劉北強(qiáng)，方國偉

（中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 300452）

稠油熱采技術(shù)已經(jīng)推廣開來，稠油熱采井水泥漿技術(shù)也已經(jīng)成型，普通油井水泥中加入硅粉防止強(qiáng)度衰退的方法是目前最常見的熱采井水泥漿技術(shù)。加入硅砂后，高溫下水泥石內(nèi)部晶體的轉(zhuǎn)變朝對(duì)水泥石強(qiáng)度穩(wěn)定性有利的方向進(jìn)行。鋁酸鹽/磷酸鹽水泥漿體系則由于水化速度及抗污染能力等問題其應(yīng)用性受到了局限。

對(duì)于蒸汽熱采井而言，水泥環(huán)強(qiáng)度必須在滿足高溫條件下不衰退，保持水泥環(huán)在蒸汽吞吐和蒸汽驅(qū)條件下的完整性，延長熱采井的使用壽命。稠油熱采井生產(chǎn)一定周期后往往會(huì)出現(xiàn)井口抬升及環(huán)空帶壓現(xiàn)象。文章主要是對(duì)現(xiàn)有水泥漿體系再優(yōu)化，以提高水泥石抗壓強(qiáng)度為基礎(chǔ)，以保障高溫下水泥環(huán)完整性為目標(biāo)，以此改善井口抬升及環(huán)空帶壓現(xiàn)象[1]。

1 熱采井固井水泥漿技術(shù)體系難點(diǎn)

1.1 面臨低溫與高溫雙重考驗(yàn)

熱采井固井作業(yè)采用常規(guī)單級(jí)固井作業(yè)方式，某海域稠油區(qū)塊固井作業(yè)時(shí)普遍溫度不高（一般小于70℃），水泥漿首先需要滿足低溫固井施工性能的要求，固井作業(yè)結(jié)束后，為滿足稠油區(qū)塊高溫（一般為300～350℃）熱力開采要求，水泥石還應(yīng)具備高溫下強(qiáng)度不衰退性能要求[2]。

1.2 面臨高低溫交變環(huán)境的考驗(yàn)

固井結(jié)束后，注蒸汽開采是往復(fù)的，先注熱，再燜井，后開采，產(chǎn)油量先增加后降低，當(dāng)日均產(chǎn)油量低到一定值之后，就繼續(xù)進(jìn)行下一個(gè)注熱燜井開采大循環(huán)。如此一來，井下水泥石就要面臨高低溫交變環(huán)境的考驗(yàn)，水泥石在此期間要具備抗熱振性能良好，保持水泥石完整性，維持水泥石原抗壓強(qiáng)度不衰退的特性。

2 固井水泥漿技術(shù)解決對(duì)策

2.1 加入高溫穩(wěn)定劑，避免強(qiáng)度衰退

水泥加水后都將形成一種膠狀的硅酸鈣，稱之為“C-S-H”，當(dāng)油井溫度低于110℃時(shí)，它是一種很好的膠結(jié)材料。高于110℃會(huì)形成強(qiáng)度小于20kg/cm2的α-C2SH和C2SH（C）為主體的混合相，當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度進(jìn)一步提高時(shí)，由于生成的水化產(chǎn)物結(jié)晶完善程度受到限制，晶體脫水、水泥石孔隙度增大等因素也會(huì)明顯地降低水泥石的強(qiáng)度，這種現(xiàn)象稱作“強(qiáng)度衰退”。強(qiáng)度衰退問題可以通過加入高溫穩(wěn)定劑，降低水泥石中石灰與二氧化硅的鈣硅比（C/S）得以改善。

水泥水化生成“C-S-H”凝膠，110℃時(shí)，生成C2SH（鈣硅比接近2∶1），加入硅粉后形成C5S6H5（鈣硅比接近5∶6）,150℃，形成可在400℃內(nèi)穩(wěn)定的C6S6H（鈣硅比接近6∶6），250℃開始出現(xiàn)可在400℃內(nèi)穩(wěn)定的C7S12H3（鈣硅比接近7∶12），過多的硅粉存在，會(huì)增加C7S12H3的含量，也是對(duì)強(qiáng)度不利的因素。

可以說，隨著溫度的增加，水泥水化產(chǎn)物中鈣硅比和結(jié)晶水的比例逐步在減少。需求的高溫穩(wěn)定劑加量也在不斷的增大。

2.2 顆粒級(jí)配，強(qiáng)化水泥漿強(qiáng)度性能

生成產(chǎn)物的穩(wěn)定性是我們前期追求的目標(biāo)，生成穩(wěn)定性產(chǎn)物的多寡則是我們水泥石最終面臨考驗(yàn)時(shí)展現(xiàn)出來的實(shí)力。高溫穩(wěn)定劑粗細(xì)搭配，一方面起到骨架作用，另一方面起到穩(wěn)固充填作用，交互搭配，相得益彰。

3 固井水泥漿體系室內(nèi)優(yōu)化研究

3.1 高溫穩(wěn)定劑的優(yōu)化

高溫穩(wěn)定劑是熱采水泥漿的關(guān)鍵所在，為了更好地了解作為高溫穩(wěn)定劑的硅砂（粉），我們做了相關(guān)技術(shù)參數(shù)分析。圖1～3是硅粉電鏡掃描圖。

圖1 100目硅粉放大500倍

圖2 300目硅粉放大500倍

圖3 800目硅粉放大500倍

從圖1～3看出：高溫穩(wěn)定劑是不規(guī)則的棱片狀，幾乎不存在球形顆粒，800目硅粉非常細(xì)，且粒級(jí)很單一，幾乎不存在大顆粒。超細(xì)材料的比表面積較大，其材料的加入會(huì)大大提高水泥漿的穩(wěn)定性能。通過對(duì)800目硅粉粒度分布圖分析，800目硅粉有明顯的兩個(gè)級(jí)配，小顆粒多呈球狀，粒徑在1μm左右。

100目硅砂（粉）與800目硅粉（PC-C88）粗細(xì)顆粒搭配，具有較高反應(yīng)活性的SiO2能消耗水泥漿體中的氫氧化鈣，與初期水化產(chǎn)物反應(yīng)而形成結(jié)晶較緊密的一類硅酸鈣凝膠，優(yōu)化水泥漿水化產(chǎn)物等內(nèi)部結(jié)構(gòu)。一方面細(xì)顆粒快速發(fā)生反應(yīng)形成一定量的硬硅鈣石，抵抗高溫強(qiáng)度衰退，另一方面粗顆粒充當(dāng)一定量的骨架，阻止水泥水化產(chǎn)物的過大增長帶來的內(nèi)部應(yīng)力的破壞。隨硅粉摻量的增加，水泥石中雪硅鈣石和硬硅鈣石的含量增加。高溫穩(wěn)定產(chǎn)物的增加，增加了水泥石的密實(shí)程度，也增加了高溫水泥石的抗壓強(qiáng)度。

從水泥石抗壓強(qiáng)度出發(fā)，基于實(shí)驗(yàn)研究，我們最終優(yōu)化的高溫穩(wěn)定劑為100目硅粉與800目硅粉相互搭配，比例為2∶1，總加量約為水泥的60%（質(zhì)量比）。其他關(guān)于高溫穩(wěn)定劑純度等研究在此不再贅述。

3.2 顆粒級(jí)配的優(yōu)化

水泥水化需要的結(jié)晶水是一定的，約為水泥的20%～30%，為了配置相應(yīng)密度的水泥漿以及確保現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)水泥漿的可泵性，我們往往加入更多的水。水灰比過大，水泥漿中的吸附水和自由水就越多，高溫下對(duì)水泥石強(qiáng)度及孔隙度的影響就越大。

采用硅藻土、珍珠巖、沸石、硅質(zhì)減輕材料1、硅質(zhì)減輕材料2和PC-P62S六種減輕材料，見表1。通過計(jì)算，確定水泥、高純硅粉以及減輕材料的量，調(diào)整鈣硅比（CaO∶SiO2）1∶1，合理搭配級(jí)配，制備密度為1.5g/cm3低密度水泥漿。

表1 不同減輕材料制備低密度耐高溫水泥石抗壓強(qiáng)度

對(duì)不同類水泥漿配方高溫生成產(chǎn)物進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)通過添加足夠量的硅質(zhì)材料，使水泥石在高溫下生成硬度相對(duì)較高的硬硅鈣石，不同結(jié)果的原因可能是單位體積內(nèi)水泥膠凝材料占比不同以及固相含量不同所致?；蛘哒f顆粒級(jí)配不夠，生成高溫穩(wěn)定產(chǎn)物密實(shí)度不足。

顆粒級(jí)配理論是指以常規(guī)磨細(xì)水泥材料及細(xì)顆粒減輕、加重材料為主料的孔隙充填，其數(shù)學(xué)物理模型集中應(yīng)用了范德華力效應(yīng)、結(jié)晶學(xué)礦物增強(qiáng)效應(yīng)、充填增強(qiáng)及抗腐蝕效應(yīng)、流變學(xué)改善、熱峰消減效應(yīng)的實(shí)用基礎(chǔ)理論。

顆粒級(jí)配的核心是，粗細(xì)顆粒合理搭配。采取的措施主要是采用高效分散劑，釋放更多的束縛水，增加水泥漿流動(dòng)性，為水泥漿固相含量的提高留下更多的空間。

實(shí)驗(yàn)中，主要以增加水泥漿體固相體積分?jǐn)?shù)（SVF），來表達(dá)水泥石密實(shí)程度（見圖4）。

圖4 硅粉加量與固相體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系

經(jīng)顆粒級(jí)配技術(shù)設(shè)計(jì)的水泥漿，使用高效分散劑增加固相體積分?jǐn)?shù)接近60%，遠(yuǎn)超過常規(guī)水泥漿，抗壓強(qiáng)度明顯提升。

4 認(rèn)識(shí)與結(jié)論

文章以目前常用的硅酸鹽加硅粉體系為基礎(chǔ)，利用顆粒級(jí)配原理增大水泥漿的固相含量優(yōu)化熱采井低密度水泥漿體系。結(jié)論：1)高溫穩(wěn)定劑粗細(xì)2∶1相互搭配，總加量為水泥60%較佳。2)利用高效分散劑，增加低密度水泥漿固相體積分?jǐn)?shù)接近60%，抗壓強(qiáng)度明顯提升。