适用于稠油热采井热膨胀水泥的外掺料优选

步玉环，　常智杨，　邵子璇，　王雪英

适用于稠油热采井热膨胀水泥的外掺料优选

步玉环1，常智杨1，邵子璇1，王雪英2

（1.中国石油大学（华东）石油工程学院，山东青岛266580；2.中原油田供水管理处，河南濮阳457001）

步玉环等.适用于稠油热采井热膨胀水泥的外掺料优选［J］.钻井液与完井液，2016，33（4）：87-91.

对于稠油开发来说，开采温度可以达到300 ℃，剧烈的温度增加会造成水泥石强度的衰退，同时高温条件下套管、水泥环膨胀变形不一致，会导致水泥环内部产生过大的应力，这些都是造成水泥环密封完整性被破坏的主要原因。除了解决水泥石高温强度衰退问题之外，加入不同的外掺料改善水泥石的热膨胀性能是保证密封完整性的主要措施之一。热膨胀系数是其热膨胀性能的主要表征参数，为此研究了各种外掺料在不同温度下对油井水泥石热膨胀系数的影响，并分析探讨了其影响机理。实验结果表明：硅粉和漂珠等外掺料会不同程度地降低硬化水泥石的热膨胀系数，而胶乳和碳质材料的掺入可以适当增大油井水泥石的热膨胀系数。这种碳质材料为工业废料，价格低廉，因此在油井水泥中掺入适量的碳质材料不仅节约固井成本，还可以提高水泥石的热膨胀性能，保证水泥环的密封完整性，提高热采井的生产寿命。

热膨胀水泥；热采井；外掺料；热膨胀系数

随着对能源需求的加大，作为非常规油气资源的稠油油藏的开发越来越受到人们的重视。世界稠油资源相当丰富，预计储量可达（6.04～9.86）× 1011m3，并有逐年增加的趋势［1］。热采是稠油开采的主要方式，通过对油层注蒸汽或层内燃烧提高油层温度，降低稠油黏度，增加其流动性，使稠油更易采出。目前，中国在进行稠油热采时主要以蒸汽吞吐和蒸汽驱方法为主。对于固井水泥石来说，当温度达到110 ℃时，水泥石的水化硅酸钙凝胶便不再稳定，水化硅酸钙凝胶和钙矾石等各种水化产物开始脱水，造成水泥环体积收缩［2］。在热采井中套管、水泥环及近井地层的温度、压力波动会导致固井水泥环与套管不同程度地膨胀变形［3］。在蒸汽吞吐过程中，由于循环加热和冷却使井筒温度发生剧烈变化，套管在热载荷作用下会发生明显膨胀，但热膨胀系数较小的水泥环束缚了套管的膨胀，使水泥环在与套管交界面处产生较大的应力，造成固井水泥环密封完整性的破坏［4］，继而导致油井封固失效，由此产生的井口冒蒸汽现象经常发生，严重威胁到稠油的开采效率及油井寿命，甚至是人身安全。在热采井中，为了防止高温下水泥石强度衰退，常用的办法就是掺入硅粉或硅砂来控制CaO/SiO2质量比，从而减缓水泥石性能的衰退。虽然硅粉或硅砂可以一定程度地解决水泥石高温强度衰退的问题，但在温升过程中由于套管和水泥环的热膨胀差异造成的水泥环密封完整性失效无法消除。为此，加入不同外掺料改善水泥石的热膨胀性能是解决热采井温升应力造成密封完整性失效的主要措施之一。因此，优选出适当增大水泥石热膨胀系数的外掺料，使水泥环与套管热膨胀效应接近一致，减弱因套管膨胀导致的水泥环产生的应力，从而保证热采井水泥环的密封完整性，提高热采井的生产寿命。

1　实验材料与方法

1.1实验材料

实验选用嘉华G级高抗硫水泥，粒径为0.076 mm的硅粉，丁苯胶乳BCT-800L，微硅，漂珠和碳质材料。部分原材料的化学组分见表1。

表1　原材料化学成分 %

1.2实验方法

1.2.1试样制备方法

试样尺寸设计为φ8 mm×（50 mm±0.5 mm）的圆柱形。试样制备过程如下：①装配好成型模具；②根据不同配方按API标准制备水泥浆（水灰比为0.44）；③将配制好的水泥浆用注射器从模具的底部开始注入，不断用细铜丝搅拌，以免塑料管中存有气泡，注满后表面抹压平整；④依次对水泥石试样编号，放置在养护箱中养护，24 h后拆模，待测。

1.2.2热膨胀系数的测定方法

采用湘潭湘科ZRPY系列热膨胀系数测定仪测量各种水泥石在室温～300 ℃下的热膨胀系数，分析其热膨胀差异性。该仪器采用差示热膨胀原理，适用于测定在高温状态金属材料、陶瓷、玻璃、釉料、耐火材料以及其它非金属材料在受热焙烧过程中的膨胀和收缩性能。实验设定升温速度为 5 ℃/min，热膨胀系数随测试温度变化曲线由测定仪连续自动记录。升温过程中水泥石的形变主要是由水化产物自发收缩和热膨胀造成的［5］，而自收缩是水泥不断水化的结果，热膨胀形变是由热膨胀系数决定的。在水湿环境下，由于水泥水化产物自收缩的影响，仪器所测得的热膨胀系数（图1中黑色曲线）并不能反映水泥石真实的热膨胀系数。为了消除水泥水化产物自收缩的影响，同时考虑到热采井注蒸汽时水泥石处于高温环境中，水泥石中的大部分自由水被蒸发，在测量前需要将试样在250 ℃高温炉中充分烘干12 h，使其水化作用大大减弱，从而获得较为真实的水泥石热膨胀系数（图1中红色曲线）。

图1　不同条件下水泥石热膨胀系数测定结果

2　外掺料对水泥石热膨胀系数的影响

2.1硅粉

含硅粉水泥石（200 ℃、10 MPa）热膨胀系数测定结果如图2所示。测量初始阶段由于温度的传导需要一定的时间，使水泥石试样的表面和内部温度分布不均造成水泥石的延迟膨胀，在实验结果上表现为测量初期水泥石的热膨胀系数较大。由图2可以看出，3种水泥石试样经充分烘干后，同掺量条件下其热膨胀系数基本不随温度改变而变化，并且随硅粉掺量的增加，水泥石的热膨胀系数降低。掺入45%硅粉的水泥石在200 ℃的热膨胀系数由原来的11×10-6/℃左右减小到9×10-6/℃。

图2　硅粉对水泥石热膨胀系数的影响

在水泥水化过程中主要物相的热膨胀系数如表2所示［6］。当向水泥中加入硅粉时，具有较高反应活性的SiO2能消耗水泥浆体中的氢氧化钙，与初期水化产物反应而形成结晶较紧密的一类硅酸钙凝胶，改善水泥浆体组分的钙硅比。这种凝胶在高温时将转变成为雪硅钙石，当温度升高到150 ℃时，雪硅钙石将再次转变为硬硅钙石［7-8］。随硅粉掺量的增加，水泥石中雪硅钙石和硬硅钙石的含量增加，而氢氧化钙等热膨胀性较好的固体组分含量将极大地削减，从而使水泥石的热膨胀系数降低。

表2　水泥水化主要物相的热膨胀系数

2.2胶乳

图3为含胶乳硬化水泥石（75 ℃、10 MPa）的热膨胀性系数与测量温度的关系。在200 ℃下，胶乳掺量为0、15%、20%、25%时，水泥石的热膨胀系数分别为11.48×10-6/℃、11.98×10-6/℃、11.65×10-6/℃、11.43×10-6/℃。

图3　胶乳对水泥石热膨胀系数的影响

由图3可知，相同掺量下水泥石试样的热膨胀系数随测量温度变化略有波动，并且200 ℃时含胶乳水泥石的热膨胀系数相对于原浆水泥石有所增加，胶乳掺量为15%的水泥石的热膨胀系数最大，之后随掺量增加而减小。分析现象产生的原因认为，胶乳掺量太多会在水泥石中产生较多气泡，加入消泡剂也很难彻底消除，导致水泥石的孔隙率增大，热膨胀系数降低。有关研究发现［9-10］，在油井水泥中掺入胶乳外加剂后影响了水泥的水化过程，改善了水泥石的微观结构。其影响机理主要分为3步：首先，加入苯丙胶乳聚合物后，胶乳颗粒随即融入浆体中；其次，随着水化程度的增加，浆体中水分减少，部分胶粒就聚集在水泥颗粒表面并形成连续的薄膜，同时细小的胶粒也会填充在较大的凝胶空隙中和水泥水化产物之间；最后随着水泥的进一步水化，在水化产物表面形成的连续薄膜和水化产物黏连在一起，从而形成一种聚合物和水化产物互相缠绕渗透的网状组织结构。通过上述过程发现，少量胶乳的掺入改善了水泥石的微观结构，使水泥石结构变得密实，最终增大了水泥石的热膨胀系数。

2.3漂珠

含漂珠硬化水泥石（75 ℃、常压）的热膨胀系数测量结果如图4所示。在200 ℃下，漂珠掺量为0、10%、20%时，水泥石的热膨胀系数分别为12.25×10-6/℃、11.43×10-6/℃、11.08×10-6/℃。由图4可以明显看出，相同掺量下3种水泥石的热膨胀系数随温度变化曲线比较平缓，而且随着漂珠掺量的增加，水泥石热膨胀系数减小。分析其热膨胀系数下降的原因主要有2方面［11］：一是漂珠颗粒分散在水泥中，导致硬化水泥石的孔隙增多；二是由于漂珠加量的增大，水固比随之增大，保水性能降低。在水泥浆体中，随着水固比的增加，水泥石中的水分增多，固体组分含量减少，使内部孔隙率也增大，为水泥石的热膨胀提供了较大的缓冲空间，因此使得硬化水泥石的热膨胀系数降低［12］。含漂珠水泥石的抗压强度测量结果如表3所示，由表3可知，同样由于这2方面的影响，掺入漂珠水泥石的抗压强度也逐渐下降。

图4　漂珠对油井水泥石热膨胀系数的影响

表3　含漂珠水泥石抗压强度测量结果

2.4碳质材料

碳质材料是一种工业废料，与焦炭粉成分相似，密度小，可以考虑作为水泥减轻剂使用。合理适量地使用该材料可显著降低水泥用量，节约成本。Loizzo等［13］研究发现，焦炭粉、无烟煤的加入可以在一定程度上增大水泥石的热膨胀系数，并且热膨胀系数随材料颗粒尺寸（160～450 µm）的增加而增大。因此，实验研究了这种碳质材料对水泥石热膨胀系数的影响。含碳质材料水泥石（75 ℃、10 MPa）热膨胀性系数随温度变化曲线如图5所示。在200 ℃下，碳质材料掺量为0、30%、40%和50%时，水泥石的热膨胀系数分别为11.48×10-6/℃、11.71×10-6/℃、12.35×10-6/℃和12.96×10-6/℃。由图5可以看出，经高温烘干后，原浆水泥石和同掺量下含碳质材料水泥石的热膨胀系数随温度变化不大，并且碳质材料的加入可以增大水泥石试样的热膨胀系数， 掺量越大， 其增加程度越大。分析认为热膨胀系数增大的原因在于碳质材料中含有碳烃化合物的挥发分， 在升温过程中， 分散在水泥浆体中的挥发分会受热膨胀，从而引起硬化水泥石的体积膨胀。该材料掺量越大，挥发分含量越多，因此水泥石的热膨胀系数就越大。通常油井套管的热膨胀系数为13×10-6/℃，而掺入碳质材料后水泥石的热膨胀系数可以提高到（12～15）×10-6/℃，此时水泥环和套管的热膨胀效应基本一致，温升过程由2者热膨胀性能差异所产生，水泥环热应力会随之减小［14］，从而保证热采井水泥环的密封完整性，提高热采井的生产寿命。

图5　碳质材料对水泥石热膨胀系数的影响

在热采井中水泥环长期处于高温高压下，考虑到碳质材料的挥发分在高温热循环条件下能否稳定存在的问题，测试了在高温（250 ℃）下烘干时间对含碳质材料（40%）水泥石热膨胀系数的影响，测试结果如图6所示。

图6　烘干时间对含碳质材料水泥石热膨胀系数的影响

由图6可知，随着烘干次数和烘干时间的增加，含碳质材料水泥石的热膨胀系数有所降低，且降低程度越来越小，最终稳定在11×10-6/℃左右；而不含碳质材料的水泥石在烘干24 h后出现明显裂缝，如图7（a）所示。可见加入碳质材料可以提高水泥石的耐高温性能，防止水泥石在高温下开裂。

图7　连续烘干24 h的水泥石样品

3　结论

1.硬化水泥石的热膨胀系数随胶乳的掺入而增大， 而随漂珠和硅粉的掺入有所减小。在热采井中为了提高水泥石的热膨胀性能，在保证水泥浆综合性能良好的前提下， 应减少硅粉和漂珠的用量，而且胶乳掺量不宜过多， 在一定条件下可以考虑将实验优选出的轻质碳质材料作为减轻剂代替漂珠使用。

2.实验优选出的碳质材料可以适当增大固井水泥石的热膨胀系数，使水泥环与套管热膨胀效应接近一致，减小因两者热膨胀性能差异产生的水泥环应力，同时提高水泥石的耐高温性能，从而保证热采井水泥环的密封完整性，提高固井质量，延长热采井的生产寿命。

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Optimization of Admixture for Thermal Expansion Cement Used for Cementing Heavy Oil Thermal Recovery Well

BU Yuhuan1， CHANG Zhiyang1， SHAO Zixuan1， WANG Xueying2
（1. College of Petroleum Engineering， China University of Petroleum （East China）， Qingdao， Shandong 266580；2. Department of Water Supply， Zhongyuan Oilfield， Puyang， Henan 457001）

In heavy oil thermal recovery， the high temperatures， 300 ℃， for instance， will deteriorate the strengths of set cement， and generate over high interior pressure inside the cement sheath because of the difference between the swelling capacities of the casing string and cement sheath. The strength deterioration and the over high interior pressure are the main factors contributing to damage to the integrity of the airtightness of the cement sheath. Several methods can be used to maintain the airtightness of the cement sheath， for example， controlling the strength deterioration of the set cement at elevated temperatures， or adding admixtures to the thermal expansion cement to improve the expansion behavior. Factors affecting the coefficient of thermal expansion of a set cement， the main parameter characterizing the thermal expansion behavior of the set cement， have been studied by adding various admixtures into cement slurries at different temperatures. Mechanisms of these factors affecting the coefficient of thermal expansion have also been investigated. It was found that some admixtures， such as silica powder and hollow micro spheres， reduce the coefficient of thermal expansion of set cement to varying degrees， while other admixtures， such as latex and carbonaceous materials can increase the coefficient of thermal expansion of set cement. Carbonaceous materials， as industrial waste， are cheap and their use in oil well cement not only reduces the cost of well cementing， but also improves the thermal expansion behavior and the airtightness of set cement， thereby prolonging the lifespan of a thermal recovery well.

Thermal expansion cement； Thermal recovery well； Admixture； Coefficient of thermal expansion

TE256.6

A

1001-5620（2016）04-0087-05

10.3696/j.issn.1001-5620.2016.04.018

国家973计划“海洋深水油气安全高效钻完井基础研究”（2015CB251202）；教育部长江学者创新团队“海洋油气井钻完井理论与工程”（IRT1086）。

步玉环，教授，1966年生，现在主要从事固完井工程技术研究工作。电话 13884951607 ；E-mail ：buyuhuan@163.com。

（2016-3-5；HGF=1604M1；编辑马倩芸）