石英砂加量对高密度水泥石高温衰减的影响_秦宏宇.pdf

2020年第10期西部探矿工程 * 收稿日期 2019-12-23 第一作者简介 秦宏宇 （1982-） ， 男 （汉族） ， 甘肃酒泉人， 工程师， 现从事固完井技术工作。 石英砂加量对高密度水泥石高温衰减的影响 秦宏宇*， 王世永， 李超，蔡东胜 （中石油玉门油田分公司钻采工程研究院， 甘肃 酒泉 735019） 摘要 在205℃温度下开展2.1g/cm3密度G级水泥石2d、 15d的抗压强度测试， 分析石英砂加量对 水泥石强度的影响， 结果表明， 高密度水泥石高温下强度衰退明显， 加入85的石英砂可以提高水泥 石的长期强度， 为合理设计深井抗高温高密度水泥浆提供依据。 关键词 高温； 高密度水泥浆； 石英砂； 强度 中图分类号 TE256 文献标识码 A 文章编号 1004-5716202010-0059-04 随着油气勘探开发的不断深入， 勘探开发逐渐转 向深层目标， 深井、 超深井钻探越来越多， 钻遇的高压 和高温等问题突出， 部分井的地层压力系数超过2.0， 井底静止温度达到了200℃。常规密度的油井水泥在 高温条件下水泥石强度衰退明显， 不能满足固井封固 的要求， 研究表明普通G级油井水泥通过掺加石英砂 能够有效抑制高温下水泥石的强度衰退， 井温大于 110℃， 推荐石英砂加量35～40， 井温超过200℃， 推 荐石英砂加量50， 硅钙比达到1 ∶ 1。但是现有的研究 对高密度水泥石的石英砂加入比例未给出评价， 本文 将以2.1g/cm3高密度水泥石为研究对象， 开展不同石 英砂加入比例的水泥石强度测试， 得出高密度水泥石 抗高温衰减的合理石英砂加量。 1实验材料和仪器 1.1实验材料 实验材料包括G级油井水泥 （四川嘉华、 葛洲坝） 、 石英砂 （50目、 200目、 300目） 、 加重材料GM-1、 重晶 石、 降失水剂 BCG-200L （天津渤星） 、 缓凝剂BCR- 260L （天津渤星） 、 自愈合剂BCY-200S （天津渤星） 等。 1.2实验方法 水泥浆按照API规范进行制备， 水泥浆体密度为 2.1g/cm3。水泥石试模为标准的50.8mm立方体， 水泥 石在高温 （205℃/20.7MPa） 分别养护2d和15d， 测试水 泥石的抗压强度。 水泥浆基础配方 G级油井水泥40～100石英 砂40～90加重剂1悬浮BCJ-300S5降失水 剂BCJ-200L4～5缓凝剂BCR-260L5自愈合 剂BCY-200S消泡剂水。 2实验结果及讨论 2.1石英砂加量对水泥石抗压强度的影响 前期的研究成果表明[1-5]， 普通硅酸盐油井水泥在 110℃以下， 水化产物主要为CHS、 C2SH2、 钙矾石及单 硫水化硫铝酸钙， 水泥中产物以CSH凝胶为主， 这些 凝胶能够在水泥石中形成三维空间网络结构， 对水泥 石的强度及外观稳定性起着决定性作用。当温度大于 110℃时， CSH凝胶转变为高碱性水化硅酸二钙水合物 C2SH， 形成较大的结晶， 在水泥石中结成渗透率相对 较高、 强度较低的板块状物料， 削弱水泥石强度； 当温 度进一步提高时， 其水化物结晶程度受到限制晶体脱 水， 水泥石孔隙增大， 影响水泥石的强度。为防止水泥 石高温强度衰退， 在水泥中添加高温稳定剂石英 砂 （SiO2） ， 石英砂吸收水泥水化时析出的氢氧化钙， 降 低液相中的Ca2浓度， 打破了C2SH2或C2SH （A） 等高 钙水化硅酸盐的水化平衡， 生成低硅钙酸盐C5S6H 和硬硅钙石C6S6H， 这2种单体的强度可达到32MPa以 上， 提高了硅酸盐水泥在高温下的强度和热稳定性。 依据前期常规密度硅酸盐水泥强度衰减的研究， 初期配置的高密度的水泥浆分别掺入40、 45、 50、 55比例的石英砂 （200目） ， 水泥浆密度2.1g/cm3， 制 作水泥石试模， 养护2d和15d， 从表2可见， 对比2d和 15d的水泥石抗压强度， 15d养护后抗压强度衰退均比 较严重， 水泥石强度低于10MPa， 抗压强度衰退80以 上， 部分水泥石试模出现了开裂现象， 见图1、 图2。 后期配置的高密度水泥浆掺入70、 85、 100石 59 2020年第10期西部探矿工程 英砂， 养护2d和15d， 从表1可见， 对比2d和15d的水泥 石抗压强度， 加量70的水泥石抗压强度衰退60， 加 量85的水泥石15d养护后抗压强度25.2MPa， 强度衰 退 23， 加量 100的水泥石 15d 养护后抗压强度 18.7MPa， 强度衰退15。 从上述实验可以得出， 依据常规密度水泥浆抗高 温稳定剂石英砂30～40加入比例， 高密度水泥石高 温下长期抗压强度衰退严重； 高密度水泥浆抗高温稳 定剂石英砂的掺入比例达到85， 高温下长期抗压强 度衰退比例23， 抗压强度达到25.2MPa。因此高密 度水泥浆石英砂的加入比例应依据加重材料的比例和 温度条件进行调整。 图115d50硅粉脱模后水泥石碎裂图215d55硅粉脱模后水泥石碎裂 表1不同石英砂掺量的抗压强度实验 配方 序号 1 2 3 4 5 6 7 水泥浆主要构成 （） G级水泥 100 100 100 100 100 100 100 200石英砂 40 45 50 55 70 85 100 GM-1 40 40 40 40 50 60 75 悬浮剂 1 1 1 1 1 1 1 自愈合剂 5 5 5 5 5 5 5 降失水剂 5 5 5 5 5 5 5 缓凝剂 4.7 4.7 4.7 4.7 4.7 4.7 4.7 水 57 58 59 60 68 78 86 密度 （g/cm3） 2.1 2.1 2.1 2.1 2.1 2.1 2.1 2d抗压强 度 （MPa） 32.7 37.5 34.6 38.5 31.6 32.6 21.9 15d抗压强 度 （MPa） 5.2 5.8 6.5 7.2 9.5 25.2 18.7 2.2外惨料种类对水泥石抗压强度的影响 实验用加重材料GM-1 （50） 、 重晶石 （70） 、 300 目石英砂、 200目石英砂和50目石英砂， 配置2.1g/cm3 水泥浆， 石英砂掺入量70， 制作水泥石试模， 放入加 压养护釜中 （205℃/20.7MPa） 分别养护2d和15d， 测试 水泥石的抗压强度。 从表2可见， 对比加入相同粒径和比例的石英砂， 不同加重材料GM-1和重晶石的水泥浆配方， 高温养 护2d后， 水泥石抗压强度发展较快， 大于20MPa， 水泥 石抗压强度差异不明显， 养护15d后， 不同加重材料配 置的水泥石抗压强度均衰退明显， 但掺入加重材料 GM-1的水泥石强度衰退低于掺入重晶石的水泥石。 对比掺加相同加重材料， 不同粒径石英砂配置的 水泥浆， 养护 2d， 水泥石抗压强度发展较快， 均大于 20MPa， 水泥石抗压强度差异不明显， 养护15d后， 水泥 石强度均衰退明显， 但掺入200目和300目石英砂的水 泥石抗高温衰退能力高于50目石英砂。 从实验数据得出不同加重材料对水泥石高温下强 度衰退无决定性的影响， 但由于加重材料密度的不同， 配置密度相同的水泥浆所需加重材料的比例变化， 导 60 2020年第10期西部探矿工程 致水泥石高温下强度衰退存在差异。 石英砂的目数越高， 石英砂颗粒粒径越小， 水泥石 高温强度越高。分析[6-7]粒径较大的硅粉比表面积较 小， 与水泥水化过程中产生的氢氧化钙发生反应时， 反 应速度较慢， 而且反应也不够充分， 而粒径较小的石英 砂比面积较大， 反应速度快， 参与的反应也比较充分。 表2外惨料种类对水泥石抗压强度实验 配方 序号 1 2 3 4 5 6 水泥浆主要构成 （） G级水泥 100 100 100 100 100 100 300目石英砂 70 70 200目石英砂 70 70 50目石英砂 70 70 GM-1 50 50 50 重晶石 90 90 90 水 68 70 68 70 68 70 密度 （g/cm3） 2.1 2.1 2.1 2.1 2.1 2.1 2d抗压强度 （MPa） 24.5 23.4 31.6 26.8 25.2 24.6 15d抗压强 度 （MPa） 8.6 4.6 9.5 5.0 3.5 4.2 2.3外加剂对水泥石强度的影响 高温下水泥浆稠化时间大幅度缩短， 为了满足固 井施工安全， 高密度水泥浆需加入适量的缓凝剂， 延长 水泥浆的稠化时间， 使之满足深井固井对稠化时间的 要求。实验所用缓凝剂BCR-260L和BCR300L是一 种共聚物类的有机酸盐， 能吸附水泥颗粒表面， 阻止颗 粒间的聚结， 缓凝效果良好。 实验结果见表3， 对比配方1、 2、 3、 4， 水泥浆中 加入缓凝剂和自愈合剂后稠化时间大幅度提高， 能够 满足深井高温固井施工要求。此外， 4种配方的水泥石 养护15d后， 水泥石强度衰退基本一致。得出高温下水 泥石强度衰退与外加剂 BCY-200S、 BCG-300S 和 BCR-260L无直接关系， 排除了外加剂对水泥石强度 的影响。 表3不同外加剂对水泥石强度的影响实验 配方 序号 1 2 3 4 水泥浆主要构成 （） G级 水泥 100 100 100 100 200目 石英砂 70 70 70 70 GM-1 40 40 40 40 自愈 合剂 / / 5 5 缓凝剂 BCR-260L / 4.7 / 4.7 缓凝剂 BCR-300L / / 4.7 / 水 68 68 68 68 密度 （g/cm3） 2.1 2.1 2.1 2.1 稠化时间 （170℃/ 120MPa/80min， min） 87 265 270 261 2d抗压 强度 （MPa） 30.4 28.9 31.6 32.4 15d抗压 强度 （MPa） 8.9 8.6 9.5 11.2 3认识与结论 （1） 高密度水泥浆抗高温稳定剂石英砂的加入比 例远高于常规水泥浆， 应依据加重剂的比例和温度条 件进行调整。 （2） 不同加重剂对水泥石高温下强度衰退无决定 性的影响， 但由于加重材料密度的不同， 配置密度相同 的水泥浆所需加重材料的比例变化， 水泥石高温下强 度衰退存在差异。 （3） 石英砂的目数越高， 石英砂颗粒粒径越小， 水 泥石高温强度越高。200目的石英砂能够满足水泥石 抗高温衰退的需求。 参考文献 [1]代奎，孙超，张景富， 佟卉， 姜涛.高温下G级油井水泥强度的 衰退及合理硅砂加量[J].大庆石油学院学报，2004，285. 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