高密度油气井水泥浆的研制及应用.docx

1原材料及试验方法

1.1原材料

1.1.1G级油井水泥

油井水泥是水泥石的主要胶结材料。铜川药王山水泥有限公司G级水泥质量高，性能稳定，触变性良好，与外加剂有较好的配伍性，在油井固井作业中使用广泛。因此，在本文的试验中选用药王山G级油井水泥。其物理性能指标、粒径分布分别如表1、表2所示。

表1G级油井水泥性能指标

表2G级油井水泥粒径分布特征值μm

从表1、表2数据可看出，药王山G级油井水泥各项物理性能指标达到企业内控指标要求，且平均颗粒较细，故而与水泥浆的其他固相颗粒间具有合理的颗粒粒径分布。同时水泥浆分别静置5min、10min后流动性均较好，表示浆体触变性良好，为高密度油气井水泥浆的研制提供了性能稳定的胶结材料。

1.1.2加重剂的优选

产地：峨眉山市托阳油田工程技术有限公司。加重剂的作用是提高水泥浆密度，故加重剂的选择是高密度水泥浆体系的关键因素。一般认为加重剂应当满足下列条件：较高的密度，较小的需水量，较好的球形度和合理的粒径分布。不同加重剂的性能对比如表3所示。

表3不同加重剂的性能对比

综上所述，重晶石需水量大，会引起高密度水泥石力学性能降低，且在酸化时难以被酸溶解；赤铁矿可作为配制高密度水泥浆体加重剂材料，但需水量较大，配制出的浆体较稠，酸化时也不易被溶解。磁铁矿粉对水泥石的稠化时间和抗压强度影响相对较小，且悬浮性较好，同时查资料可知形貌趋于球形，解决了研制高密度水泥浆流动性问题。因此综合考虑高密度水泥浆性能和经济性原则，可采用密度为6.0g/cm3的磁铁矿粉作为加重剂进行高密度水泥浆研究。

1.1.3高温稳定剂（石英砂）

产地：河北灵寿裕川石英砂厂。当井底静止温度≥110℃时，水泥石强度在高温条件下会急剧衰退，从而影响油气井使用寿命。有研究表明，当石英砂加量30%~40%时，能够防止水泥水化产物转化为多孔疏松形态，从而使水泥石能够保持较高的强度和较低的渗透率。

通常高密度油气井水泥浆在高温高压条件下应用，故本文需在水泥浆体中加入石英砂，可有效防止水泥石强度衰退。

1.1.4悬浮稳定剂（微硅）

产地：灵寿县诚德矿产品加工厂。浆体的沉降稳定性是配制高密度油气井水泥浆成功的关键因素。高密度水泥浆多用于深井、超深井，使用温度高。微硅不仅性能稳定，具有优越的耐高温性能，且能改善水泥浆水化产物的耐温性能。同时均匀分散后使水泥浆液相变为稳定的溶胶，使其水泥颗粒悬浮在溶胶中不易沉降，因此微硅水泥浆析水率极小，利于改善水泥界面的胶结，提高固井质量。故选用微硅作为高密度水泥浆体系的稳定剂。

1.1.5其他固相材料

产地：四川川庆井下科技有限公司。本文选用膨胀剂、增强剂、柔性剂、分散剂作为改善水泥石工程性能指标材料，相互作用可有效改善水泥石的力学性能，也可在水泥中抵消干缩或温度骤降引起的拉应力，起到良好的补偿收缩作用，从而提高水泥石的抗裂防渗能力。

1.1.6外加剂体系

实践表明，固井水泥浆具有良好的综合性能是保证固井质量的关键因素之一，而水泥和水泥浆外加剂的性能共同决定固井水泥浆的性能。所以，水泥浆外加剂与水泥配伍是设计水泥浆配方成功的关键因素之一。

分散剂、降失水剂和缓凝剂等外加剂之间可能存在相互影响、相互抵触的情况。因此，外加剂均来自四川川庆井下科技有限公司。

1.2试验方法

本文中水泥浆的配制和性能评价，均依据GB/T19139—2012《油井水泥试验方法》中的相应规定进行。

2高密度油气井水泥浆综合性能评价

2.1配方研究

提高水泥浆密度的主要途径是降低水灰比和增加加重剂与水泥的比例。但是在配制过程中不能无限降低水灰比，所以结合颗粒级配技术，需提高水泥浆体系的堆积密度。采用紧密堆积理论以颗粒级配技术为依托，将不同粒径大小的颗粒排列堆积，实现良好的孔隙充填，并相应提高颗粒间的范德华力，从而提高水泥石的综合性能。

基于高密度固井水泥浆的设计理论和材料优选，并通过不断微调水泥浆试验配方，最终调配出适应循环温度为120℃，密度为2.10g/cm3、2.30g/cm3的高密度水泥浆基本配方。基本配方为：G级油井水泥+磁铁矿粉TYJ+悬浮稳定剂（微硅）＋高温稳定剂（石英砂）+柔性剂SD77+膨胀剂SDP-1+增强剂SD100+分散剂SD35+降失水剂（SD130液体）+缓凝剂（SD210）+水。并评价其水泥浆综合性能。具体配方如表4所示。

表42.10g/cm3、2.30g/cm3高密度油气井水泥浆试验配方

2.2性能指标评价

高密度水泥浆体系物理性能指标见表5，沉降稳定性见表6。表7是根据六速旋转黏度计测定的水泥浆的流变性能。

表5物理性能指标参数

表6高密度水泥浆体系沉降稳定性

表7高密度水泥浆体系不同测定转速下的读数

通常高密度水泥浆中由于加入了加重剂材料，会造成