关于低密度高强度固井水泥浆的应用探讨

摘要　为了满足低密度条件下固井施工的要求，常用的低密度水泥浆必须被淘汰。本文就高强度超低密度水泥浆的基本性能及优势进行的研究得知其适用的温度范围十分广泛，具有稳定性好、抗压强度高、渗透率低、防气窜能力强、失水量易控制等优点，因此可以在更大的方面满足低压易漏、气体钻井以及欠平衡钻井的固井要求，简化了施工工艺，提高了施工效率。

关键词　低密度高强度水泥　固井　应用

1　低密度高强度固井水泥的设计思路及组成体系组成

1.1低密度高强度水泥将的设计思路

随着科学界对微观力学与宏观力学进一步的研究，一些科学工作者提出了通过紧密堆积理论及材料颗粒大小分布来提高材料宏观力学性能的技术构想。通过调节混合物加固对象的不同颗粒的尺寸分布，进行合理级配和加工，从而使水泥浆体系能够实现良好的孔隙充填。多种尺寸的颗粒分布的混合物紧密堆积一单位体积水泥浆含有更多的固相，从而得到高性能的水泥浆。低密度高强度水泥浆的组成是根据物料间的物理化学作用来确定的。为提高低密度水泥浆的性能，研究并确定具有一定颗粒分布的充填性好、比表面积小、表面光滑致密、本身化学性能高的矿物活性材料，不仅能够发生自身凝硬性的反应，还能够提高水泥浆的整体性能。高强低密度水泥浆是以线性堆积模型和固体悬浮模型为基础的，根据紧密堆积理论进行设计。这个体系利用合理的物料颗粒级配以及对物料表面性质的改善，减少物料颗粒间的充填水和表面的水，提高单位体积水泥浆中的固相，形成更加致密的水泥石，通过超细矿物材料之间的物理作用，提高低密度水泥浆的力学性能。体系中的增强剂是由具有合理颗粒级配的活性矿物材料组成的，可在水泥中形成具有致密网架结构的悬浮体系，体系中还能够产生细小的、均匀分布的、具有一定弹性的封闭泡沫，能够进一步地充填、连接悬浮体系中的固体颗粒，从而使体系更加稳定。

1.2体系组成

低密度高强度水泥浆主要由油井水泥、漂珠、增强剂PZW－A及相应配套的外加剂等几个部分组成。不同密度的低密度高强度水泥浆的综合性能测试结果具有很大的差别。普通低密度水泥浆当中的减轻材料粒径比较大，在减轻材料和水泥颗粒之间，存在着比较大的间隙，这样既增大了整个体系的需水量及含水量，又降低了整个体系的密实度，使水泥浆的稳定性和水泥石渗透率受到负面影响。压力和搅拌速度的增大会使普通低密度水泥浆的密度增大。

超低密度水泥浆选择减轻作用明显、球形度好的玻璃微珠作为减轻材料，它能够显著的降低水泥浆的密度。玻璃微珠的球形度较好，粒度均匀，从而减少了体系的需水量，使水泥浆固相含量得到了很大的提高，这样有利于实现体系的紧密堆积，增强体系的承压能力。玻璃微珠与超细增强材料进行合理的颗粒级配，掺入水泥浆中，不仅能发生凝硬性反应，还能够充填水泥石孔的间隙，从而形成致密的水泥石，进而、提高低密度水泥浆的强度以及稳定性等综合性能；同时由于充填颗粒的滚珠效应，即使在较低水固比的情况之下，也能够使水泥浆拥有良好的流变性。

2　低密度高强度水泥的性能及固井应用

2.1具有良好的稳定性

低密度高强度水泥浆体系及沉降稳定性能良好，这是由于体系增强剂中的部分超细颗粒可以作为一种助剂悬浮水泥浆组成中的其他材料。这些超细颗粒可以充填在其他较大和较重的物料颗粒之间，连接悬浮物料；这些颗粒周围还能吸附大量的水分子，水分子之间通过氢键互相连接，使超细颗粒之间形成均匀致密的网架结构，并与水泥浆组成中其他颗粒吸附的水分子通过氢键连接，使水泥浆形成具有致密网架结构的悬浮体系；此外，增强剂发生的水硬性反应及水泥浆发生的胶凝反应，保证了水泥浆具有良好的稳定性。

2.2具有较大的优越性

水泥石在抗压强度相同条件下，低密度高强度水泥浆与相同密度的普通漂珠低密度水泥浆相比，水泥石的抗压强度得到了很大程度的提高，这是由于增强剂能有效的提高整个体系的抗压强度。增强剂由大量的活性材料组合而成，能够产生大量的水硬性反应，提高水泥颗粒之间的胶结和水泥石强度；增强剂中的超细颗粒还能够很好地堆积和充填在其他颗粒形成的孔隙中，这样能够提高混合物充填比例，形成更加致密的水泥石，进一步增强水泥石的强度。

2.3具有良好的抗腐蚀性能

对水泥石腐蚀机理的研究表明，在腐蚀性溶液中，影响水泥石耐久性的主要因素是：水泥浆由于凝结硬化而形成的水泥石物相组成中的氢氧化钙晶体的含量及水泥石的致密性。增强剂的设计能够在很大程度上满足以上抗腐蚀的要求。增强剂能够与由于水泥水化而产生的氢氧化钙反应，形成网状结构的C-S-H凝胶，从而消耗水泥石中的腐蚀物质，提高水泥石耐腐蚀的能力；其中不参与反应的增强剂的其他物料，能够与水泥浆中的固相颗粒形成的良好级配和充填，形成非渗透性的、致密的、连通性差的硬结水泥石，从而阻止腐蚀性离子的侵蚀，提高了水泥石的抗腐蚀性能。

2.4具有高效的防气窜能力

气窜主要是由于钻井液顶替的不完全、游离液高、失水高、水泥浆体积收缩、胶凝强度发展缓慢、水泥石孔隙度大等因素导致的，而增强剂由于本身的性能特点，能够减小水泥石的间隙度，能够平衡水泥柱承受的压力、以便减少气窜的危险；增强剂还能够由于补偿水泥浆凝结而引起的收缩，减少失水和游离液，具有较短的静胶凝强度过渡时间，有助于防止气窜。

利用水泥浆性能系数SPN，能够评价水泥浆防气窜性能。SPN的值越小，防气窜的能力就越强。稠化过渡时间越短，失水量越小，则SPN的值越小，相应的防气窜能力就越强。从以往的室内实验所得数据可知，56℃下的稠化时间分别为130，155，185min的水泥浆，SPN值对应为1.76，2.30，2.64。低密度高强度水泥浆的稠化时间一般为130～160min，因此该体系具有良好的防气窜能力。

3　低密度高强度水泥浆的优势及固井实例

3.1固井优势

3.1.1低密度高强度水泥浆中的增强剂，能够有效提高并改善水泥浆的整体性能。具体表现在：减少水泥浆的游离液、失水量；缩短水泥石的收缩、候凝时间；提高水泥石抗压强度、抗腐蚀和防气窜的能力，并且不受温度和环境限制。能够在任何环境下进行固井作业。

3.1.2高性能超低密度水泥浆以低密度高强度水泥浆技术、多功能降失水剂XF为基础进行研制，适用密度为1.0～1.30g／cm3，适用温度范围广泛，体系综合性能良好，能够在最大程度上满足固井施工的技术要求。

3.1.3低密度高强度水泥浆的综合性能可以满足低压易漏、气体钻井及欠平衡钻井的固井，达到防漏、防窜、降低成本、实现长封固段固井、简化施工工艺等目的，对于保护油层、最大程度地开发有效产能具有重要意义。

3.2施工井实例

民40-55-6井是吉林油田民40区块井网的一口生产井，完钻井深1556m，油层顶底为1376～1516m，准139.7mm套管下深为1546m。钻井设计中要求水泥浆返高到地面，加上附加量，水泥浆封固段达1546m。为了压稳地层，防止压漏地层，达到平衡地层压力的目的，固井施工设计水泥封固段长一般为1560m。设计低密度水泥浆封固段0～1276m，封固段长1276m，实际施工中施工正常，没有发生漏失、油气窜等复杂情况。低密度水泥浆封固段长1276m(计算中环空容积误差)，经过声幅、变密度的电测检验数据表明，该井全井封固质量合格。

结语

低密度高强度水泥浆综合性能优良，密度易调节，失水易控制，游离液低，稠化时间可调，抗压强度高，能够适用于高、低温度及各种环境条件下的低密度水泥浆固井。采用低密度高强度水泥浆进行固井施工，可以大大减少施工成本，提高施工效率，加快施工进度，保证施工工程能够在既定的范围又好又快的完成。