HLA低密度水泥外掺料体系研究

王洪亮

（大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院，黑龙江大庆163413）

HLA低密度水泥外掺料体系研究

王洪亮*

（大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院，黑龙江大庆163413）

主要阐述了新型HLA低密度水泥外掺料室内研究情况及现场应用效果，实践表明，该外掺料体系具有密度调节宽泛、有效降低水泥浆密度、水泥石强度高、应用成本低、使用方便等特点，有效解决了低密度水泥体系应用过程中混拌困难、成本高的问题，是油田深井全封固井、易漏井固井的重要技术保障。

低密度水泥；外掺料；固井

1　概述

目前，国内使用的低密度是水泥体系主要分2种，一种是粉煤灰体系，另一种为漂珠体系。粉煤灰体系一般密度在1.60g/cm3以上，具有应用成本低、适应性广等特点。漂珠低密度体系能够实现更低的水泥浆密度，且水泥石强度发展快、早强强度高等特点。但粉煤灰体系的缺点在于水泥石强度发展慢，凝结过渡时间较长。漂珠低密度水泥体系的缺点在于水泥浆稳定性控制较困难，对外加剂的要求较高，且由于人造漂珠价格昂贵，导致应用成本较高。结合上述2种水泥体系，考虑结合两者的特点，有必要开发一种能够实现较低水泥浆密度、水泥石强度发展较快且应用成本相对低廉的新型低密度水泥，而新型低密度水泥的技术关键主要在于研发新型的低密度外掺料体系。

低密度水泥现场应用过程中，由于井底条件不同，针对水泥浆密度及其它性能要求都有很大差别，因此，现场应用过程中，经常需要调整水泥配方。与此同时，一般低密度水泥体系混拌过程中需要添加多种外掺料，且需要较长时间进行混拌均匀。此外，不同外掺料的生产批次不同，造成对水泥浆的综合性能影响较大。为方便现场应用，特此考虑研发新型低密度水泥外掺料体系，现场应用过程中，通过调整外掺料体系的加量及水灰比，从而获得所需要的低密度水泥浆良好的性能，满足油田固井现场应用需求。

2　材料优选

针对低密度水泥体系，颗粒级配方法经过多年的室内研究和现场应用证明，具有有效提高水泥浆综合性能的作用，而外掺料的颗粒级配是实现低密度水泥体系紧密堆积的重要因素，因此，材料选择过程中，首先考虑颗粒级配是否合理，同时考虑颗粒自身的水化活性问题。不同颗粒的相互级配，不仅能够提高水泥石的强度、降低水泥石渗透率，此外，还有助于提高水泥环胶结性能以及水泥浆的沉降稳定性。因此，应用激光粒度仪，详细测量颗粒的粒径大小、分布，是外掺料选择的一项重要参考因素。不同颗粒的水化机理及相互间的协同作用优劣性，也是决定水泥浆、水泥石物化性能的基本因素。

2.1减轻材料的优选

目前常用的减轻材料主要为漂珠，但由于其特殊的物理性能及工程应用成本，漂珠的加量要收到一定的限制，因此，低密度外掺料体系研究中，主要从漂珠和其它轻质材料结合使用，从而降低漂珠使用量。其它轻质材料的优选是决定该体系应用成本和性能的重要研究内容。

（1）漂珠的优选。根据目前国内常用漂珠进行了密度、承压能力等性能评价实验，实验方法：采用高温高压稠化仪对相同密度的低密度水泥浆进行加压测试，对比加压前后水泥浆密度的变化情况，验证空心微珠承压能力，实验数据见表1。

在进行普通工业微珠的实验过程中，压力不断下降，水泥浆密度上升至1.55g/cm3，说明该类微珠在高压下发生破裂、渗水，增大井漏风险。T1型微珠承压能力约30MPa，适合于2500m以内井的应用。T2型微珠承压能力在78MPa以上，能够适应深井应用要求，因此，选用T3作为研究的减轻剂，可配制密度1.30g/cm3以上的水泥浆。为更好提高低密度水泥外掺料在高压条件下的应用需求，选定T-3漂珠作为体系的外掺料。

表1　不同微珠承压能力对比

（2）轻质材料的优选。为进一步降低体系的成本及自由水的含量，对轻质材料的水化活性要具有相对高的要求，本文结合新型减轻材料，优选具有较好的悬浮稳定性，较低的颗粒密度的新型轻质材料，轻质材料能够有效降低水泥浆水灰比，提高水固比的作用，从而进一步提高低密度水泥石的强度和沉降稳定性。主要对比数据见表2。

表2　QZ-3对水泥浆性能影响评价

实验表明，该轻质材料具有较好的水化活性、合适的颗粒尺寸及较低的颗粒密度，适合应用于低密度水泥外掺料中。此外，该材料具有较低的工程应用成本，能够有效降低该体系在油田固井工程应用中的实际应用成本。

2.2增强材料优选

漂珠及轻质材料的水化活性同水泥本身相比还要相对较弱，为进一步提高轻质材料之间以及与油井水泥之间的胶结力，提高水泥石强度和降低水泥石渗透率的方面考虑，需要添加颗粒粒度小于普通油井水泥颗粒，且水化活性和胶结强度优于油井水泥的外掺料。为此，特考虑优选超细水泥作为增强材料，从而满足技术需求。

本体系中选用特种超细水泥作为外掺料中的胶凝骨料，其主要作用有增强体系稳定性及提高水泥石强度。在低密度水泥体系研究中，优选超细水泥的方法主要有2方面，一是超细水泥石自身强度，二是超细水泥的颗粒细度。

超细水泥的化学组成同普通水泥近似，但超细水泥的比表面积一般大于3000cm2/g，颗粒的平均粒径在1～10μm。较大的比表面积使超细水泥具有较高的水化速度，且由于颗粒间的接触面积增加，促使其水泥石强度明显高于普通水泥。超细水泥由于用途及生产工艺的区别，性能指标差别较大，其主要性能指标区别见表3。

表3　不同超细水泥性能对比

以上数据可以看出，3号超细水泥其水泥石强度较高，表明其具有较强的胶结能力。

3　悬浮材料优选

为更好实现不同颗粒间的紧密堆积，提高水泥石强度和降低渗透率的同时，保证水泥浆沉降稳定性，外掺料体系中，添加悬浮材料是一种必要的选择，悬浮材料的粒径要求尽可能小，且具有较好的悬浮能力，增加体系的切力，保证低密度水泥浆中不同颗粒能够均匀悬浮在液相中。

目前常用的悬浮材料主要为硅灰，但不同产地的硅灰，不仅物理性能差别较大，化学性能更有很大区别，因此，根据低密度水泥实际应用的要求，针对不同硅灰进行了优选。

微硅含有丰富的无定形SiO2（85%以上），它与水泥之间发生化学反应后，产物Ca（OH）2反应生成低碱度较低的水硅酸钙水化物（C/H=0.67～1.1的C—S—H），并生成渗透率较低的水泥石固化结构。反应式为：

Ca（OH）2+SiO2（无定形）=CSH（凝胶）

此外，微硅超微细颗粒周围能够束缚较多水分子，并通过能量较大的氢键相互连接，使颗粒之间形成均匀致密的立体网架，从而促进水泥浆形成稳定的悬浮能力，不同化学成分的颗粒形成键能结合，使水泥石强度提高，并减低内部渗透率。国内不同厂家的产品性能差别明显，具体对比评价实验数据见表4。

表4　不同产地微硅性能对比

通过以上实验分析可以得出，3号硅灰具有较高的吸附能力，且颗粒密度较低，对低密度水泥浆的悬浮稳定性具有较好的促进作用。同时，硅灰具有极细的颗粒粒径，对颗粒级配、降低水泥石渗透率以及提高水泥石抗温性、防腐性有着重要的作用。

4　外掺料加量评价

通过紧密堆积原理及颗粒的合理级配，并考虑在低密度水泥中各种外掺料的物化性能，优选出T3微珠、QZ-3及特种超细水泥作为外掺料的主料，同时结合微硅粉，增加体系稳定性及抗温性。通过紧密堆积理论计算并结合室内评价实验，确定不同外掺料配比。

从表5可以看出，外掺料配比为：6∶1∶1∶8时，低密度水泥石强度最高。因此，在应用过程中，外掺料按该比例混配，作为最优配比。

表5　外掺料配比优化实验数据

5　综合性能评价

5.1水泥浆（石）常规性能评价

为进一步确定HLA体系对不同低密度水泥浆体系的适应性及工程可应用性，针对不同密度的水泥浆，通过调整HLA体系加量，配制了1.30～1.50g/cm3低密度水泥浆体系，并针对水泥浆初始稠度、抗压强度、稠化时间和API水泥浆滤失量进行综合性能评价，并结合降失水剂、减阻剂、早强剂、消泡剂、稳定剂在低密度水泥体系中应用，调配水泥浆性能，具体评价数据见表6。

从以上实验可知，不同密度水泥浆在不同循环温度下，随着密度的提高其抗压强度也增高，且不同密度水泥石的抗压强度均已超过14MPa，能够满足油田固井应用需求，此外，该体系能够有效降低人造漂珠的使用量，有效降低水泥浆体系现场应用成本，其性能能够固井施工要求，稠化实验曲线见图1。

表6　在不同循环温度下的水泥浆各项性能实验

图1　1.40g/cm3密度水泥浆45℃稠化曲线

从图1中可以看出，水泥浆体系的稠化曲线具有近似直角稠化的特点，且初始稠度较低，稠化曲线发展趋势复合要求，明显波动等现象，能够满足固井施工安全的工程要求。

5.2沉降稳定性

水泥浆沉降稳定性是低密度水泥体系工程应用中的重要技术指标，是固井施工安全的重要保障，为进一步评价HLA外掺料体系对水泥浆沉降稳定性的影响，应用水泥石上下密度差，评价了该体系的沉降稳定性能。

沉降稳定性实验应用API标准评价方式，结合水泥浆稠化仪进行模拟井底条件稠化实验，养护成石后，针对水泥石柱进行密度检测，根据水泥石柱上下密度差，从而评价水泥浆在侯凝过程中的沉降稳定性能。实验结果见图2。

图2　沉降稳定性示意图

通过以上实验可知，通过HLA外掺料体系配制的低密度水泥浆体系有较好的稳定性，顶部和底部密度差都小于0.02g/cm3，充分说明体系中固相颗粒分布均匀，为保证长封井固井质量奠定良好的基础。

6　结论

通过上述研究，HLA体系包括漂珠、轻质材料、超细水泥、硅灰等合理配比，能够有效复合成为应用简单、成本低廉的新型低密度外掺料体系。其中，体系中的材料及该体系具有如下特点：

（1）QZ-3减轻材料具有密度低水化活性高的特点，作为低密度外掺料使用能够有效提高水固比及水泥石强度。

（2）HLA体系有效降低了人造漂珠的使用量，从而能够有效降低工程应用成本。

（3）HLA体系能够应用于1.30～1.50g/cm3低密度水泥浆体系中，水泥浆综合性能良好，能够满足固井工程需求。

（4）HLA体系中，各颗粒粒径配比理论上满足颗粒级配需求，对降低水泥石渗透率有良好的促进作用。

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［3］齐智.新型低密高强水泥浆的研究和应用［J］.化工管理，2014 （21）.

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TE2

A

1004-5716（2016）07-0063-04

2016-03-30

2016-03-30

王洪亮（1979-），男（汉族），吉林永吉人，工程师，现从事钻完井工程研究工作。