6-低密度水泥浆

低孔低渗油气层固井水泥浆长江大学石油工程学院2008年07月26日许明标研究进展低密度水泥浆体系的现状颗粒级配紧密堆积,1.20～1.65g/cm3水泥浆。低密度减轻剂：粉煤灰、膨润土、矿渣、珍珠岩、泡沫等等。低密度材料上浮,浆体稳定性。须掺入稳定剂,防止水泥浆的分层。低密度水泥浆水泥石48h强度达到14MPa。超低1.10g/cm3的研究较少。不同的减轻材料性能(1)粉煤灰:火力发电厂煤粉燃烧熔融后排出的粉末状废物,具有火山灰特性的微细灰。主要成分为SiO2和Al2O3,粒径范围为0.5～300μm,密度为2.0～2.50g/cm3,价格便宜,购买方便。(2)微硅:硅钢或铁合金生产过程中分离出来的一种副产品,主要成分是SiO2,平均粒径0.10～0.15μm,具有较大的比表面积。密度2.50g/cm3,能使水泥石渗透率下降,提高抗腐蚀性能。(3)海泡石:白色质轻纤维状富镁硅酸盐矿物,由硅氧四面体和镁氧八面体组成。主要成分为SiO2和MgO,其结构中存在一系列晶道,具有极大的比表面积,密度一般为1.30～2.10g/cm3,热稳定性好,抗盐性好。(4)珍珠岩:属火山玻璃质熔岩,主要成分SiO2,为白色或浅灰色颗粒,绉褶的蜂窝结构,含有大量的空隙,具有较大的膨胀性。密度2.40g/cm3,堆积密度0.10～0.2kg/m3,可存比自重高5～6倍的水分。研磨成20～30目的颗粒,能形成膨胀珍珠岩水泥浆体系,具有减轻和降失水的良好性能。易上浮,需选择与其配伍稳定剂。不同的减轻材料性能(5)漂珠:粉煤灰在水中漂浮起来的球状颗粒,晒干后即成漂珠,具有密闭、粒细、质轻、壁薄、活性等性能。其视密度0.7g/cm3左右,漂珠配制的低密度水泥浆可达到较低密度。但由于漂珠本身强度较低,且漂珠外壳本身壁厚和形状的差异,在一定压力和混浆泵的搅拌下容易破碎。(6)人造空心玻璃微球:HGS中空玻璃微球是美国3M公司人工制造的空心微珠,是一种碱性硅硼酸钙盐,不溶于水和油,平均直径90μm,壁厚2～3μm,耐高温,化学稳定,破碎压力14～124MPa,能降低流体的粘度,改善流动性,具较高的强度和不可压缩性。其拉伸强度、抗压强度、杨氏模量均优于漂珠。HGS中空玻璃微球水泥浆体系在凝固时,收缩率非常低,能保证较好的胶结强度。目前国内已经可以生产人造的空心玻璃微珠,并有产品销售,但是性能与国外还有差距。3M漂珠与国产漂珠性能比较3M公司是最大的漂珠生产商，所生产的漂珠不溶于油和水。具有良好的耐温性和高强度,最高耐温600℃,最高抗压强度124MPa。3M空心玻璃微球作水泥浆减轻剂可使水泥浆密度降到0.90g/cm3,且破碎压力较高,泵送不会际密度有影响。3M空心玻璃微球可解决深井低压漏失地层和多级压力梯度固井的难题。低密度水泥浆要求(1)较好的稳定性:水泥浆浆体不发生分层离析,形成的水泥石纵向密度分布一致,析水小、体积收缩小。(2)合适的流变性和密度:选择的减轻剂类型和粒径,其配制水泥浆时用水量在所选择减轻剂的最大允许范围内。(3)较高的早期强度:兼顾水泥浆的流变性能和滤失量控制的情况下,改善水泥浆的抗压强度和稳定性。采用不同粒径的低密度材料通过紧密堆积辅以外加剂提高早期强度。细漂珠作减轻剂配制低密度水泥浆,在较低液固比时,可获得较低密度的水泥浆,从而使得水泥石的强度较高。选择微硅以及3M产品作为细颗粒充填材料。低密度水泥浆体系选择PVA低温低密度水泥浆体系聚合物淡水水泥浆体系胶乳水泥浆体系60℃PVA低密度水泥浆配方材料加量%备注固体混合材100作为计算基础配浆水54.3分散剂1.3缓凝剂0.2PVA低密度水泥浆性能性能指标性能指标密度（g/cm3）1.5自由液（ml）2.4流变性（Φ600）165稠化时间（Min/57℃）147滤失（ml）8×2抗压强度（PSI/57℃）21003M漂珠超低密度水泥浆（资料）组成加量组成加量水泥100%充填剂31.5%自来水293%充填增强剂112.5%3M漂珠225%防窜剂6.0%液体降失水剂8%液体减阻剂4%3M漂珠超低密度水泥浆（资料性能指标性能指标密度（g/cm3）1.04自由液（ml）0;流动度（cm）20;稠化时间（Min/80℃）262min(50MPa)滤失（ml）42抗压强度（Mpa/80℃）9(0.1MPa)高温聚合物低密度水泥浆适用静止温度范围：25～150℃；水泥浆密度：1.50～1.60g/cm3；初始稠度：15～30BC；游离液：低于0.8%；流变性：良好，n≤0.8；API失水：≤50ml/(25～120℃)×7MPa×30min；稠化时间：60～420min/25～120℃，“直角”凝固；抗压强度：在各种密度条件下都能满足工程需要。降滤失剂的选择优化降滤失剂滤失性能（ml/30min.80℃.6.9MPa）备注CG706L42滤失略大CG704L38沉降稳定性差CG80L18抗污性差CG88L20滤失性好CG81L28流变性性好缓凝剂的选择优化缓凝剂缓凝性能(min/90℃)备注H21L－L110缓凝性能差H21L－M199性能较好H21L－H>300稠化时间太长H63L>300稠化时间太长H30L>300稠化时间太长缓凝剂加量0.5％。评价后选择H21L－M。H63L、H30L及H21L－H适合于在温度高于120℃以上使用。分散剂的选择优化分散剂分散性能(Φ300)备注CF46L252易触变CF44L233综合性能好CF45L241易触变UNF296毒性较大CF49L236低温缓凝强分散剂加量2.0％。评价后选择CF44L。稳定剂的选择优化稳定剂稳定性能(Δρ)滤失性能（ml）自由液（％）备注CPAS0.02300STAB-F0.02220STAB-T0.06240.2HXC0.02320.2不配伍RHE0.02300不配伍分散剂加量0.4％。评价后选择STAB-F。消泡剂的选择优化消泡剂水泥浆密度(g/cm3)备注有机硅X301.50不理想有机硅CX601L1.52效果较好聚醚类1.47消泡效果差磷酯类1.50高温易分解复合消泡剂1.51不理想消泡剂加量0.2%，实际加量在0.05％即可。水泥浆基本配方1.5g/cm3密度水泥浆配方：500gG级水泥+280g淡水+25gCG88L降滤失剂+10gCF44L分散剂＋2.5gH21L缓凝剂＋2gSTAB-F稳定剂＋90g漂珠＋1g消泡剂。1.6g/cm3密度水泥浆配方：500gG级水泥+280g淡水+25gCG88L降滤失剂+10gCF44L分散剂＋2.5gH21L缓凝剂＋5gSTAB-F稳定剂＋45g漂珠+1g消泡剂。60℃低密度水泥浆配方1.5g/cm3配方：400gG级水泥+250g混合灰＋300g淡水＋(2-12g)ACC-Y＋20gCG88L＋8gCF44L＋130g漂珠+1g消泡剂1.6g/cm3配方：400gG级水泥+175g混合灰＋280g淡水＋(2-12g)ACC-Y＋20gCG88L＋8gCF44L＋112g漂珠＋1g消泡剂低密度水泥浆流变性能配方Φ600/Φ300

Φ200/Φ100Φ6/Φ3

1.5g/cm3—/233159/907/41.6g/cm3260/165102/575/3密度1.5g/cm3的流变性：n=0.86；密度1.6g/cm3的流变性：n=0.96；均能满足项目要求流变性能应满足n>0.8，温度对水泥浆的稠化性能影响项目要求稠化时间：60~420min，温度为25~120℃,并要接近“直角”稠化，由基本①配方实验测得的具体数据如下：

压力(MPa)

温度(℃)

时间(min)常压25340常压40304206027140901996012067温度对稠化性能的影响当T=90℃，P=40MPa稠化时间199min90℃稠化曲线120℃稠化曲线120℃时,缓凝剂改为高温型,其加量加量定为2%.

稠化时间:246min/120℃×60MPa不同温度下的强度试验条件抗压强度（MPa）

备注常压25℃

3.2MPa常压40℃

7.7MPa常压60℃

14.3MPa常压90℃

15.8MPa配方①1.5g/cm3强度实验:温度对抗压强度影响1.5g/cm3密度备注抗压强度（MPa）备注常压25℃3.4MPa常压40℃7.9MPa常压60℃14.9MPa常压90℃22.0MPa基本配方1.6g/cm3强度：不同温度下的强度温度对抗压强度影响1.6g/cm3密度不同组成的水泥石抗压强度配方密度(g/cm3）强度(MPa)实验条件①1.5724.2

常压90℃②1.5313.9③1.5014.5④1.5016.1⑤1.5112.1①400gG级水泥+300g淡水+28gCG88L+8gCF44L+8gSTAB-F+70g漂珠+1g消泡剂+200g超细矿渣+4gACC②400gG级水泥+360g淡水+28gCG88L+14gCF44L+8gSTAB-F+70g漂珠+1g消泡剂+160g超细矿渣

③400gG级水泥+340g淡水+28gCG88L+12gCF44L+4gACC+8gSTAB-F+90g漂珠+1g消泡剂+100g超细水泥④400gG级水泥+300g淡水+28gCG88L+14gCF44L+4gACC+8gSTAB-F+80g漂珠+1g消泡剂+100g超细水泥⑤400gG级水泥+300g淡水+32gCG88L+8gCF44L+4gACC+8gSTab-F+80g漂珠+1g消泡剂温度对水泥浆滤失性影响1.5g/cm3密度水泥浆失水研究

试验温度(℃)API失水量(ml)自由液252004024060280803401003801133801.6g/cm3密度水泥浆失水研究

试验温度(℃)API失水量(ml)自由液25220402406030080340100380温度对水泥浆滤失性影响1.5g/cm3密度水泥浆配方：500gG级水泥+280g淡水+25gCG88L降滤失剂+10gCF44L分散剂＋10gH21L-H缓凝剂＋2gSTAB-F稳定剂＋90g漂珠＋1g消泡剂。1.6g/cm3密度水泥浆配方：500gG级水泥+280g淡水+25gCG88L降滤失剂+10gCF44L分散剂＋10gH21L-H缓凝剂＋5gSTAB-F稳定剂＋45g漂珠+1g消泡剂。水泥浆密度试验条件滤失性能（ml）1.5g/cm330min×7Mpa×120℃441.6g/cm330min×7Mpa×120℃46水泥浆120℃高温高压滤失性能1.5g/cm3温度对流变性影响温度(℃)Φ600/Φ300Φ200/Φ100Φ6/Φ320—/283180/1059/540—/241175/1078/560—/213150/807/480279/183132/806/41.5g/cm3高强混合灰强度配方：400gG级水泥+250g高强混合灰+300g淡水+(2-12g)ACC-Y+20gCG88L+8gCF44L+130g漂珠+1g消泡剂，混合灰62.5%条件ACC-Y加量(g)抗压强度(MPa)常压25℃410.2常压25℃1213.1常压40℃218.7常压60℃226.5温度对抗压强度影响条件ACC-Y加量(g)抗压强度(MPa)常压25℃68.3常压25℃1212.4常压40℃214.2常压60℃217.21.5g/cm3密度混合灰44%强度1.5g/cm3不同温度的性能温度（℃）ACC-Y加量(g)API失水量(ml/30M×7MPa)稠化时间(min/0.1MPa)25℃2－>30025℃122236940℃42615460℃2361737〞尾管段低密度水泥浆体系井段井深(TVD)水泥浆体系井底温度循环温度7〞2948m聚合物体系113℃87℃水泥浆配方：100份G级水泥＋56%淡水+19%漂珠+0.4%H21L+2%CF44L分散剂＋4%CG88L降滤失剂＋0.2%消泡剂+1%STAB-F稳定剂水泥浆配方及流变性密度(g/cm3)Φ600/Φ300Φ200/

Φ100Φ6/

Φ31.50—/15096/515/3水泥浆配方：100份G级水泥＋56%淡水+19%漂珠+0.4%H21L+2%CF44L分散剂＋4%CG88L降滤失剂＋0.2%消泡剂+1%STAB-F稳定剂水泥浆的综合性能密度(g/cm3)强度(113℃×15MPa稠化(87℃×10MPa)滤失量(113℃×7MPa)自由液1.5026.2MPa240min38ml无水泥浆配方：100份G级水泥＋56%淡水+19%漂+0.4%H21L+2%CF44L分散剂＋4%CG88L降滤失剂＋0.2%消泡剂+1%STAB-F稳定剂水泥浆87℃的稠化性能水泥浆的稠化时间在240分钟，其从23BC到92BC