肖偉,王金星,陳宇,黃峰,田進(jìn)
(1.中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)研究院,河北 廊坊 065201;2.中海油田服務(wù)股份有限公司油化事業(yè)部湛江作業(yè)公司,廣東 湛江 524057)
近年來,深海油氣資源由于儲(chǔ)量較大,已成為各國能源勘探和開發(fā)的重點(diǎn)與熱點(diǎn)[1-3]。我國海洋油氣資源十分豐富,南海石油地質(zhì)資源量在2.3×1010~3.0×1010左右,天然氣總地質(zhì)資源量約為1.6×1014m3,占中國油氣總資源量的1/3,其中70%在深水海域[1,4]。對(duì)深水油氣資源進(jìn)行高效的開發(fā)對(duì)于保障國家能源戰(zhàn)略安全具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)意義。然而,相比于常規(guī)陸上固井,深水表層固井面臨低溫、低壓易漏等問題[5-7]。
針對(duì)深水固井作業(yè)中所面臨的挑戰(zhàn),國內(nèi)外研究者已經(jīng)研發(fā)出多種深水低密度固井水泥體系,主要包括:快凝石膏水泥體系、緊密堆積水泥體系、高鋁水泥體系、泡沫水泥體系、活性減輕劑填充水泥體系(微硅、礦渣、偏高嶺土、粉煤灰)和液態(tài)膠體填充水泥體系等[7-13]。其中,微硅水泥漿體系由于漿體性能穩(wěn)定、密度可調(diào)節(jié)范圍大、在低溫下有較高強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn),因此,適于低壓、低溫、易漏地層的固井[14]。微硅對(duì)波特蘭水泥的性能有較好的改善效果,可使水泥孔結(jié)構(gòu)得以加固,基質(zhì)更加致密化,在與游離石灰(氧化鈣)反應(yīng)后,可產(chǎn)生額外的水化產(chǎn)物[15]。將微硅摻入水泥漿中可提高水泥石的抗?jié)B性能,增加水泥石的強(qiáng)度[16]。Grutzeck 等[16]研究表明,微硅與含氫氧化鈣的水接觸時(shí)會(huì)吸水生成一種粘性的膠狀硅酸,這種膠狀硅酸可與氫氧化鈣反應(yīng),生成更趨致密的水硬性硅酸鈣水合物。Cheng 和Beirute[17]研究發(fā)現(xiàn),微硅主要通過限制水泥體內(nèi)的孔隙流動(dòng),以起到防止氣竄的作用。同時(shí),由于微硅顆粒本身較為細(xì)小,可聚集充填在水泥孔隙中,改善水泥石的微觀結(jié)構(gòu),形成氣密水泥并防止氣侵,提高水泥石的抗?jié)B性能。微硅的摻入能起到“成核”作用和“填充效應(yīng)”[18],對(duì)水泥石抗壓強(qiáng)度的發(fā)展起促進(jìn)作用[19],對(duì)改善水泥基材料性能具有重要意義[20]。
微硅對(duì)水泥漿性能的促進(jìn)作用毋庸置疑??箟簭?qiáng)度作為評(píng)價(jià)固井質(zhì)量的重要參數(shù),針對(duì)不同微硅摻量與水泥石抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系展開研究具有重要意義,然而,相關(guān)的研究卻鮮見報(bào)道。為此,本文通過宏觀和微觀測試,研究了微硅測試了摻微硅低密度水泥漿的抗壓強(qiáng)度,結(jié)合線性回歸對(duì)抗壓強(qiáng)度與微硅摻量之間的關(guān)系進(jìn)行了擬合,并通過計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)和掃描電鏡(SEM)對(duì)微硅低密度水泥漿的強(qiáng)度影響機(jī)理進(jìn)行了分析,以期為抗壓強(qiáng)度的預(yù)測及固井現(xiàn)場作業(yè)提供借鑒。
實(shí)驗(yàn)用到的材料包括:山東G 級(jí)油井水泥(密度為3.15 g·cm-3)、馬鞍山漂珠(密度為0.60 g·cm-3)、微硅(密度為2.20 g·cm-3)。其中,漂珠主要起到降低漿體密度的作用。材料的粒度分布由英國馬爾文Malvern Mastersizer-3000 型激光粒度分析儀測得,如圖1 所示。材料的表面形貌圖如圖2 所示。
圖1 固相粉體材料粒度分布
圖2 粉體材料顆粒形貌圖
實(shí)驗(yàn)用到的液體外加劑包括:降失水劑(G86L)、分散劑(F45L)和消泡劑(X60L),實(shí)驗(yàn)用水為人工海水。
1.2.1 樣品制備
在進(jìn)行油井水泥的配方設(shè)計(jì)時(shí),需要考慮固相粉體材料的影響以及功能性液體外加劑的影響。其中,固相粉體材料影響水泥石的物理力學(xué)性能,而液體添加劑主要影響漿體的綜合性能。本文主要為探究不同微硅摻量(占水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0%,2%,5%,10%,15%)對(duì)水泥試樣抗壓強(qiáng)度和微觀結(jié)構(gòu)的影響,在進(jìn)行配方設(shè)計(jì)時(shí),保持水泥:漂珠:液體添加劑的比例不變,通過調(diào)整微硅(BWOC)和水灰比配制密度為1.50 g·cm-3的水泥漿體系,水泥漿配方如圖表1 所示。
表1 水泥漿各材料配比
參照GB/T 19139—2012《油井水泥試驗(yàn)方法》配制水泥漿。在制樣過程中,實(shí)際攪拌速度為4 000 r·min-1,以防止漂珠剪切破碎。待水泥漿配制好后,一部分漿體用于流變性測試,另外的漿體分別澆筑于50.8 mm × 50.8 mm ×50.8 mm 的帶蓋板的立方體銅制模具中(用于強(qiáng)度測試)和1 mL 注射器內(nèi)(用于CT 掃描分析),并放在20 ℃的水浴養(yǎng)護(hù)釜中進(jìn)行養(yǎng)護(hù),待養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期(1 天、7 天和14 天)后,進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試和CT 掃描測試分析。
1.2.2 水泥石抗壓強(qiáng)度測試
選用力學(xué)強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)測試標(biāo)準(zhǔn)立方體樣品(50.8 mm × 50.8 mm × 50.8 mm)的抗壓強(qiáng)度,每次測試4 個(gè)樣品,并取平均值。
1.2.3 水泥石微觀孔隙結(jié)構(gòu)測試
采用數(shù)字巖心三維結(jié)構(gòu)透視與分析CT 系統(tǒng)(如圖3 所示)掃描測試注射器中樣品的微觀結(jié)構(gòu),采用Avizo 軟件提取分析水泥石的三維孔隙信息(孔隙率)。
圖3 數(shù)字巖心三維結(jié)構(gòu)透視與分析CT 系統(tǒng)
1.2.4 水泥石斷面形貌顯微觀測
待強(qiáng)度測試完成,選取部分破碎樣品用錘子進(jìn)一步敲碎。選取相對(duì)平整的樣品,浸入無水酒精中浸泡7 天。然后取出在50 ℃的真空干燥箱中烘干至恒重,采用SEM 對(duì)樣品進(jìn)行顯微觀測。
圖4展示了不同微硅摻量條件下水泥石在1天,7 天和14 天的抗壓強(qiáng)度。相比于未摻微硅的空白組W1,W2、W3、W4、W5 在1 天的抗壓強(qiáng)度分別增加了4.68%、5.57%、39.42%和48.11%,在7 天的抗壓強(qiáng)度分別增加了3.46%、6.79%、13.97%和19.49%,在14 天的抗壓強(qiáng)度分別增加了0.76%、2.32%、16.60%和17.86%。隨微硅的加入,水泥石在不同水化齡期的抗壓強(qiáng)度均有明顯提高。微硅摻量越高,水泥石抗壓強(qiáng)度增長幅度越大。隨水化齡期的增加,摻微硅的水泥石的抗壓強(qiáng)度相對(duì)于空白組的增長率相對(duì)下降。由此可以看出,微硅可以增強(qiáng)水泥漿在低溫條件下的性能表現(xiàn),促進(jìn)水泥石早期力學(xué)強(qiáng)度的發(fā)展。
圖4 微硅對(duì)水泥石抗壓強(qiáng)度的影響
為進(jìn)一步探索不同微硅摻量對(duì)水泥石抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律,采用一次線性方程和二次線性方程擬合了微硅摻量和抗壓強(qiáng)度的關(guān)系,結(jié)果如圖5 所示。
圖5 抗壓強(qiáng)度隨微硅摻量的變化關(guān)系
由圖5(a)可知,水泥石的抗壓強(qiáng)度與微硅摻量具有很強(qiáng)的一次線性相關(guān)性。在1 天水化齡期時(shí),抗壓強(qiáng)度和微硅之間的關(guān)系可用擬合方程y= 0.159x+ 4.352,R2= 0.927 表示,其中y為抗壓強(qiáng)度,單位為MPa;x為微硅摻量(BWOC),單位為%;R2為擬合方差,無量綱。在7 天水化齡期時(shí),y= 0.202x+ 15.671,R2= 0.997。在14 天水化齡期時(shí),y=0.417x+ 29.711,R2= 0.899??箟簭?qiáng)度與微硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈正相關(guān)。隨水化齡期的增加,斜率逐漸增加,微硅對(duì)水泥石后期抗壓強(qiáng)度的促進(jìn)作用大于早期齡期。水化齡期越高,促進(jìn)作用越明顯。
同樣地,在圖5(b)中,也可以得出類似的結(jié)論。由圖5(b)可知,水泥石的抗壓強(qiáng)度與微硅摻量具有很強(qiáng)的二次線性關(guān)系。在1 天水化齡期時(shí),抗壓強(qiáng)度和微硅之間的關(guān)系可用擬合方程y= 0.001 4x2+0.138x+ 4.388,R2= 0.929。在7 天水化齡期時(shí),y=- 0.002 0x2+ 0.232x+ 15.620,R2= 0.998。在14 天水化齡期時(shí),y= - 0.003 1x2+ 0.464x+ 29.711,R2=0.900。隨水化齡期的增加,抗壓強(qiáng)度隨微硅摻量的增加幅度逐漸增大。
對(duì)注射器中的樣品W1 和W4 進(jìn)行了三維重構(gòu),截取邊長為600 個(gè)體素的立方單元體(實(shí)際掃描分辨率為3.38 μm),分析了單元體在z軸上的逐層面孔隙率變化,并與平均孔隙率進(jìn)行了比對(duì),結(jié)果分別如圖6 和圖7 所示。
圖6 W1 樣品在14 天水化齡期的三維微結(jié)構(gòu)信息
由圖6 可知,W1 樣品的孔隙在XY 截面上的分布相對(duì)比較均勻。但在z軸上不太均勻,且存在明顯的不均勻沉降,上部孔隙率含量較高,下部孔隙率相對(duì)較低,沿z軸孔隙率逐漸呈逐漸增大趨勢。由圖7 可知,W4 樣品的孔隙在XY 截面和z方向上的分布皆相對(duì)比較均勻。在W4 中存在個(gè)別大孔隙,但大孔含量較低。結(jié)合圖6 和圖7 分析可知,W1 的孔隙率為28.5%,而W4 的孔隙率較高,為23.9%。W4 的孔隙率低于W1,說明微硅的加入可以有效降低水泥石的孔隙率。
圖7 W4 樣品在14 天水化齡期的三維微結(jié)構(gòu)信息:
圖8 顯示了水泥石樣品W1 和W4 水化14 天后的斷面形貌圖。從圖8a 可以看出,未摻微硅的W1樣品呈現(xiàn)出疏松多孔的微觀結(jié)構(gòu),斷面可見大量的片狀氫氧化鈣。相比于未摻微硅的空白對(duì)照組W1,摻10%微硅的W4 樣品的微觀結(jié)構(gòu)更加致密,且表面未見明顯的片狀氧化鈣(圖8b)。
圖8 水泥石斷面形貌顯微觀測
隨著微硅的摻入及摻量的增加,氫氧化鈣逐漸被消耗。微硅含量越高,火山灰效應(yīng)越明顯,CH消耗越快,水化生成的C-S-H 凝膠相對(duì)越多,水泥石抗壓強(qiáng)度越高。一方面,細(xì)小的微硅顆??梢蕴畛湓谒囝w粒和漂珠的空隙之中,起到良好的填充效應(yīng)。同時(shí),微硅中的活性二氧化硅可以與水泥水化生成的氫氧化鈣發(fā)生火山灰反應(yīng),生成相比于傳統(tǒng)C-S-H 更趨致密的火山灰水化硅酸鈣水合物(C-S-H)。此外,具有高比表面積的微硅顆粒還可以充當(dāng)水化產(chǎn)物的成核位點(diǎn),從而促進(jìn)水泥顆粒的水化及火山灰反應(yīng)的進(jìn)行。上述三種效應(yīng)有效提高了水泥石的致密性,這一結(jié)果也很好地解釋了抗壓強(qiáng)度隨微硅摻量的增加而增大的現(xiàn)象(如圖4 和圖5),以及水泥石的孔隙率隨微硅摻入而降低(如圖6 和圖7)。
1)微硅的摻入可以消耗水泥水化產(chǎn)生的氫氧化鈣,提高水泥石的致密性,降低水泥石的孔隙率,促進(jìn)水泥石力學(xué)強(qiáng)度的發(fā)展。微硅摻量越高,對(duì)強(qiáng)度的促進(jìn)作用越明顯。且微硅對(duì)水泥石后期水化齡期的強(qiáng)度的促進(jìn)作用大于早期齡期。
2)水泥石的抗壓強(qiáng)度和微硅摻量具有明顯的一次線性關(guān)系和二次線性關(guān)系。在1 天水化齡期時(shí),水泥石抗壓強(qiáng)度和微硅摻量之間的關(guān)系可用擬合方程y= 0.159x+ 4.352,R2= 0.927 和y= 0.001 4x2+ 0.138x+ 4.388,R2= 0.929 表示;在7 天水化齡期時(shí),y= 0.202x+ 15.671,R2= 0.997 和y= -0.002 0x2+ 0.232x+ 15.620,R2= 0.998;在14天水化齡期時(shí),y= 0.417x+ 29.711,R2= 0.899和y=-0.003 1x2 + 0.464x+ 29.711,R2= 0.900。
3)所得線性回歸方程預(yù)測精度比較準(zhǔn)確,可為水泥石力學(xué)強(qiáng)度的預(yù)測提供借鑒,對(duì)于微硅低密度固井水泥漿的研究具有一定參考價(jià)值。