(nèi)評(píng)價(jià)通過控制變量法來進(jìn)行，其中，變量主要包括加量、溫度、水泥漿密度及體系。實(shí)驗(yàn)分別進(jìn)行了納米基增強(qiáng)劑在珍珠巖低密度水泥漿、漂珠低密度水泥漿及粉煤灰低密度水泥漿等常規(guī)體系中性能評(píng)價(jià)。

2.2.1 珍珠巖低密度水泥漿體系

考察增強(qiáng)劑加量變化對(duì)水泥漿的影響，見表3。水泥漿配方如下。

3#勝濰G 級(jí)水泥+43%珍珠巖混材Ⅰ號(hào)+0.2% CF40S+0.21% BCR-210S+3.1% G60S+增強(qiáng)劑NA+107%水，密度為1.32 g/cm3

表3 不同加量增強(qiáng)劑對(duì)水泥漿的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著增強(qiáng)劑加量增加，水泥石抗壓強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，加量大于2.8%時(shí)，24 h 頂部強(qiáng)度提高65%以上；受增強(qiáng)劑影響，稠化時(shí)間輕微縮短，在增強(qiáng)劑加量高達(dá)4.3%時(shí)，稠化時(shí)間之比仍能保持大于0.80，提強(qiáng)比例為90%。

考察不同溫度對(duì)水泥漿的影響，結(jié)果見表4。水泥漿配方如下。

4#勝濰G 級(jí)水泥+26%珍珠巖低密度混材Ⅱ號(hào)+0.2%CF40S+1.0%BCR-210S+3.2%G60S+3.0%增強(qiáng)劑NA+87%水，密度為1.50 g/cm3

表4 不同溫度下納米增強(qiáng)劑對(duì)水泥石強(qiáng)度的影響

表4 結(jié)果表明，加入納米增強(qiáng)劑的水泥石強(qiáng)度均有所提升，24 h 頂部強(qiáng)度提高50%以上。隨著溫度的升高，增強(qiáng)比例呈現(xiàn)“先升后降”的趨勢，在60 ℃左右提強(qiáng)效果達(dá)到最佳。

考察密度變化對(duì)水泥漿性能的影響，選擇了1.25、1.40、1.50、1.60 g/cm34 個(gè)密度點(diǎn)作為研究對(duì)象，在不同溫度下對(duì)水泥漿綜合性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，見表5。水泥漿配方如下。其中，各材料及外加劑加量根據(jù)水泥漿設(shè)計(jì)密度決定。

5#勝濰G 級(jí)水泥+珍珠巖低密度混材+CF40S+BCR-210S+G60S+增強(qiáng)劑NA+水

表5 不同密度水泥漿綜合性能評(píng)價(jià)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，納米增強(qiáng)劑對(duì)不同密度的珍珠巖低密度水泥漿體系均有明顯增強(qiáng)作用，在保證稠化時(shí)間之比大于0.83 的前提下，24 h 頂部抗壓強(qiáng)度可提高40%以上，在1.40 g/cm3低密度水泥漿中，提強(qiáng)比例達(dá)到峰值109.5%。

考察了不同水灰比對(duì)水泥漿性能的影響，見表6。水泥漿配方如下。

6#勝濰G 級(jí)水泥+42%珍珠巖混材Ⅱ號(hào)+0.2%CF40S +1.2%BCR-210S+3.8%G60S+3.0%增強(qiáng)劑+水（根據(jù)液固比決定）

表6 不同水灰比條件下納米增強(qiáng)劑對(duì)水泥漿性能影響

表6 結(jié)果表明，加入增強(qiáng)劑后，低密度水泥漿在較大水灰比下仍具有良好的綜合性能，水灰比由0.73 增大到0.79，48 h 水泥石頂部強(qiáng)度增加96%，水泥漿上下密度差由0.05 g/cm3降至0.02 g/cm3。水灰比增至0.84 時(shí)，與空白實(shí)驗(yàn)對(duì)比，該體系仍有良好的頂部強(qiáng)度，穩(wěn)定性與水灰比0.73 時(shí)相當(dāng)。

2.2.2 漂珠低密度水泥漿體系

增強(qiáng)劑對(duì)漂珠低密度水泥漿體系的性能影響見表7。水泥漿配方如下。

7#勝濰G 級(jí)水泥+（33%～100%）漂珠混材+0.4%CF40S+0.60%BCR-210S+3.1%G60S+增強(qiáng)劑NA+水

表7 納米增強(qiáng)劑對(duì)漂珠低密度水泥漿綜合性能評(píng)價(jià)

可以看出，在輕微影響稠化時(shí)間的情況下，增強(qiáng)劑可明顯提高漂珠低密度水泥石抗壓強(qiáng)度50%以上，最高達(dá)88.2%，同時(shí)還可改善水泥漿穩(wěn)定性。

2.2.3 粉煤灰低密度水泥漿體系

增強(qiáng)劑對(duì)粉煤灰低密度水泥漿體系的性能影響評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表8。水泥漿配方如下。

8#勝濰G 級(jí)水泥+40%粉煤灰+4%微硅+3%G60S+0.75%BCR-210S+增強(qiáng)劑+105%水，密度為1.43 g/cm3

由表8 可以看出，加入納米增強(qiáng)劑的粉煤灰低密度水泥漿體系，在保證稠化時(shí)間之比大于0.8 的前提下，提高水泥石強(qiáng)度相對(duì)明顯，24 h 抗壓強(qiáng)度提高76.92%以上。

表8 納米增強(qiáng)劑對(duì)粉煤灰低密度水泥漿綜合性能的影響

2.3 現(xiàn)場應(yīng)用

結(jié)合長慶油田現(xiàn)場實(shí)際井況，進(jìn)行了水泥漿方案設(shè)計(jì)和性能評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)了納米基復(fù)合增強(qiáng)劑在長慶油田不同批次、不同區(qū)塊低密度水泥漿體系中的綜合性能。蘇東X 井是蘇里格東部的一口氣井開發(fā)井，該井完鉆井深為3016 m，井底循環(huán)溫度為65 ℃，頂部強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)溫度為45 ℃，固井施工采用一次上返固井，為了防止壓漏地層，領(lǐng)漿設(shè)計(jì)采用輕珠低密度水泥漿體系，前10 t 領(lǐng)漿灰使用摻有納米基復(fù)合增強(qiáng)劑的干灰，即在原有低密度配方基礎(chǔ)上加入3%納米基復(fù)合增強(qiáng)劑?，F(xiàn)場領(lǐng)漿大樣灰性能復(fù)核實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與原低密度體系相比，納米增強(qiáng)低密度體系24 h 頂部抗壓強(qiáng)度提高50%，48 h 頂部抗壓強(qiáng)度提高42%，頂部提強(qiáng)效果良好，稠化時(shí)間之比為0.83，滿足現(xiàn)場施工安全時(shí)間。

3 結(jié)論

1.改性納米材料N 與激活材料A 復(fù)配得到的新型增強(qiáng)劑，可顯著提高低密度水泥石抗壓強(qiáng)度，同時(shí)加快水泥石頂部強(qiáng)度發(fā)展速度，且對(duì)水泥漿稠化時(shí)間影響較小，具有“弱促凝、高早強(qiáng)”的特性。

2.通過對(duì)不同減輕材料配制的低密度水泥漿體系進(jìn)行適應(yīng)性評(píng)價(jià)，研究結(jié)果表明，納米基復(fù)合增強(qiáng)劑對(duì)珍珠巖、漂珠、粉煤灰低密度水泥石均有不同程度的提強(qiáng)作用，結(jié)合不同密度、溫度、水灰比情況下的評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步說明了納米基復(fù)合增強(qiáng)劑適應(yīng)性較強(qiáng)，為其推廣應(yīng)用提供了有力的指導(dǎo)與支撐。