李韶利

（中石化中原石油工程有限公司固井公司，河南濮阳 457000）

随着国家“十三五”天然气大发展战略，加快了推进鄂尔多斯盆地天然气勘探开发，中石化在定北、塔巴庙2 个开发区块均达2 个千亿立方米规模，在杭锦旗勘探区块达到3 个千亿方立方米的规模，整个盆地北部已经展现出万亿立方米的天然气资源基础。鄂北工区开发过程中的最大难题为地层承压能力低，尤其刘家沟组（埋藏深度为2400～2600 m），承压当量密度仅为1.10～1.20 g/cm3，漏失严重，固井时难以建立平衡；“正注反挤”补救措施无法实现有效对接，导致空井段长，井筒完整性不能保证；国外超低密度水泥浆成本高，国内技术不成熟，水泥浆沉降稳定性差，强度发展缓慢，现场密度控制差，无法推广应用。

针对鄂北工区固井难题，中原固井持续开展超低密度水泥浆研究，通过研制轻制水泥，优选减轻材料、填充材料，根据粉体颗粒群级配分形方程，建立三级级配数学模型，确立了超低密度设计构架。与外加剂进行配伍，设计出一套密度为1.15 g/cm3高强超低密度水泥浆配方，同时建立了分级混拌工艺，混拌大样与小样水泥浆性能符合率达到98%，保证了水泥浆性能的稳定。通过评价及应用，超低密度水泥浆性能满足低压易漏井固井要求，可有效防止井漏，提高了井筒完整性。

1 主体材料与颗粒级配

1.1 主体材料的研选

1）研制轻质水泥GT。采用分级的办法，将水泥材料通过一定的分级工艺分成窄粒级的水泥，通过优化颗粒级配，实现提高水泥石的强度以及降低渗透率的目的。通过颗粒分级，利用激光粒度分析仪进行检测，粒径在3～32 µm 范围的轻质水泥占69.2%，可控制在60%以上。利用李氏密度瓶测试轻质水泥GT的基础密度为2.80 g/cm3，配制密度为1.90 g/cm3的水泥浆，水灰比为0.36，需水量小，经实验测得，该轻质水泥GT在实验条件为52℃、35.6 MPa 下的稠化时间为108 min，初始稠度为15 Bc，游离液量为2.2%，38 ℃、常压下的8 h抗压强度达5 MPa，60 ℃、常压下的8 h 抗压强度达16 MPa；60 ℃、21 MPa 下的72 h 抗压强度达22.5 MPa。其具有密度低、强度高、需水量小、游离液小等性能，为超低密度的设计奠定基础。

2）研选减轻材料。出于成本方面的考虑，选择国产HL 系空心玻璃微珠作为减轻材料。为了满足0～50 MPa 压力范围内的固井要求，优选的高强玻璃微珠要具有密度低、承压高的性能，对比优选HL 系列空心玻璃微珠，其物理性能见表1。可以看出，HL-2、HL-3 这2 种空心玻璃微珠的物理性能符合要求，抗压强度能达到50 MPa 以上，适用于较深井固井承压要求。HL-2 与HL-3 在超低密度水泥浆设计中性能对比见表2。从表2 可以看出，设计密度为1.15 g/cm3的水泥浆，HL-3 的加量要比HL-2 多5%，且55 MPa 下，HL-2 的承压密度差为0.02 g/cm3，可以满足55 MPa 的承压要求，因此，从性能及成本考虑，选用HL-2 作为减轻材料。

表1 HL 系列空心玻璃微珠的物理性质

表2 HL-2 与HL-3 在超低密度水泥浆设计中性能对比

3）研选填充材料。选用微硅作为主要充填材料。微硅的平均粒径只有0.15 µm，比表面积较大，为15～25 m2/g，一个水泥颗粒周围可以分布15个微硅颗粒，因此，其可以很好地充填于水泥和漂珠颗粒之间，且含有丰富的无定形SiO2，其与水泥的水化产物Ca（OH）2反应，生成低碱度的含水硅酸钙碳水化物（C/H=0.67～1.1 得C—S—H），并产生不含或少含Ca（OH）2的不易渗透的水泥石结构。另一方面微硅超细颗粒周围还能吸附大量水分子，水分子之间通过氢键相互连接，在微细颗粒之间形成均匀致密的网架结构，使水泥浆形成稳定的悬浮体系，且不同粒径的颗粒合理级配和极化，使水泥石更加致密，以及附加面的形成进一步完善了水泥浆的沉降稳定性，并提高了水泥石的抗压强度和抗渗能力。另外，微硅属于纳米级材料，细小的粒子在水泥浆中不停地做布朗运动，引起扩散，不仅能很好地充填在空隙中，达到紧密堆积的目的，还能保持水泥浆的稳定性。选择3 种微硅样品进行优选，见表3。由表3 可知，代号为WG-1 的微硅性能明显优于其他2 个，其密度低、游离液降低率高、抗压强度之比高，更适合超低密度水泥浆的设计。

表3 微硅样品优选实验

对WG-1 的粒度指标及分布进行分析，见表4。由表4 可知，WG-1 中二氧化硅含量大于92%，平均粒径为0.15 μm，可以充填于水泥和空心玻璃微珠颗粒之间，满足水泥浆设计结构稳定性。

表4 WG-1 粒度指标及分布

1.2 颗粒级配建模

1.2.1 颗粒级配数学模型

目前，颗粒级配理论在固井水泥的应用得到了现场试验的验证，但是尚未出现适用于固井水泥体系的颗粒级配模型成功被应用的报道，针对颗粒级配理论的研究仅限于定性描述和实验评价，迫切需要相应的颗粒级配模型指导和推动低密度水泥浆及其他高性能水泥浆体系的开发与应用。要将颗粒级配模型引入到固井行业的水泥浆体系研制中，应该考虑到固井水泥自身的水化硬化特性，以及水泥及外掺料自身的颗粒连续堆积特性。利用颗粒群分形特征方程，以Andreasen 和Dinger-Funk 倡导的经典连续堆积理论为基础，建立了适合油井水泥外掺料配比设计的颗粒群分形级配模型。假定水泥与外掺料干混后混合料的粒径分布函数为：

式中，V（x）为水泥混合料体积分布函数，%；D为粒径分布分形维数；xmin为混合料最小粒径，μm；xmax为混合料最大粒径，μm。

分形方程表明，只要测出粉体材料的级配，并知道其最大、最小粒径，其分形维数可直接计算出来。同时，通过数值解析的方法，根据已知最大、最小粒径，通过调整相应的分形维数，可以模拟传统的密实填充理论方程。

1.2.2 颗粒级配计算

①颗粒粒径实验。GT轻质水泥、空心玻璃微珠和微硅的粒径主要分布在大小不同的3 个范围内，为达到固相紧密堆积提供了可行性，其粒径测试结果见表5。根据粒径实验数据分析，得到了3种材料的颗粒分布，空心玻璃微珠HL-2 属于大颗粒组分，形成了大框架结构；GT水泥可充填于空心玻璃微珠中，构成第二级充填结构；微硅充填于空心玻璃微珠与水泥堆积形成的二元孔隙中。

表5 材料粒径分析结果

②理论计算。由于漂珠加量过大会使浆体稳定性变差，而微硅加量过大则使浆体流变性能难以控制，因此2 类材料的加量必须基于工程要求进行合理优选。在分形级配模型中，可通过适当改变极限粒径和分形维数的方式进行调整。数值分析可知，恒定极限粒径时，随着分形维数D的增大，微硅的含量逐渐增大，而漂珠的含量逐渐减小，即分形维数越大，颗粒越细，反之颗粒越粗；恒定分形维数时，漂珠体积含量随xmax的增大而增大，微硅体积含量随着xmin的减小而减小。Andreasen 曾以统计类似为基础提出了连续分布粒径的堆积模型：

式中，U（DP）为累计筛下颗粒百分含量；DP为当前粒径，μm；DPL为最大粒径，μm；q为fuller 指数。

Andreasen 认为，当q=1/2～1/3 时的空隙率最小，而q＜1/3 是没有意义的，这与Gaudin-Schu hmann 模型的实验结果相一致。利用数值分析方法可对分形级配方程与Andreasen 方程进行对比，得到实现紧密堆积的分形维数范围。图1 为分形级配方程模拟Andreasen 方程指数分别为1/2 和1/3 时的颗粒堆积情况对比，分形方程的最大粒径为200.5 μm，最小粒径为0.07 μm。当分形维数为2.513 和2.697，分形级配模型分别与Andreasen 方程q=1/2 和q=1/3 时的最紧密堆积曲线基本一致，见图2，即D值处在2.513 和2.697 之间可实现最紧密堆积。当分形方程的维数在2.513～2.697 间，与Andreasen 方程指数1/2～1/3 间非常接近。将极限粒径和D值代入式（1），可得不同紧密堆积体系的颗粒尺寸分布曲线。

图1 Andreasen 方程颗粒级配曲线

图2 分形级配模型的颗粒级配曲线

③计算结果。基于以上计算得到各种材料的配比范围，选取不同的D值代入式（2），计算得到不同D值下的紧密堆积体系。取D=2.513、2.605、2.697，计算得到的颗粒级配曲线如图3 所示。由图3 可知，当D=2.513 时，空心玻璃微珠HL-2 和微硅的体积分数分别为41%和20%，所以GT水泥的体积分数为39%；当D=2.605 时，HL-2 和微硅的体积分数分别为45%和18%，所以GT水泥的体积分数为37%；当D=2.697 时，HL-2 和微硅的体积分数分别为50%和15%，所以GT水泥的体积分数为35%。因此，根据可达到紧密堆积的合理级配计算结果，确定了各材料的加量，得到了配制超低密度水泥浆的固相三元体系充填结构。

图3 不同D 值时计算的颗粒级配曲线

设计构架为：GT水泥+（40%～50%）空心玻璃微珠HL-2+（15%～20%）微硅。根据设计构架，室内测试不同比例下水泥浆的密度，见表6。从表6 可以看出，空心玻璃微珠加量增大，水泥浆密度最低为1.12 g/cm3，但浆体流动性差，密度为1.15 g/cm3的水泥浆材料配比，水泥浆流动性较好。

表6 不同比例下水泥浆最低密度设计

2 超低密度配方及性能评价

2.1 优选外加剂

2.1.1 优选低密度增强剂

以1.14 g/cm3低密度设计框架为基础，加入3种低密度增强剂样品，即增强剂A、增强剂B 及C，考察其在30 ℃、0.1 MPa 下8～48 h 的强度，优选出符合要求的低密度增强剂，见表7。表7 可以看出，3 种增强剂中C 的增强效果最好。该增强剂C 为惰性物体，经球磨而成，为规则的圆球形，充填在其他颗粒之间，减少其他颗粒之间的黏附力与摩擦力，改善其流动状态，与水泥胶结后能进一步增加水泥石的密实性，自身密度为2.0 g/cm3，粒径大小在1～10 μm 之间。

表7 不同增强剂对水泥浆强度的影响（30 ℃、0.1 MPa）

2.1.2 优选早强剂

为了使超低密度水泥浆早期强度发展快，对低密度早强剂进行筛选，设计1.14 g/cm3低密度基础水泥浆，分别加入1%早强剂ZQJ-1、ZQJ-2 进行性能对比，见表8。由表8 可知，早强剂ZQJ-1 增加早期强度和后期强度的效果都明显优于ZQJ-2，故选择 ZQJ-1 作为超低密度水泥浆的早强剂。

表8 不同早强剂对水泥浆强度的影响（60 ℃、0.1 MPa）

2.1.3 降失水剂的优选

对降失水剂样品PVA-1、PVA-2、JSJ-1、JSJ-2进行失水实验，结果见表9。由表9 可以看出，80～110 ℃下，JSJ-1 能有效控制水泥浆失水量，且加量为3%时，失水量可控制在32～60 mL 之内。

表9 不同降失水剂对水泥浆强度的影响

2.2 超低密度水泥浆配方及性能评价

2.2.1 超低密度水泥浆配方

设计出密度为1.15 g/cm3的高强超低密度水泥浆配方如下。

轻质水泥GT+40% 减轻剂HL-2+16% 微硅WG-1+5%低密度增强剂C+4%早强剂ZQJ-1+3%降失水剂JSJ-1+适量缓凝剂ZYH-1，水灰比为1.40

2.2.2 超低密度水泥浆性能评价

对水泥浆各项性能进行评价，结果见表10。可以看出，水泥浆密度为1.15 g/cm3，温度在70～120 ℃范围内，稠化时间在369 min 内可调，近直角稠化，游离液不大于0.3%，失水量不大于60 mL，密度差不大于0.03 g/cm3，常压30 ℃的48 h抗压强度大于6 MPa，加压60 ℃的48 h 抗压强度大于14 MPa，综合性能优良。

表10 超低密度水泥浆及水泥石性能

对超低密度水泥浆承压性能进行评价，将配制好的超低密度水泥浆倒入浆杯，放入增压稠化仪进行养护，达到目标压力后，保持30 min，拆出对承压后的水泥浆测密度，实验结果见表11。

表11 超低密度水泥浆体系不同压力下的承压实验

由表11 结果看出：超低密度水泥浆体系在55 MPa 的压力下水泥浆密度变化为0.03 g/cm3，因此，承压达55 MPa，可满足深井承压要求。

3 超低密度混拌工艺

常规低密度混拌方法在混拌超低密度水泥时，易造成空心玻璃微珠损耗过大的情况，大量空心玻璃微珠在混拌转罐过程中被除尘器吸走排空，致使成品低密度配方水泥密度偏高，一方面，导致多次重复混拌，造成减轻材料的浪费及环保风险，另一方面，不能保证超低密度水泥浆的性能。经过研究，采用“小批量精细控压”混拌，混拌工艺为：①在地仓罐先加入1 t 左右水泥，再加入一定配比的高强空心玻璃微珠、微硅及其他添加剂后，精确控制混拌气压在0.15±0.01 MPa；②在地仓罐内进行一次预混；③将超低密度外掺料和添加剂及水泥加压打入初混罐，在初混罐中与4～5 t 水泥进行初混，进入批混罐与10～15 t 水泥进行批混，转罐后期提前关闭排空阀，依靠平衡压力实现水泥转罐，减少减轻材料的消耗；④进入再混罐实现三级混拌后完成混拌。

在地仓罐物料剩余200 kg、初混罐物料剩余500 kg、批混罐物料剩余1000 kg、再混罐物料剩余2000 kg 的情况下关闭排空阀；以上罐余物料在平衡压力作用下都可以正常被送至下级水泥混拌罐或成品罐。

根据上述混拌流程，采用了小批量多次混拌，以2.5 t 水泥+1 t 3M 空心玻璃微珠为批混基数，控制气压在0.15 MPa 左右，形成“盖压式”混拌，批混了7 次，混拌时间为50 h，共混拌了25 t 水泥+10 t 高强空心玻璃微珠减轻剂+4 t 微硅+3.25 t 外加剂，大样抽检结果与小样对比性能见表12。从表12 看出，水泥浆密度及性能与室内小样的复合率达到了98%以上，混拌成功率为100%。

表12 超低密度混灰检验及其与小样性能对比（80 ℃、40 MPa）

4 现场应用

4.1 D12-P42井

D12-P42 井位于陕西省榆林市神木市尔林兔镇吧吓采当村，构造位置为鄂尔多斯盆地伊陕斜坡东北部。该井井深为2928 m，造斜点位于井深2360 m，使用φ177.8 mm 技术套管，刘家沟组2050 m 处稍有漏失，该井钻井液密度为1.14 g/cm3。采用三凝水泥浆体系固井工艺，水泥浆返至地面。使用密度为1.15 g/cm3的超低密度水泥浆封固1150～2050 m 井段，固井质量良好，水泥浆流动度为21 cm，游离液为0，沉降稳定性好，上下密度差为0，失水量为42 mL，稠化时间为248 min，过渡时间为2 min，承压35 MPa 高强玻璃微珠破坏率为0，流变性φ600/φ300/φ200/φ100/φ6/φ3为240/195/140/85/12/7.5，75 ℃、21 MPa下的48 和72 h 抗压强度分别为15.45 和18.52 MPa，40 ℃、0.1 MPa下的48 h 和72 h 抗压强度分别为7.80和12.0 MPa。

4.2 D17-2井

D17-2 井位于陕西省榆林市神木市大保当镇高圪堵村，构造位置为鄂尔多斯盆地伊陕斜坡东北部。该井井深为2837 m，造斜点位于2360 m，刘家沟组2010 m 有漏失，使用φ144.3 mm 完井套管，该井钻井液密度仅为1.12 g/cm3。采用双凝水泥浆体系固井工艺，超低密度水泥浆返至地面，使用密度为1.15 g/cm3超低密度水泥浆封固0～2252 m井段，固井质量良好，水泥浆流动度为21 cm，游离液为0，沉降稳定性好，上下密度差为0，失水量为42 mL，稠化时间为248 min，过渡时间为8 min，承压35 MPa 高强玻璃微珠破坏率为0，流变性φ600/φ300/φ200/φ100/φ6/φ3为240/195/140/85/12/7.5，75 ℃、21 MPa 下的48 h 和72 h 抗压强度分别为15.40 和18.20 MPa，40 ℃、0.1 MPa 下的48 h 和72 h 抗压强度分别为7.60 和12.10 MPa。

4.3 DK13-FP1井

该井位于内蒙古自治区鄂尔多斯市乌审旗图克镇沙日嘎毛日六社，由西部钻探50852 队施工，φ139.7 mm 完井套管，直井，完钻井深为3196 m，垂深为3166.54 m，套管下深为3195.5 m，阻位3172.56 m，油气层顶界为2726 m，底界为3190 m，钻井液密度为1.15 g/cm3。采用一次注水泥双凝水泥浆体系全井封固固井工艺，使用密度为1.15 g/cm3超低密度水泥浆封固0～2420 m 井段，固井质量合格。水泥浆流动度为21.5 cm，游离液为0，沉降稳定性好，上下密度差为0，失水量为44 mL，稠化时间为268 min，过渡时间为12 min，承压35 MPa 高强玻璃微珠破坏率为0，流变性φ600/φ300/φ200/φ100/φ6/φ3为230/185/130/65/10/5.5，84 ℃、21 MPa 下的48 h 和72 h 抗压强度分别为16.52 和19.20 MPa，20 ℃、0.1 MPa 下的48 h 和72 h 抗压强度分别为6.50 和10.80 MPa。

5 结论

1.通过控制水泥的成分、比表面积等物理性能研制了一种轻质水泥GT，优选了高强玻璃微珠类减轻材料及纳米微硅填充材料。

2.依据粉体颗粒群级配分形方程，建立了数学模型，确立了配制超低密度水泥浆的固相三元体系充填结构，设计构架为：GT水泥+（40%～50%）空心玻璃微珠+（15%～20%）微硅。

3.研究出一套密度不大于1.15 g/cm3高强超低密度水泥浆配方。密度为1.14 g/cm3，使用温度达120 ℃，稳定性密度差小于0.03 g/cm3，稠化时间可调，失水量小。水泥浆返至地面后，30 ℃下24 h 抗压强度达到3.5 MPa 以上，48 h 抗压强度达到5 MPa 以上，60 ℃下48 h 抗压强度达到14 MPa。

4.通过改进混拌工艺，控制气体排量，采用逐级分批混拌的方式，混拌一次成功率达到了98%。

5.研究成果在大牛地区块D12-P42、D17-2 及DK13-FP1 等3 口井进行了应用，固井过程中没有发生漏失，固井质量合格率为100%，实现了井筒的完整性。