石英砂細(xì)度和摻量對(duì)G級(jí)油井水泥漿體系性能的影響

隨著世界發(fā)展對(duì)石油（氣）資源的需求量越來(lái)越大，石油（氣）資源的開(kāi)采難度不斷上升，因此深井、超深井的固井技術(shù)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(zhǎng)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(qiáng)度和膠結(jié)性能，從而使其滿足封固井質(zhì)量。為解決油井水泥石在高溫條件下（≥110℃）力學(xué)性能急劇衰退和滲透率升高等問(wèn)題，需要在G級(jí)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(xì)度、摻量對(duì)不同溫度下G級(jí)油井水泥漿體系性能的影響，為優(yōu)選和設(shè)計(jì)以G級(jí)油井水泥為基礎(chǔ)的深井、超深井水泥漿體系提供基礎(chǔ)和依據(jù)，并對(duì)油田固井具有較好的指導(dǎo)作用。

1、試驗(yàn)材料與方法1.1試驗(yàn)材料高抗G級(jí)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(jí)油井水泥化學(xué)成分，表2為石英砂的化學(xué)成分。表1Ｇ級(jí)抗硫酸鹽油井水泥化學(xué)成分%表2石英砂化學(xué)成分%1.2試驗(yàn)方法依據(jù)GB/T10238—2015《油井水泥》標(biāo)準(zhǔn)制備油井水泥漿。具體為將水泥、不同細(xì)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(yàn)可依據(jù)GB/T19139—2012《油井水泥試驗(yàn)方法》進(jìn)行水泥石高溫強(qiáng)度養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)壓力為20.7MPa，直至達(dá)到目標(biāo)溫度，后保溫至目標(biāo)齡期。從釜內(nèi)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(biāo)簽密封保存，防止測(cè)試前發(fā)生水化，用于微觀結(jié)構(gòu)觀察。

2、結(jié)果與討論2.1石英砂細(xì)度對(duì)G級(jí)油井水泥石強(qiáng)度的影響采用G級(jí)油井水泥和石英砂（細(xì)度為80μm篩篩余分別為5%、10%、15%、20%）為試驗(yàn)原材料，考察加入不同細(xì)度石英砂的G級(jí)油井水泥石在不同溫度下（80℃、110℃、130℃、160℃、180℃），養(yǎng)護(hù)齡期為1d、3d的強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律。其中石英砂內(nèi)摻加入量為30%。G級(jí)油井水泥石原漿在不同溫度下養(yǎng)護(hù)齡期為1d、3d的強(qiáng)度變化見(jiàn)圖1，石英砂細(xì)度對(duì)G級(jí)油井水泥石在不同溫度下養(yǎng)護(hù)齡期為1d、3d的強(qiáng)度的影響分別見(jiàn)圖2、圖3。圖1G級(jí)油井水泥在不同溫度下養(yǎng)護(hù)1d、3d的強(qiáng)度從圖1看出，G級(jí)油井水泥石原漿在低溫條件下隨著養(yǎng)護(hù)溫度升高呈現(xiàn)出抗壓強(qiáng)度上升趨勢(shì)，直到110℃時(shí)強(qiáng)度達(dá)到最高值，而后隨著養(yǎng)護(hù)溫度升高而下降，且養(yǎng)護(hù)3d齡期的下降規(guī)律比1d明顯。從圖1也可看出，經(jīng)180℃養(yǎng)護(hù)1d、3d后，抗壓強(qiáng)度降至110℃的20%~30%。這表明，G級(jí)油井水泥石原漿隨著溫度升高和養(yǎng)護(hù)時(shí)間增加而下降。原因可能在于G級(jí)油井水泥石原漿在110℃以?xún)?nèi)溫度范圍時(shí)，占水泥石組成成分最多的硅酸鹽水化物呈網(wǎng)絡(luò)狀形態(tài)，具有良好的膠結(jié)性能，是水泥石保持高強(qiáng)度的主要原因；而當(dāng)溫度超過(guò)110℃時(shí)，水泥石中出現(xiàn)了低強(qiáng)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(jié)構(gòu)，并由于該產(chǎn)物本身的性能及其相互間的聯(lián)結(jié)力較弱，因而使得水泥石的強(qiáng)度降低。圖2石英砂細(xì)度對(duì)G級(jí)油井水泥石的強(qiáng)度影響（齡期1d）圖3石英砂細(xì)度對(duì)G級(jí)油井水泥石的強(qiáng)度影響（齡期3d）從圖2、圖3綜合看出，在養(yǎng)護(hù)溫度80~110℃時(shí)，G級(jí)油井水泥石的抗壓強(qiáng)度穩(wěn)步增長(zhǎng)，且強(qiáng)度均高于加砂油井水泥石。與此同時(shí)，加砂油井水泥石在此階段強(qiáng)度發(fā)展較穩(wěn)定。當(dāng)溫度高于110℃時(shí)，隨著養(yǎng)護(hù)溫度和養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長(zhǎng)，G級(jí)油井水泥石抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)明顯的衰退趨勢(shì)，其在180℃強(qiáng)度衰退最明顯，與原始強(qiáng)度（80℃）相比，衰退率達(dá)75%。而加砂油井水泥石在130~160℃抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出增長(zhǎng)趨勢(shì)，與原始加砂油井水泥石強(qiáng)度（80℃）相比，增長(zhǎng)率可高達(dá)170%，但在180℃水泥石強(qiáng)度依舊呈現(xiàn)衰退現(xiàn)象，不過(guò)衰退率較低。試驗(yàn)結(jié)果表明，石英砂80μm篩篩余為5%~20%，均能防止水泥石強(qiáng)度在高溫下衰退。但當(dāng)石英砂細(xì)度為80μm篩篩余10%~15%時(shí)，加砂油井水泥石的抗壓強(qiáng)度最高，原因可能在于：根據(jù)顆粒緊密堆積原理，當(dāng)石英砂篩余為10%~15%，與G級(jí)油井水泥粒徑分布有一定的差距時(shí)，有利于提高水泥石的堆積密實(shí)度，填充了水泥硬化漿體中的微細(xì)孔隙，有利于改善水泥硬化漿體的微觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而達(dá)到提高水泥石強(qiáng)度的目的。因此選用80μm篩篩余15%作為石英砂的最佳細(xì)度。2.2石英砂摻量對(duì)G級(jí)油井水泥石強(qiáng)度的影響采用G級(jí)油井水泥和80μm篩篩余15%的石英砂為試驗(yàn)材料，考察加入不同摻量的石英砂（30%、32%、35%、38%、40%）對(duì)G級(jí)油井水泥石在不同溫度下（80℃、110℃、130℃、160℃、180℃）養(yǎng)護(hù)齡期為1d、3d的強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律，結(jié)果見(jiàn)圖4、圖5。圖4石英砂摻量對(duì)G級(jí)油井水泥石強(qiáng)度的影響（齡期1d）圖5石英砂摻量對(duì)G級(jí)油井水泥石強(qiáng)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(jīng)80℃養(yǎng)護(hù)1d、3d后的抗壓強(qiáng)度略呈現(xiàn)出隨石英砂摻量增加而下降趨勢(shì)；而經(jīng)110~180℃養(yǎng)護(hù)1d、3d，石英砂摻量超過(guò)35%時(shí)，加砂油井水泥石的抗壓強(qiáng)度大致都表現(xiàn)出明顯下降趨勢(shì)。這是因?yàn)槭鞘⑸皳搅窟^(guò)大時(shí)，水泥石結(jié)構(gòu)中會(huì)殘存一些產(chǎn)生點(diǎn)蝕或面蝕、表面伴生結(jié)晶產(chǎn)物的石英砂粒子，這些晶體粒子與石英砂的膠結(jié)性較弱，造成了水泥石的結(jié)構(gòu)完整性被破壞，從而引起抗壓強(qiáng)度的衰退。因此結(jié)合各個(gè)溫度段和養(yǎng)護(hù)齡期綜合考慮，石英砂的最佳摻量為30%~35%。從圖5可看出，經(jīng)110~160℃養(yǎng)護(hù)3d后的加砂油井水泥石，抗壓強(qiáng)度持續(xù)增長(zhǎng)，而經(jīng)180℃養(yǎng)護(hù)3d后的加砂油井水泥石抗壓強(qiáng)度衰退，與160℃相比，衰退率最高可達(dá)50%。那就可將160℃作為一個(gè)臨界衰退點(diǎn)。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(xué)反應(yīng)生成具有良好網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的雪硅鈣石（C5S6H5），這種產(chǎn)物本身具有較高的強(qiáng)度和較低的滲透率，可提高水泥石的致密度和強(qiáng)度。經(jīng)查資料表明，該物質(zhì)的最高穩(wěn)定溫度約為150~160℃，超過(guò)此溫度后將轉(zhuǎn)變?yōu)橛补桠}石（C6S6H）[6]，因其所形成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)相對(duì)較粗大，削弱了其強(qiáng)度，因此比能形成針狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的產(chǎn)物C5S6H5的強(qiáng)度低。所以超過(guò)160℃養(yǎng)護(hù)的加砂油井水泥石強(qiáng)度降低可能是由于C5S6H5轉(zhuǎn)變?yōu)镃6S6H的緣故。2.3水泥石的微觀形貌圖6為G級(jí)油井水泥石原漿在不同溫度條件下的微觀結(jié)構(gòu)，從圖6（a）看出水泥石原漿經(jīng)110℃養(yǎng)護(hù)3d所形成的硅酸鈣水化物能夠結(jié)成互相聯(lián)結(jié)的網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)較致密，主要以CSH凝膠為主，這種凝膠在常溫下對(duì)水泥石的強(qiáng)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(duì)較低聯(lián)結(jié)較密實(shí)并具有較高強(qiáng)度的水泥石。從圖6（b）看出，水泥石原漿經(jīng)180℃養(yǎng)護(hù)3d出現(xiàn)大量的板塊狀產(chǎn)物結(jié)構(gòu)（C2SH），該產(chǎn)物是一種低抗壓強(qiáng)度、高滲透率，比CSH凝膠更致密的晶體，會(huì)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(jié)晶將明顯變大，致使硬化漿體的結(jié)構(gòu)應(yīng)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(jī)械強(qiáng)度。圖7為加砂油井水泥石的微觀結(jié)構(gòu)，從圖7（a）看出，加砂量為30%的水泥石經(jīng)130℃養(yǎng)護(hù)3d的水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)致密，生成了相互搭接的針狀雪硅鈣石（C5S6H5），該產(chǎn)物結(jié)構(gòu)是一種結(jié)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(chēng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而使水泥石保持較高強(qiáng)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(yīng)的石英砂顆粒，而當(dāng)未參與反應(yīng)的SiO2堆積在水泥水化產(chǎn)物中時(shí)，破壞了水泥石的結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致水泥的強(qiáng)度下降，因此摻入過(guò)量的石英砂不利于水泥石的機(jī)械強(qiáng)度。圖6G級(jí)油井水泥石原漿的微觀結(jié)構(gòu)圖7加砂油井水泥石的微觀結(jié)構(gòu)2.4加砂G級(jí)油井水泥漿體系性能評(píng)價(jià)本文結(jié)合西南油田市場(chǎng)固井需求，設(shè)計(jì)水泥漿配方如表3所示，液固比為0.28。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。水泥漿的配制和性能評(píng)價(jià)均依據(jù)GB/T19139—2012《油井水泥試驗(yàn)方法》中的相應(yīng)規(guī)定進(jìn)行。表3水泥漿試驗(yàn)配方%表4物理性能指標(biāo)參數(shù)本試驗(yàn)配方優(yōu)選細(xì)度80μm篩篩余15%的石英砂和G級(jí)油井水泥為主要材料，與外加劑進(jìn)行配伍，設(shè)計(jì)了一套抗高溫高密度油井水泥漿體系。從表4可見(jiàn)，水泥漿各項(xiàng)性能指標(biāo)均能滿足油田技術(shù)指標(biāo)，且也能夠達(dá)到高溫固井對(duì)水泥石強(qiáng)度的要求。

3、結(jié)論（1）高溫條件下（≥110℃）G級(jí)油井水泥石原漿強(qiáng)度呈衰減趨勢(shì)。（2）細(xì)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(chǎn)物的硅鈣比降低至1.0，故可