低密度水泥浆配制技术

用正常水灰比配制出的纯水泥浆的密度均大于1.8g/cm3，不少地层不能承受这种密度水泥浆的液柱压力。低密度水泥浆是为适应多种复杂固井而开发的一类特殊水泥浆体系，主要应用于：⑴ 易漏失地层和低压力梯度地层固井，防止水泥浆漏失和储层污染，保护油气层；⑵ 封固气井或地层中含有严重腐蚀性水或气的油井，该类井要求全井封固，既增加油气井的密封性能又保护套管免遭腐蚀，都需降低水泥浆的密度；⑶ 超深井固井即使采用分级注水泥技术，也需要尽可能的降低水泥浆柱的静压力，以便在较低的泵压下获得较好的固井质量；⑷ 欠平衡钻井配套固井，欠平衡钻井主要利用一些非常规方法、常规或非常规流体（气相、气液两相、泡沫等）、非常规设备等解决勘探开发中复杂储层钻井过程中的有关难题，由于它的非常规性，对固井提出了更高的要求，欠平衡钻井固井配套技术实质就是要解决欠平衡钻井后的近平衡固井问题，这意味着要特别关注选择合理的固井压差，适宜的固井水泥浆密度以及合理的施工工艺。
目前，低密度水泥浆已成为一种很重要的水泥浆体系，广泛应用于国内外各油田固井作业中。而固井技术的进步，固井新材料的应用，使低密度水泥浆种类和性能日趋完善。
一、发展概况和趋势
60年代初，在中东、前苏联、美国墨西哥湾等地区已广泛成功地使用了以膨润土、硅藻土、膨胀珍珠盐、水玻璃、硅质充填物等材料配置的低密度水泥浆，用这类材料配置具有合适强度的水泥浆最低密度极限是1.318g/cm3。70年代国外研究了两种超低密度水泥浆，一种是高强度空心玻璃微珠水泥浆，另一种是泡沫水泥，1997年美国在西德克萨斯的Sprabrry油田，使用泡沫水泥(密度0.82~1.14g/cm3，失水≤200mL)解决了该地区丙烷气层和几层漏失层及腐蚀水层的水泥返高问题。但一般来讲，这些低密度水泥浆具有较低的强度，大部分作为充填浆封固非目的层。90年代后期，美国斯仑贝谢公司的REPVIL等将紧密堆积理论应用于固井水泥浆的设计，开发了以LITECRETE为标志的新一代低密高强水泥浆，其主要思路在于正确选择用于干混合的组分，具有优化的颗粒级配和重量配比，水泥中大小颗粒互相填充，在保证水泥浆流变性的情况下，增加单位体积水泥浆中的固相量，使体系达到紧密堆积的效果。体系的堆积状态可用干混堆积分数来描述，干混物堆积体积分数是衡量颗粒之间给定密实度状态时的相容能力一个参数。PVF定义为混合固相颗粒所占据的空间体积除以相同颗粒干混材料处于最大紧密堆积状态占据的体积，即：
PVF=∑绝对体积/∑散装体积。
干混材料的堆积体积分数也可描述为：
PVF=1-干混材料空隙度
PVF值可用混合物固相的不同颗粒尺寸分布（PSD）来预测，在给定的密度下较高的PVF值通过3种或更多种不同尺寸的固相颗粒优化来获得。斯仑贝谢公司，通过颗粒尺寸分布(PDS)优化设计,低密度水泥浆体系混合物的PVF通常可超过0.80,由于固相含量高,混合需水量低,抗压强度发展快、强度高,水泥石渗透率小于0.05×10-3μm2，孔隙度一般20%~45%，水泥石收缩小，具有较好的防窜能力和层间封隔能力，水泥浆性能和常规水泥浆相媲美。1998年用低密高强技术在北非、北海等地区固井257口，并取得了良好的效果。第五届新加坡国际论坛年会2001年亚洲上游会议，美斯仑贝谢油田服务公司又提出了“可替代泡沫水泥的低密高强水泥浆”水泥浆密度可低至0.96g/cm3，并在科威特、委内瑞拉等地进行了成功应用，成为该领域的先导者。
国内地层漏失现象较为常见，开发的低密度水泥浆体系有微硅低密度、粉煤灰低密度、矿渣低密度、微珠低密度、沸石低密度、泡沫水泥等，在新疆、辽河、中原、长庆等油田得到较多应用，解决了漏失或返高不够的问题，但水泥浆密度相对较高（1.4g/cm3以上），强度低，大部分仅作为充填水泥。
二、实现低密度的途径
水泥浆密度的降低一般通过掺入低密度材料来实现，水泥浆减轻剂按其减轻原理划为两类，一类主要有：膨润土、硅藻土、粉煤灰、硬沥青、膨胀珍珠岩、火山灰、水玻璃以及一些超细粉末等，这一类减轻剂除硬沥青外一般为一些吸水或增粘物质，其水泥浆密度大小主要取决于水灰比大小，而不是以减轻剂本身密度大小或掺量多少而定。由于在相同密度下这一类低密度水泥浆的水灰比较大，因而导致游离液含量较大、失水量较难控制、强度低、渗透率高，优点是成本较低。另一类减轻剂主要是依靠减轻剂本身来降低水泥浆密度。这一类低密度水泥浆密度大小主要取决于减轻剂本身密度大小和掺量多少。一般说来，在相同密度下这一类低密度水泥浆水灰比较小，因而使水泥浆具有较低的游离液含量、相对高的强度和较低的渗透率。微珠和化学发泡剂均为此类。其中比较方便比较有效的是微珠，微珠来源于电厂的废弃物，是一种空心、密闭、壁薄、粒细的玻璃球体，其有效密度为0.7g/cm3左右，在水泥浆中其表面具有一定活性。因而广泛应用于各类低密度水泥浆的配制中。
三、 低密度水泥浆体系
1 、膨润土低密度水泥浆
实验表明膨润土低密度水泥浆体系适宜的密度为1.53~1.58g/cm3。膨润土掺量为水泥重量的8~10%。若采用预水化膨润土，达到相同的密度，则2%的预水化膨润土相当于8%的干混膨润土效果。
美国API规范推荐每增加1g膨润土，用水量增加5.3mL，而在实际应用时，由于膨润土的质量不同，考虑到水泥浆的流动性，用水可作上下调节，在流动性较差的情况下，常用减阻剂来改善。膨润土低密度能与大多数外加剂相容，但由于膨润土具有极强的吸附性，有些外加剂可能被吸附，因此外加剂的掺量应根据需要按照有关标准进行实验后确定。由于膨润土具有良好的保水性，添加膨润土的水泥浆的游离水及失水量会有所减少。预水化膨润土，由于膨润土已经充分膨胀吸水，因此配出的水泥浆与干混相比，游离水量大、流动性差、稠化时间长、强度低、渗透性高，实际应用时干混为好。
密度为1.50~1.60g/cm3的膨润土低密度水泥浆，使用范围为40~100℃，其24h抗压强度为4.5~8.0MPa，膨润土的层状结构在温度高于100℃时，发生结构错动或扭偏，强度急剧下降。膨润土低密度水泥用于分级注水泥的领浆，做充填水泥使用。它具有货源广，成本低，使用方便等优点。
2、粉煤灰低密度水泥
通常粉煤灰的掺量占干水泥重量的60%~120%，相应的水泥浆密度为1.68~1.55g/cm3。
粉煤灰低密度水泥不仅比其他低密度水泥具有较高的强度，而且具有较好的抗渗透性和抗硫酸盐腐蚀能力。但存在游离水大、稠化时间长等缺点。针对粉煤灰水泥浆稠化时间长、自由水多、体积收缩大、低温下强度低的特点，开发了一种具有促凝及增强作用的T-90外加剂，这种外加剂是由无机盐复合而成。它不但调节水泥浆的稠化时间，而且可使水泥浆的自由水接近于零，水泥石的体积收缩明显减小。
3 、漂珠低密度水泥
漂珠具有和粉煤灰相同的化学组成，只是密闭的空心球形内包含氮气和二氧化碳。视密度为0.7g/cm3左右，国内和国外的产品化学组成也基本相同。
中国石油集团工程技术研究院的高强低密度水泥浆体系，用T-50外加剂改善了漂珠低密度水泥浆的性能，使其真正的具有了低密度、高强度、低失水、体系稳定等友谊特性。长庆油田陕甘宁盆地，地层压力低，目的层多，上部洛河层、安定层、富县层极易漏失，加上封固段特别长，采用低密度水泥浆固井十分需要，象顺红柳沟区块，水泥浆密度要求低达1.20g/cm3。为此工程院针对现场实际，研究了超低密度水泥浆体系稳定增强剂。应用于漂珠低密度水泥浆体系的T-93早强剂，除了具有可调节的稠化时间，早强作用外，还对水泥浆体系起稳定作用，T-93还考虑了沉降和离析等因素。
4 、矿渣搬土低密度固井液
由于矿渣低密度是通过增加水灰比来降低水泥浆的密度，因此一般仅用于封固目的层的固井作业。矿渣搬土固化液同普通油井水泥一样，具有稠化时间可调、流动性好、抗压强度满足施工要求，而且还具有微触变、高早强、过度时间短、耐腐蚀、抗高温、沉降稳定性好的特点，是理想的固井材料，可以适合于各种注水泥作业中。
5 、泡沫水泥
泡沫水泥最突出的优点是在较低密度的条件下，仍能保持较高的强度，密度在0.839g/cm3左右时，24h的抗压强度至少为3.447MPa，深透率小于1×10-3μm3，并具有优良的保湿隔热性能，较低的滤失量及适当的触变性能。硫化后的水泥环柱，具有良好的一二界面胶结性能和优良的射孔性能。其基本性能：
化学泡沫水泥价格的优越性在于它的长封固段，一次返高达2000m以上，它减少了分级注水泥的工具和设备。此外造浆量的增加、优良的射孔、良好的一二界面胶结性能和较好的防窜性能，使其得到固井界的重视。在长庆、吐哈、青海固井中大量采用，并获得良好的固井效果。
四、高强度低密度水泥浆
1 、高强低密度水泥浆的设计原理
低密高强水泥浆的设计是基于紧密堆积理论，通过活性材料的选择和干混合组分的不同颗粒尺寸分布，进行合理级配，使水泥浆体系实现良好的空隙填充，降低水泥浆体系中的充填水和吸附水层，提高单位水泥浆体系中的固相量，同时由于微填颗粒的滚珠效应，保证水泥浆体系具有良好的流变性。
低密高强水泥浆中的材料组成是根据物料间的物理化学性能来确定的。为了提高低密水泥浆的性能，在体系中添加具有水化活性的物理材料，不仅能够发生自身的凝硬性反应，而且还可与水泥中的碱性物质发生胶凝反应，完全水泥物料的化学反应，提高水泥浆的整体性能。可减小水泥浆的游离液、失水量并能减小水泥石收缩、缩短候凝时间、提高水泥石抗压强度、抗腐蚀和防气窜的能力且不受使用温度和环境水质的限制。
2 、高强低密度水泥浆体系的特点
高强低密度的设计是基于紧密堆积理论，由于方法的更新，水泥浆的性能在很大程度上不在受密度条件的制约，因此，水泥浆性能具有一些独特的特点。
（1） 水泥石强度高
低密度水泥浆由于具有较高的水灰比和较高的外掺料，一般具有较低的抗压强度，性能难以满足封固目的层的需要。而低密度高强度水泥浆是基于紧密堆积理论设计的，在体系中引入了增强材料PZW，它是一种由多种不同粒径的活性矿物，通过颗粒级配而形成的一种活性粉末，不仅密度低而且活性高。掺入水泥浆中，发生不同粒径活性颗粒的充填，同时与水泥中的碱性物质发生胶凝反应，具有较强的火山灰效应，完全水泥物料的化学反应，提高了低密度水泥石的抗压强度，满足目的层封固射孔要求（一般大于14MPa），而其它低密度水泥浆体系均达不到这一要求。图1为在相同的养护条件下，不同密度低密高强水泥浆强度和普通低密度水泥浆强度对比，可以看出低密高强水泥浆的强度明显高于普通低密度水泥浆浆的强度。
（2 ）水泥浆流变性好
套管和环空水泥浆顶替泥浆的过程或最终泥浆顶替水泥浆的过程，都与水泥浆的结构形成，基本性能以及环空顶替水力学密切相关。水泥浆流变学研究的内容是注水泥过程中的流速场和压力场，水泥浆流变特性是指它的流动和变形特征，提高固井水泥浆的流变性，可以改善水泥颗粒质点间的相对运动，改善新拌水泥浆稳定性和水泥浆的可驱替性，因此，控制水泥浆的流变特性是注水泥技术的重要指标之一，直接关系到固井作业的安全、质量和成本。

（3） 稳定性好
在低密度水泥浆中，由于材料成分密度相差较大，一般低密度水泥浆由于成份之间密度相差较大，很容易分层离析导致体系不稳。低密高强水泥浆成份通过颗粒级配，降低颗粒间的充填水，各颗粒间的相互影响力加强，颗粒上浮和下沉的阻力增大，提高水泥浆的稳定性，BP稳定性实验密度分布如图2，我们选取1.4g/cm3、1.5g/cm3两个密度水泥浆，水泥石硬化后的结构跑面非常致密，而且很均匀，BP稳定性实验表明，水泥浆养护后上下密度相差很小。
（4） 失水容易控制
按API标准，水泥按0.44的水灰比配浆，净浆的失水可达2000mL多，低密度水泥浆由于惰性减轻材料较大，体系成份复杂，失水比常规密度水泥浆更难控制。低密高强水泥浆是根据紧密堆积理论设计的，由于矿物性增强材料PZW的掺入，实现了大小颗粒的相互充填，加压滤失时容易形成致密的泥饼，其水泥浆本身就具有一定的降失水功能，在较高温度下净浆失水可以控制在500mL以内。加入适量的浆失水剂，水泥浆的失水很容易控制在50mL以内。