石英砂細度和摻量對G級油井水泥漿體系性能的影響

隨著世界發(fā)展對石油（氣）資源的需求量越來越大，石油（氣）資源的開采難度不斷上升，因此深井、超深井的固井技術變得十分重要。通常深井、超深井為高溫高壓環(huán)境，而水泥環(huán)長期處于井下高溫高壓環(huán)境中，需保證深井高溫條件下水泥石的性能尤其是強度和膠結性能，從而使其滿足封固井質量。為解決油井水泥石在高溫條件下（≥110℃）力學性能急劇衰退和滲透率升高等問題，需要在G級油井水泥中加入高溫穩(wěn)定材料，建立抗高溫防衰退水泥漿體系。因此本文以石英砂為高溫穩(wěn)定材料，研究石英砂細度、摻量對不同溫度下G級油井水泥漿體系性能的影響，為優(yōu)選和設計以G級油井水泥為基礎的深井、超深井水泥漿體系提供基礎和依據，并對油田固井具有較好的指導作用。

1、試驗材料與方法1.1試驗材料高抗G級油井水泥（銅川藥王山生態(tài)水泥有限公司）；石英砂（河北靈壽裕川石英砂廠）。表1為高抗G級油井水泥化學成分，表2為石英砂的化學成分。表1Ｇ級抗硫酸鹽油井水泥化學成分%表2石英砂化學成分%1.2試驗方法依據GB/T10238—2015《油井水泥》標準制備油井水泥漿。具體為將水泥、不同細度的石英砂和去離子水配制成水泥漿，水灰比為0.44。水泥石的高溫試驗可依據GB/T19139—2012《油井水泥試驗方法》進行水泥石高溫強度養(yǎng)護，養(yǎng)護壓力為20.7MPa，直至達到目標溫度，后保溫至目標齡期。從釜內取出后，在（27±3）℃的水浴環(huán)境中保持至破型。最后，選取部分破型后的水泥石自然冷卻至室溫，貼標簽密封保存，防止測試前發(fā)生水化，用于微觀結構觀察。

2、結果與討論2.1石英砂細度對G級油井水泥石強度的影響采用G級油井水泥和石英砂（細度為80μm篩篩余分別為5%、10%、15%、20%）為試驗原材料，考察加入不同細度石英砂的G級油井水泥石在不同溫度下（80℃、110℃、130℃、160℃、180℃），養(yǎng)護齡期為1d、3d的強度發(fā)展規(guī)律。其中石英砂內摻加入量為30%。G級油井水泥石原漿在不同溫度下養(yǎng)護齡期為1d、3d的強度變化見圖1，石英砂細度對G級油井水泥石在不同溫度下養(yǎng)護齡期為1d、3d的強度的影響分別見圖2、圖3。圖1G級油井水泥在不同溫度下養(yǎng)護1d、3d的強度從圖1看出，G級油井水泥石原漿在低溫條件下隨著養(yǎng)護溫度升高呈現(xiàn)出抗壓強度上升趨勢，直到110℃時強度達到最高值，而后隨著養(yǎng)護溫度升高而下降，且養(yǎng)護3d齡期的下降規(guī)律比1d明顯。從圖1也可看出，經180℃養(yǎng)護1d、3d后，抗壓強度降至110℃的20%~30%。這表明，G級油井水泥石原漿隨著溫度升高和養(yǎng)護時間增加而下降。原因可能在于G級油井水泥石原漿在110℃以內溫度范圍時，占水泥石組成成分最多的硅酸鹽水化物呈網絡狀形態(tài)，具有良好的膠結性能，是水泥石保持高強度的主要原因；而當溫度超過110℃時，水泥石中出現(xiàn)了低強度高滲透率的板塊狀水化硅酸二鈣，這些大塊物料相互搭接明顯地改變了水泥石的顯微結構，并由于該產物本身的性能及其相互間的聯(lián)結力較弱，因而使得水泥石的強度降低。圖2石英砂細度對G級油井水泥石的強度影響（齡期1d）圖3石英砂細度對G級油井水泥石的強度影響（齡期3d）從圖2、圖3綜合看出，在養(yǎng)護溫度80~110℃時，G級油井水泥石的抗壓強度穩(wěn)步增長，且強度均高于加砂油井水泥石。與此同時，加砂油井水泥石在此階段強度發(fā)展較穩(wěn)定。當溫度高于110℃時，隨著養(yǎng)護溫度和養(yǎng)護時間的增長，G級油井水泥石抗壓強度呈現(xiàn)明顯的衰退趨勢，其在180℃強度衰退最明顯，與原始強度（80℃）相比，衰退率達75%。而加砂油井水泥石在130~160℃抗壓強度呈現(xiàn)出增長趨勢，與原始加砂油井水泥石強度（80℃）相比，增長率可高達170%，但在180℃水泥石強度依舊呈現(xiàn)衰退現(xiàn)象，不過衰退率較低。試驗結果表明，石英砂80μm篩篩余為5%~20%，均能防止水泥石強度在高溫下衰退。但當石英砂細度為80μm篩篩余10%~15%時，加砂油井水泥石的抗壓強度最高，原因可能在于：根據顆粒緊密堆積原理，當石英砂篩余為10%~15%，與G級油井水泥粒徑分布有一定的差距時，有利于提高水泥石的堆積密實度，填充了水泥硬化漿體中的微細孔隙，有利于改善水泥硬化漿體的微觀結構，進而達到提高水泥石強度的目的。因此選用80μm篩篩余15%作為石英砂的最佳細度。2.2石英砂摻量對G級油井水泥石強度的影響采用G級油井水泥和80μm篩篩余15%的石英砂為試驗材料，考察加入不同摻量的石英砂（30%、32%、35%、38%、40%）對G級油井水泥石在不同溫度下（80℃、110℃、130℃、160℃、180℃）養(yǎng)護齡期為1d、3d的強度發(fā)展規(guī)律，結果見圖4、圖5。圖4石英砂摻量對G級油井水泥石強度的影響（齡期1d）圖5石英砂摻量對G級油井水泥石強度的影響（齡期3d）從圖4、圖5看出，石英砂摻量從30%增加至40%，加砂油井水泥石經80℃養(yǎng)護1d、3d后的抗壓強度略呈現(xiàn)出隨石英砂摻量增加而下降趨勢；而經110~180℃養(yǎng)護1d、3d，石英砂摻量超過35%時，加砂油井水泥石的抗壓強度大致都表現(xiàn)出明顯下降趨勢。這是因為是石英砂摻量過大時，水泥石結構中會殘存一些產生點蝕或面蝕、表面伴生結晶產物的石英砂粒子，這些晶體粒子與石英砂的膠結性較弱，造成了水泥石的結構完整性被破壞，從而引起抗壓強度的衰退。因此結合各個溫度段和養(yǎng)護齡期綜合考慮，石英砂的最佳摻量為30%~35%。從圖5可看出，經110~160℃養(yǎng)護3d后的加砂油井水泥石，抗壓強度持續(xù)增長，而經180℃養(yǎng)護3d后的加砂油井水泥石抗壓強度衰退，與160℃相比，衰退率最高可達50%。那就可將160℃作為一個臨界衰退點。分析原因如下：（1）在110~160℃，水泥漿中加入石英砂后，發(fā)生物理化學反應生成具有良好網絡結構的雪硅鈣石（C5S6H5），這種產物本身具有較高的強度和較低的滲透率，可提高水泥石的致密度和強度。經查資料表明，該物質的最高穩(wěn)定溫度約為150~160℃，超過此溫度后將轉變?yōu)橛补桠}石（C6S6H）[6]，因其所形成的網架結構相對較粗大，削弱了其強度，因此比能形成針狀網絡結構的產物C5S6H5的強度低。所以超過160℃養(yǎng)護的加砂油井水泥石強度降低可能是由于C5S6H5轉變?yōu)镃6S6H的緣故。2.3水泥石的微觀形貌圖6為G級油井水泥石原漿在不同溫度條件下的微觀結構，從圖6（a）看出水泥石原漿經110℃養(yǎng)護3d所形成的硅酸鈣水化物能夠結成互相聯(lián)結的網絡狀結構，其結構較致密，主要以CSH凝膠為主，這種凝膠在常溫下對水泥石的強度及外觀穩(wěn)定性起著決定性的作用。因而在低溫80~110℃形成了孔隙率相對較低聯(lián)結較密實并具有較高強度的水泥石。從圖6（b）看出，水泥石原漿經180℃養(yǎng)護3d出現(xiàn)大量的板塊狀產物結構（C2SH），該產物是一種低抗壓強度、高滲透率，比CSH凝膠更致密的晶體，會造成水泥石體積收縮，從而破壞水泥石的完整性。而且隨著溫度的提高，這種水化硅酸鈣的結晶將明顯變大，致使硬化漿體的結構應力局部地集中和增加，在不同程度上削弱和破壞了水泥石的機械強度。圖7為加砂油井水泥石的微觀結構，從圖7（a）看出，加砂量為30%的水泥石經130℃養(yǎng)護3d的水化產物結構致密，生成了相互搭接的針狀雪硅鈣石（C5S6H5），該產物結構是一種結晶度良好的針狀晶體，且可以彼此相互穿插搭接成較理想的、勻稱的網絡結構，從而使水泥石保持較高強度和低滲透率。從圖7（b）看出，水泥石中殘存部分未發(fā)生反應的石英砂顆粒，而當未參與反應的SiO2堆積在水泥水化產物中時，破壞了水泥石的結構，從而導致水泥的強度下降，因此摻入過量的石英砂不利于水泥石的機械強度。圖6G級油井水泥石原漿的微觀結構圖7加砂油井水泥石的微觀結構2.4加砂G級油井水泥漿體系性能評價本文結合西南油田市場固井需求，設計水泥漿配方如表3所示，液固比為0.28。試驗結果見表4。水泥漿的配制和性能評價均依據GB/T19139—2012《油井水泥試驗方法》中的相應規(guī)定進行。表3水泥漿試驗配方%表4物理性能指標參數(shù)本試驗配方優(yōu)選細度80μm篩篩余15%的石英砂和G級油井水泥為主要材料，與外加劑進行配伍，設計了一套抗高溫高密度油井水泥漿體系。從表4可見，水泥漿各項性能指標均能滿足油田技術指標，且也能夠達到高溫固井對水泥石強度的要求。

3、結論（1）高溫條件下（≥110℃）G級油井水泥石原漿強度呈衰減趨勢。（2）細度為80μm篩篩余10%~15%，且摻量為30%~35%的石英砂，使其水泥石的高溫水化產物的硅鈣比降低至1.0，故可