6-低密度水泥漿

低孔低滲油氣層固井水泥漿長江大學(xué)石油工程學(xué)院2008年07月26日許明標(biāo)研究進(jìn)展低密度水泥漿體系的現(xiàn)狀顆粒級配緊密堆積,1.20～1.65g/cm3水泥漿。低密度減輕劑：粉煤灰、膨潤土、礦渣、珍珠巖、泡沫等等。低密度材料上浮,漿體穩(wěn)定性。須摻入穩(wěn)定劑,防止水泥漿的分層。低密度水泥漿水泥石48h強(qiáng)度達(dá)到14MPa。超低1.10g/cm3的研究較少。不同的減輕材料性能(1)粉煤灰:火力發(fā)電廠煤粉燃燒熔融后排出的粉末狀廢物,具有火山灰特性的微細(xì)灰。主要成分為SiO2和Al2O3,粒徑范圍為0.5～300μm,密度為2.0～2.50g/cm3,價格便宜,購買方便。(2)微硅:硅鋼或鐵合金生產(chǎn)過程中分離出來的一種副產(chǎn)品,主要成分是SiO2,平均粒徑0.10～0.15μm,具有較大的比表面積。密度2.50g/cm3,能使水泥石滲透率下降,提高抗腐蝕性能。(3)海泡石:白色質(zhì)輕纖維狀富鎂硅酸鹽礦物,由硅氧四面體和鎂氧八面體組成。主要成分為SiO2和MgO,其結(jié)構(gòu)中存在一系列晶道,具有極大的比表面積,密度一般為1.30～2.10g/cm3,熱穩(wěn)定性好,抗鹽性好。(4)珍珠巖:屬火山玻璃質(zhì)熔巖,主要成分SiO2,為白色或淺灰色顆粒,縐褶的蜂窩結(jié)構(gòu),含有大量的空隙,具有較大的膨脹性。密度2.40g/cm3,堆積密度0.10～0.2kg/m3,可存比自重高5～6倍的水分。研磨成20～30目的顆粒,能形成膨脹珍珠巖水泥漿體系,具有減輕和降失水的良好性能。易上浮,需選擇與其配伍穩(wěn)定劑。不同的減輕材料性能(5)漂珠:粉煤灰在水中漂浮起來的球狀顆粒,曬干后即成漂珠,具有密閉、粒細(xì)、質(zhì)輕、壁薄、活性等性能。其視密度0.7g/cm3左右,漂珠配制的低密度水泥漿可達(dá)到較低密度。但由于漂珠本身強(qiáng)度較低,且漂珠外殼本身壁厚和形狀的差異,在一定壓力和混漿泵的攪拌下容易破碎。(6)人造空心玻璃微球:HGS中空玻璃微球是美國3M公司人工制造的空心微珠,是一種堿性硅硼酸鈣鹽,不溶于水和油,平均直徑90μm,壁厚2～3μm,耐高溫,化學(xué)穩(wěn)定,破碎壓力14～124MPa,能降低流體的粘度,改善流動性,具較高的強(qiáng)度和不可壓縮性。其拉伸強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、楊氏模量均優(yōu)于漂珠。HGS中空玻璃微球水泥漿體系在凝固時,收縮率非常低,能保證較好的膠結(jié)強(qiáng)度。目前國內(nèi)已經(jīng)可以生產(chǎn)人造的空心玻璃微珠,并有產(chǎn)品銷售,但是性能與國外還有差距。3M漂珠與國產(chǎn)漂珠性能比較3M公司是最大的漂珠生產(chǎn)商，所生產(chǎn)的漂珠不溶于油和水。具有良好的耐溫性和高強(qiáng)度,最高耐溫600℃,最高抗壓強(qiáng)度124MPa。3M空心玻璃微球作水泥漿減輕劑可使水泥漿密度降到0.90g/cm3,且破碎壓力較高,泵送不會際密度有影響。3M空心玻璃微球可解決深井低壓漏失地層和多級壓力梯度固井的難題。低密度水泥漿要求(1)較好的穩(wěn)定性:水泥漿漿體不發(fā)生分層離析,形成的水泥石縱向密度分布一致,析水小、體積收縮小。(2)合適的流變性和密度:選擇的減輕劑類型和粒徑,其配制水泥漿時用水量在所選擇減輕劑的最大允許范圍內(nèi)。(3)較高的早期強(qiáng)度:兼顧水泥漿的流變性能和濾失量控制的情況下,改善水泥漿的抗壓強(qiáng)度和穩(wěn)定性。采用不同粒徑的低密度材料通過緊密堆積輔以外加劑提高早期強(qiáng)度。細(xì)漂珠作減輕劑配制低密度水泥漿,在較低液固比時,可獲得較低密度的水泥漿,從而使得水泥石的強(qiáng)度較高。選擇微硅以及3M產(chǎn)品作為細(xì)顆粒充填材料。低密度水泥漿體系選擇PVA低溫低密度水泥漿體系聚合物淡水水泥漿體系膠乳水泥漿體系60℃PVA低密度水泥漿配方材料加量%備注固體混合材100作為計算基礎(chǔ)配漿水54.3分散劑1.3緩凝劑0.2PVA低密度水泥漿性能性能指標(biāo)性能指標(biāo)密度（g/cm3）1.5自由液（ml）2.4流變性（Φ600）165稠化時間（Min/57℃）147濾失（ml）8×2抗壓強(qiáng)度（PSI/57℃）21003M漂珠超低密度水泥漿（資料）組成加量組成加量水泥100%充填劑31.5%自來水293%充填增強(qiáng)劑112.5%3M漂珠225%防竄劑6.0%液體降失水劑8%液體減阻劑4%3M漂珠超低密度水泥漿（資料性能指標(biāo)性能指標(biāo)密度（g/cm3）1.04自由液（ml）0;流動度（cm）20;稠化時間（Min/80℃）262min(50MPa)濾失（ml）42抗壓強(qiáng)度（Mpa/80℃）9(0.1MPa)高溫聚合物低密度水泥漿適用靜止溫度范圍：25～150℃；水泥漿密度：1.50～1.60g/cm3；初始稠度：15～30BC；游離液：低于0.8%；流變性：良好，n≤0.8；API失水：≤50ml/(25～120℃)×7MPa×30min；稠化時間：60～420min/25～120℃，“直角”凝固；抗壓強(qiáng)度：在各種密度條件下都能滿足工程需要。降濾失劑的選擇優(yōu)化降濾失劑濾失性能（ml/30min.80℃.6.9MPa）備注CG706L42濾失略大CG704L38沉降穩(wěn)定性差CG80L18抗污性差CG88L20濾失性好CG81L28流變性性好緩凝劑的選擇優(yōu)化緩凝劑緩凝性能(min/90℃)備注H21L－L110緩凝性能差H21L－M199性能較好H21L－H>300稠化時間太長H63L>300稠化時間太長H30L>300稠化時間太長緩凝劑加量0.5％。評價后選擇H21L－M。H63L、H30L及H21L－H適合于在溫度高于120℃以上使用。分散劑的選擇優(yōu)化分散劑分散性能(Φ300)備注CF46L252易觸變CF44L233綜合性能好CF45L241易觸變UNF296毒性較大CF49L236低溫緩凝強(qiáng)分散劑加量2.0％。評價后選擇CF44L。穩(wěn)定劑的選擇優(yōu)化穩(wěn)定劑穩(wěn)定性能(Δρ)濾失性能（ml）自由液（％）備注CPAS0.02300STAB-F0.02220STAB-T0.06240.2HXC0.02320.2不配伍RHE0.02300不配伍分散劑加量0.4％。評價后選擇STAB-F。消泡劑的選擇優(yōu)化消泡劑水泥漿密度(g/cm3)備注有機(jī)硅X301.50不理想有機(jī)硅CX601L1.52效果較好聚醚類1.47消泡效果差磷酯類1.50高溫易分解復(fù)合消泡劑1.51不理想消泡劑加量0.2%，實(shí)際加量在0.05％即可。水泥漿基本配方1.5g/cm3密度水泥漿配方：500gG級水泥+280g淡水+25gCG88L降濾失劑+10gCF44L分散劑＋2.5gH21L緩凝劑＋2gSTAB-F穩(wěn)定劑＋90g漂珠＋1g消泡劑。1.6g/cm3密度水泥漿配方：500gG級水泥+280g淡水+25gCG88L降濾失劑+10gCF44L分散劑＋2.5gH21L緩凝劑＋5gSTAB-F穩(wěn)定劑＋45g漂珠+1g消泡劑。60℃低密度水泥漿配方1.5g/cm3配方：400gG級水泥+250g混合灰＋300g淡水＋(2-12g)ACC-Y＋20gCG88L＋8gCF44L＋130g漂珠+1g消泡劑1.6g/cm3配方：400gG級水泥+175g混合灰＋280g淡水＋(2-12g)ACC-Y＋20gCG88L＋8gCF44L＋112g漂珠＋1g消泡劑低密度水泥漿流變性能配方Φ600/Φ300

Φ200/Φ100Φ6/Φ3

1.5g/cm3—/233159/907/41.6g/cm3260/165102/575/3密度1.5g/cm3的流變性：n=0.86；密度1.6g/cm3的流變性：n=0.96；均能滿足項(xiàng)目要求流變性能應(yīng)滿足n>0.8，溫度對水泥漿的稠化性能影響項(xiàng)目要求稠化時間：60~420min，溫度為25~120℃,并要接近“直角”稠化，由基本①配方實(shí)驗(yàn)測得的具體數(shù)據(jù)如下：

壓力(MPa)

溫度(℃)

時間(min)常壓25340常壓40304206027140901996012067溫度對稠化性能的影響當(dāng)T=90℃，P=40MPa稠化時間199min90℃稠化曲線120℃稠化曲線120℃時,緩凝劑改為高溫型,其加量加量定為2%.

稠化時間:246min/120℃×60MPa不同溫度下的強(qiáng)度試驗(yàn)條件抗壓強(qiáng)度（MPa）

備注常壓25℃

3.2MPa常壓40℃

7.7MPa常壓60℃

14.3MPa常壓90℃

15.8MPa配方①1.5g/cm3強(qiáng)度實(shí)驗(yàn):溫度對抗壓強(qiáng)度影響1.5g/cm3密度備注抗壓強(qiáng)度（MPa）備注常壓25℃3.4MPa常壓40℃7.9MPa常壓60℃14.9MPa常壓90℃22.0MPa基本配方1.6g/cm3強(qiáng)度：不同溫度下的強(qiáng)度溫度對抗壓強(qiáng)度影響1.6g/cm3密度不同組成的水泥石抗壓強(qiáng)度配方密度(g/cm3）強(qiáng)度(MPa)實(shí)驗(yàn)條件①1.5724.2

常壓90℃②1.5313.9③1.5014.5④1.5016.1⑤1.5112.1①400gG級水泥+300g淡水+28gCG88L+8gCF44L+8gSTAB-F+70g漂珠+1g消泡劑+200g超細(xì)礦渣+4gACC②400gG級水泥+360g淡水+28gCG88L+14gCF44L+8gSTAB-F+70g漂珠+1g消泡劑+160g超細(xì)礦渣

③400gG級水泥+340g淡水+28gCG88L+12gCF44L+4gACC+8gSTAB-F+90g漂珠+1g消泡劑+100g超細(xì)水泥④400gG級水泥+300g淡水+28gCG88L+14gCF44L+4gACC+8gSTAB-F+80g漂珠+1g消泡劑+100g超細(xì)水泥⑤400gG級水泥+300g淡水+32gCG88L+8gCF44L+4gACC+8gSTab-F+80g漂珠+1g消泡劑溫度對水泥漿濾失性影響1.5g/cm3密度水泥漿失水研究

試驗(yàn)溫度(℃)API失水量(ml)自由液252004024060280803401003801133801.6g/cm3密度水泥漿失水研究

試驗(yàn)溫度(℃)API失水量(ml)自由液25220402406030080340100380溫度對水泥漿濾失性影響1.5g/cm3密度水泥漿配方：500gG級水泥+280g淡水+25gCG88L降濾失劑+10gCF44L分散劑＋10gH21L-H緩凝劑＋2gSTAB-F穩(wěn)定劑＋90g漂珠＋1g消泡劑。1.6g/cm3密度水泥漿配方：500gG級水泥+280g淡水+25gCG88L降濾失劑+10gCF44L分散劑＋10gH21L-H緩凝劑＋5gSTAB-F穩(wěn)定劑＋45g漂珠+1g消泡劑。水泥漿密度試驗(yàn)條件濾失性能（ml）1.5g/cm330min×7Mpa×120℃441.6g/cm330min×7Mpa×120℃46水泥漿120℃高溫高壓濾失性能1.5g/cm3溫度對流變性影響溫度(℃)Φ600/Φ300Φ200/Φ100Φ6/Φ320—/283180/1059/540—/241175/1078/560—/213150/807/480279/183132/806/41.5g/cm3高強(qiáng)混合灰強(qiáng)度配方：400gG級水泥+250g高強(qiáng)混合灰+300g淡水+(2-12g)ACC-Y+20gCG88L+8gCF44L+130g漂珠+1g消泡劑，混合灰62.5%條件ACC-Y加量(g)抗壓強(qiáng)度(MPa)常壓25℃410.2常壓25℃1213.1常壓40℃218.7常壓60℃226.5溫度對抗壓強(qiáng)度影響條件ACC-Y加量(g)抗壓強(qiáng)度(MPa)常壓25℃68.3常壓25℃1212.4常壓40℃214.2常壓60℃217.21.5g/cm3密度混合灰44%強(qiáng)度1.5g/cm3不同溫度的性能溫度（℃）ACC-Y加量(g)API失水量(ml/30M×7MPa)稠化時間(min/0.1MPa)25℃2－>30025℃122236940℃42615460℃2361737〞尾管段低密度水泥漿體系井段井深(TVD)水泥漿體系井底溫度循環(huán)溫度7〞2948m聚合物體系113℃87℃水泥漿配方：100份G級水泥＋56%淡水+19%漂珠+0.4%H21L+2%CF44L分散劑＋4%CG88L降濾失劑＋0.2%消泡劑+1%STAB-F穩(wěn)定劑水泥漿配方及流變性密度(g/cm3)Φ600/Φ300Φ200/

Φ100Φ6/

Φ31.50—/15096/515/3水泥漿配方：100份G級水泥＋56%淡水+19%漂珠+0.4%H21L+2%CF44L分散劑＋4%CG88L降濾失劑＋0.2%消泡劑+1%STAB-F穩(wěn)定劑水泥漿的綜合性能密度(g/cm3)強(qiáng)度(113℃×15MPa稠化(87℃×10MPa)濾失量(113℃×7MPa)自由液1.5026.2MPa240min38ml無水泥漿配方：100份G級水泥＋56%淡水+19%漂+0.4%H21L+2%CF44L分散劑＋4%CG88L降濾失劑＋0.2%消泡劑+1%STAB-F穩(wěn)定劑水泥漿87℃的稠化性能水泥漿的稠化時間在240分鐘，其從23BC到92BC