1、长江大学石油工程学院长江大学石油工程学院20082008年年0707月月2626日日许明标研究进展低密度水泥浆体系的现状低密度水泥浆体系的现状n颗粒级配紧密堆积,1.201.65 g/cm3 水泥浆。n低密度减轻剂：粉煤灰、膨润土、矿渣、珍珠岩、泡沫等等。n低密度材料上浮,浆体稳定性。须掺入稳定剂,防止水泥浆的分层。n低密度水泥浆水泥石48 h强度达到14 MPa。n超低1.10 g/cm3 的研究较少。不同的减轻材料性能不同的减轻材料性能n(1)(1)粉煤灰粉煤灰:火力发电厂煤粉燃烧熔融后排出的粉末状废物,具有火山灰特性的微细灰。主要成分为SiO2 和Al2O3,粒径范围为0.5300m,密
2、度为2.02.50 g/cm3,价格便宜,购买方便。n(2)(2)微硅微硅:硅钢或铁合金生产过程中分离出来的一种副产品,主要成分是SiO2,平均粒径0.100.15 m,具有较大的比表面积。密度2.50g/cm3,能使水泥石渗透率下降,提高抗腐蚀性能。n(3)(3)海泡石海泡石:白色质轻纤维状富镁硅酸盐矿物,由硅氧四面体和镁氧八面体组成。主要成分为SiO2 和MgO,其结构中存在一系列晶道,具有极大的比表面积,密度一般为1.302.10g/cm3,热稳定性好,抗盐性好。n(4)(4)珍珠岩珍珠岩:属火山玻璃质熔岩,主要成分SiO2,为白色或浅灰色颗粒,绉褶的蜂窝结构,含有大量的空隙,具有较大的
3、膨胀性。密度2.40g/cm3,堆积密度0.100.2 kg/m3,可存比自重高56倍的水分。研磨成2030目的颗粒,能形成膨胀珍珠岩水泥浆体系,具有减轻和降失水的良好性能。易上浮,需选择与其配伍稳定剂。不同的减轻材料性能不同的减轻材料性能n(5)(5)漂珠漂珠:粉煤灰在水中漂浮起来的球状颗粒粉煤灰在水中漂浮起来的球状颗粒,晒干后即成漂珠晒干后即成漂珠,具具有密闭、粒细、质轻、壁薄、活性等性能。其视密度有密闭、粒细、质轻、壁薄、活性等性能。其视密度0.7 g/cm0.7 g/cm3 3左右左右,漂珠配制的低密度水泥浆可达到较低密度。但由于漂珠本漂珠配制的低密度水泥浆可达到较低密度。但由于漂珠本
4、身强度较低身强度较低,且漂珠外壳本身壁厚和形状的差异且漂珠外壳本身壁厚和形状的差异,在一定压力和混在一定压力和混浆泵的搅拌下容易破碎。浆泵的搅拌下容易破碎。n(6)(6)人造空心玻璃微球人造空心玻璃微球:HGS HGS中空玻璃微球是美国中空玻璃微球是美国3M3M公司人工制造公司人工制造的空心微珠的空心微珠,是一种碱性硅硼酸钙盐是一种碱性硅硼酸钙盐,不溶于水和油不溶于水和油,平均直径平均直径90 90 m,m,壁厚壁厚2 23m,3m,耐高温耐高温,化学稳定化学稳定,破碎压力破碎压力1414124MPa,124MPa,能降能降低流体的粘度低流体的粘度,改善流动性改善流动性,具较高的强度和不可压缩
5、性。其拉伸具较高的强度和不可压缩性。其拉伸强度、抗压强度、杨氏模量均优于漂珠。强度、抗压强度、杨氏模量均优于漂珠。nHGSHGS中空玻璃微球水泥浆体系在凝固时中空玻璃微球水泥浆体系在凝固时,收缩率非常低收缩率非常低,能保证较能保证较好的胶结强度。目前国内已经可以生产人造的空心玻璃微珠好的胶结强度。目前国内已经可以生产人造的空心玻璃微珠,并并有产品销售有产品销售,但是性能与国外还有差距。但是性能与国外还有差距。3M漂珠与国产漂珠性能比较漂珠与国产漂珠性能比较n3M公司是最大的漂珠生产商，所生产的漂珠不溶于油和水。具有良好的耐温性和高强度,最高耐温600,最高抗压强度124 MPa。3M空心玻璃微
6、球作水泥浆减轻剂可使水泥浆密度降到0.90g/cm3,且破碎压力较高,泵送不会际密度有影响。3M空心玻璃微球可解决深井低压漏失地层和多级压力梯度固井的难题。低密度水泥浆要求低密度水泥浆要求n(1)较好的稳定性:水泥浆浆体不发生分层离析,形成的水泥石纵向密度分布一致,析水小、体积收缩小。n(2)合适的流变性和密度:选择的减轻剂类型和粒径,其配制水泥浆时用水量在所选择减轻剂的最大允许范围内。n(3)较高的早期强度:兼顾水泥浆的流变性能和滤失量控制的情况下,改善水泥浆的抗压强度和稳定性。采用不同粒径的低密度材料通过紧密堆积辅以外加剂提高早期强度。n细漂珠作减轻剂配制低密度水泥浆,在较低液固比时,可获
7、得较低密度的水泥浆,从而使得水泥石的强度较高。选择微硅以及3M产品作为细颗粒充填材料。低密度水泥浆体系选择低密度水泥浆体系选择nPVA低温低密度水泥浆体系n聚合物淡水水泥浆体系n胶乳水泥浆体系60PVA低密度水泥浆配方低密度水泥浆配方材料加量%备注固体混合材100作为计算基础配浆水54.3分散剂1.3缓凝剂0.2PVA低密度水泥浆性能低密度水泥浆性能性能性能指标指标性能性能指标指标密度密度（g/cmg/cm3 3）1.51.5自由液自由液（mlml）2.42.4流变流变性性（600600）165165稠化时稠化时间间（Min/57Min/57）147147滤失滤失（mlml）抗压强抗压强度度（
8、PSI/57PSI/57）3M漂珠超低密度水泥浆（资料）漂珠超低密度水泥浆（资料）组成加量组成加量水泥100%充填剂31.5%自来水293%充填增强剂112.5%3M 漂珠225%防窜剂6.0%液体降失水剂8%液体减阻剂4%3M漂珠超低密度水泥浆（资料漂珠超低密度水泥浆（资料性能指标性能指标密度（g/cm3）1.04自由液（ml）0;流动度（cm）20;稠化时间（Min/80）262 min(50MPa)滤失（ml）42抗压强度（Mpa/80）9(0.1 MPa)高温聚合物低密度水泥浆高温聚合物低密度水泥浆n适用静止温度范围：适用静止温度范围：2525150150；n水泥浆密度：水泥浆密度：1
9、.501.501.60g/cm1.60g/cm3 3；n初始稠度：初始稠度：151530BC30BC；n游离液：低于游离液：低于0.8%0.8%；n流变性：良好，流变性：良好，n n0.80.8；nAPIAPI失水：失水：50ml/(2550ml/(25120)120)7MPa7MPa30min30min；n稠化时间：稠化时间：6060420min/25420min/25120120，“直角直角”凝固；凝固；n抗压强度：在各种密度条件下都能满足工程需要。抗压强度：在各种密度条件下都能满足工程需要。降滤失剂的选择优化降滤失剂的选择优化降滤失剂降滤失剂滤失性能滤失性能（ml/30min.80.6.
10、9MPaml/30min.80.6.9MPa）备注备注CG706L42滤失略大CG704L38沉降稳定性差CG80L18抗污性差CG88L20滤失性好CG81L28流变性性好缓凝剂的选择优化缓凝剂的选择优化缓凝剂缓凝剂缓凝性能缓凝性能(min/90)(min/90)备注备注H21LL110缓凝性能差H21LM199性能较好H21LH300稠化时间太长H63L300稠化时间太长H30L300稠化时间太长n缓凝剂加量缓凝剂加量0.50.5。评价后选择。评价后选择H21LH21LMM。H63LH63L、H30LH30L及及H21LH21LH H适合于在温度高于适合于在温度高于120120以上使用。以
11、上使用。分散剂的选择优化分散剂的选择优化分散剂分散剂分散性能分散性能(300300)备注备注CF46L252易触变CF44L233综合性能好CF45L241易触变UNF296毒性较大CF49L236低温缓凝强n分散剂加量分散剂加量2.02.0。评价后选择。评价后选择CF44LCF44L。稳定剂的选择优化稳定剂的选择优化稳定剂稳定剂稳定性能稳定性能()()滤失性能滤失性能（mlml）自由液自由液（）（）备注备注CPAS0.02300STAB-F0.02220STAB-T0.06240.2HXC0.02320.2不配伍RHE0.02300不配伍n分散剂加量分散剂加量0.40.4。评价后选择。评价后
12、选择STAB-FSTAB-F。消泡剂的选择优化消泡剂的选择优化消泡剂消泡剂水泥浆密度水泥浆密度(g/cm(g/cm3 3)备注备注有机硅X301.50不理想有机硅CX601L1.52效果较好聚醚类1.47消泡效果差磷酯类1.50高温易分解复合消泡剂1.51不理想n消泡剂加量消泡剂加量0.2%0.2%，实际加量在，实际加量在0.050.05即可。即可。水泥浆基本配方水泥浆基本配方1.5g/cm1.5g/cm3 3密度水泥浆配方：密度水泥浆配方：500g G500g G级水泥级水泥+280g+280g淡水淡水+25gCG88L25gCG88L降滤失剂降滤失剂+10gCF44L+10gCF44L分散
13、剂分散剂2.5gH21L2.5gH21L缓凝剂缓凝剂2gSTAB-F2gSTAB-F稳定剂稳定剂90g90g漂珠漂珠1g1g消泡剂。消泡剂。1.6g/cm1.6g/cm3 3密度水泥浆配方：密度水泥浆配方：500g G500g G级水泥级水泥+280g+280g淡水淡水+25gCG88L+25gCG88L降滤失剂降滤失剂+10gCF44L+10gCF44L分散剂分散剂2.5gH21L2.5gH21L缓凝剂缓凝剂5gSTAB-F5gSTAB-F稳定剂稳定剂 45g45g漂珠漂珠+1g+1g消泡剂。消泡剂。6060低密度水泥浆配方低密度水泥浆配方1.5g/cm1.5g/cm3 3配方：配方：400
14、g G400g G级水泥级水泥+250g+250g混合灰混合灰300g300g淡水淡水(2-(2-12g)ACC-Y12g)ACC-Y20gCG88L20gCG88L8gCF44L 8gCF44L 130g130g漂珠漂珠 +1g+1g消泡剂消泡剂 1.6g/cm1.6g/cm3 3配方：配方：400g G400g G级水泥级水泥+175g+175g混合灰混合灰280g280g淡水淡水(2-(2-12g)ACC-Y12g)ACC-Y20gCG88L20gCG88L8gCF44L 8gCF44L 112g112g漂珠漂珠1g1g消泡剂消泡剂低密度水泥浆流变性能低密度水泥浆流变性能 配方配方600
15、/300 200/100 6/3 1.5g/cm3 /233 159/90 7/4 1.6g/cm3 260/165 102/57 5/3 密度1.5g/cm3的流变性：n=0.86；密度1.6g/cm3的流变性：n=0.96；均能满足项目要求流变性能应满足n0.8，温度对水泥浆的稠化性能影响温度对水泥浆的稠化性能影响n项目要求稠化时间：60420min，温度为25120,并要接近“直角”稠化，由基本配方实验测得的具体数据如下：压力(MPa)温度()时间(min)常压 25 340 常压 40 304 20 60 271 40 90 199 60 120 67温度对稠化性能的影响温度对稠化性能
16、的影响当T=90，P=40MPa 稠化时间199min90稠化曲线稠化曲线120稠化曲线稠化曲线n120 时,缓凝剂改为高温型,其加量加量定为2%.稠化时间:246min/120 60MPa不同温度下的强度不同温度下的强度试验条件抗压强度（MPa）备注 常压25 3.2MPa 常压40 7.7MPa 常压60 14.3MPa 常压90 15.8MPa配方配方 1.5 g/cm3强度实验强度实验:温度对抗压强度影响温度对抗压强度影响1.5g/cm3密度密度 备注 抗压强度（MPa）备注 常压25 3.4MPa 常压40 7.9MPa 常压60 14.9MPa 常压90 22.0MPa基本配方基本
17、配方1.6 g/cm3强度：强度：不同温度下的强度不同温度下的强度温度对抗压强度影响温度对抗压强度影响1.6g/cm3密度密度不同组成的水泥石抗压强度不同组成的水泥石抗压强度 配方密度(g/cm3）强度(MPa)实验条件1.57 24.2 常压901.53 13.91.50 14.51.50 16.11.51 12.1 400g G级水泥级水泥+300g淡水淡水+28gCG88L+8gCF44L+8gSTAB-F+70g漂珠漂珠+1g消泡剂消泡剂+200g超细矿超细矿渣渣+4gACC 400g G级水泥级水泥+360g淡水淡水+28gCG88L+14gCF44L+8gSTAB-F+70g漂珠漂
18、珠+1g消泡剂消泡剂+160g超细矿超细矿渣渣 400g G级水泥级水泥+340g淡水淡水+28gCG88L+12gCF44L+4gACC+8gSTAB-F+90g漂珠漂珠+1g消泡剂消泡剂+100g超细水泥超细水泥 400g G级水泥级水泥+300g淡水淡水+28gCG88L+14gCF44L+4gACC+8gSTAB-F+80g漂珠漂珠+1g消泡剂消泡剂+100g超细水泥超细水泥 400g G级水泥级水泥+300g淡水淡水+32gCG88L+8gCF44L+4gACC+8gSTab-F+80g漂珠漂珠+1g消泡剂消泡剂 温度对水泥浆滤失性影响温度对水泥浆滤失性影响 n1.5g/cm3密度水
19、泥浆失水研究密度水泥浆失水研究 试验温度()API失水量(ml)自由液25 200402406028080340100380113380n1.6g/cm3密度水泥浆失水研究密度水泥浆失水研究 试验 温度()API失水量(ml)自由液 25 220 40 240 60 300 80 340 100 380温度对水泥浆滤失性影响温度对水泥浆滤失性影响1.5g/cm1.5g/cm3 3密度水泥浆配方：密度水泥浆配方：500g G500g G级水泥级水泥+280g+280g淡水淡水+25gCG88L+25gCG88L降滤失剂降滤失剂+10gCF44L+10gCF44L分散剂分散剂10gH21L-H10
20、gH21L-H缓凝剂缓凝剂2gSTAB-F2gSTAB-F稳定剂稳定剂90g90g漂珠漂珠1g1g消泡剂。消泡剂。1.6g/cm1.6g/cm3 3密度水泥浆配方：密度水泥浆配方：500g G500g G级水泥级水泥+280g+280g淡水淡水+25gCG88L+25gCG88L降滤失剂降滤失剂+10gCF44L+10gCF44L分散剂分散剂10gH21L-H10gH21L-H缓凝剂缓凝剂5gSTAB-F5gSTAB-F稳定剂稳定剂 45g45g漂珠漂珠+1g+1g消泡剂。消泡剂。水泥浆密度试验条件滤失性能（ml）1.5g/cm330min7Mpa120441.6g/cm330min7Mpa1
21、2046水泥浆水泥浆120高温高压滤失性能高温高压滤失性能1.5g/cm3温度对流变性影响温度对流变性影响温度温度()()600600/300300200/200/1001006 6/3 32020/283/283180/105180/1059/59/54040/241/241175/107175/1078/58/56060/213/213150/80150/807/47/48080279/183279/183132/80132/806/46/41.5 g/cm3高强混合灰强度高强混合灰强度n配方：400g G级水泥+250g高强混合灰+300g淡水+(2-12g)ACC-Y+20gCG88L
22、+8gCF44L+130g漂珠+1g消泡剂，混合灰62.5%条件条件ACC-YACC-Y加量加量(g)(g)抗压强度抗压强度(MPa)(MPa)常压常压25254 410.210.2常压常压2525121213.113.1常压常压40402 218.718.7常压常压60602 226.526.5温度对抗压强度影响温度对抗压强度影响条件条件ACC-Y加量加量(g)抗压强度抗压强度(MPa)常压常压2568.3常压常压251212.4常压常压40214.2常压常压60217.21.5 g/cm3密度混合灰44%强度1.5 g/cm3 不同温度的性能不同温度的性能温度温度（）ACC-YACC-Y加
23、量加量(g)(g)API失水量失水量(ml/30M7MPa)稠化时间稠化时间(min/0.1MPa)(min/0.1MPa)25252 2 300 30025251212 22 369 3694040 4 4 26 154 15460602 2 36 173 1737尾管段低密度水泥浆体系尾管段低密度水泥浆体系井段井段井深井深(TVD)水泥浆体水泥浆体系系井底温度井底温度循环温度循环温度 72948m聚合物体聚合物体系系11387水泥浆配方：水泥浆配方：100100份份G G级水泥级水泥56%56%淡水淡水 +19%+19%漂珠漂珠+0.4%H21L+2%CF44L+0.4%H21L+2%CF
24、44L分散剂分散剂4%CG88L4%CG88L降滤失剂降滤失剂0.2%0.2%消消泡剂泡剂 +1%STAB-F+1%STAB-F稳定剂稳定剂水泥浆配方及流变性水泥浆配方及流变性密度密度(g/cm3)600/300200/1006/31.50/15096/515/3水泥浆配方：水泥浆配方：100100份份G G级水泥级水泥56%56%淡水淡水 +19%+19%漂珠漂珠+0.4%H21L+2%CF44L+0.4%H21L+2%CF44L分散剂分散剂4%CG88L4%CG88L降滤失剂降滤失剂0.2%0.2%消消泡剂泡剂 +1%STAB-F+1%STAB-F稳定剂稳定剂水泥浆的综合性能水泥浆的综合性
25、能密度密度(g/cm3)强度强度(11315MPa稠化稠化(8710MPa)滤失量滤失量(1137MPa)自由液自由液1.5026.2MPa240min38ml无无水泥浆配方：水泥浆配方：100100份份G G级水泥级水泥56%56%淡水淡水 +19%+19%漂漂+0.4%H21L+0.4%H21L+2%CF44L+2%CF44L分散剂分散剂4%CG88L4%CG88L降滤失剂降滤失剂0.2%0.2%消泡剂消泡剂+1%STAB-F1%STAB-F稳定剂稳定剂水泥浆水泥浆87的稠化性能的稠化性能水泥浆的稠化水泥浆的稠化时间在时间在240240分钟，分钟，其从其从23BC23BC到到92BC92B
26、C稠化转化稠化转化时间在时间在2020分钟，分钟，能保证安全可能保证安全可泵时间。泵时间。水泥浆配方：水泥浆配方：100份份G级水泥级水泥56%淡水淡水+19%漂珠漂珠+0.4%H21L+2%CF44L分散剂分散剂4%CG88L降滤失剂降滤失剂0.2%消泡剂消泡剂+1%STAB-F稳定剂稳定剂增强水泥浆增强水泥浆87的稠化性能的稠化性能水泥浆配方：水泥浆配方：100份份G级水泥级水泥60%淡水淡水+19%漂珠漂珠+1%H21L+2%CF44L分散剂分散剂4%CG88L降滤失剂降滤失剂0.2%消泡剂消泡剂+1%STAB-F稳定剂稳定剂+20%PZW-A增强剂增强剂水泥浆的稠化时间水泥浆的稠化时间
27、在在261分钟，其从分钟，其从15BC到到100BC稠化稠化转化时间在转化时间在18分钟，分钟，能保证安全可泵时能保证安全可泵时间。间。水泥浆强度性能水泥浆强度性能编号编号PZW-A加加量量(%)强度强度(24h)MPa/76常压常压MPa/11315MPa 18.2 26.21019.6 26.52023.628.8水泥浆配方：水泥浆配方：100份份G级水泥级水泥60%淡水淡水+19%漂珠漂珠+0.4%H21L+2%CF44L分散剂分散剂4%CG88L降滤失剂降滤失剂0.2%消泡剂消泡剂+1%STAB-F稳定剂稳定剂+20%PZW-A水泥浆失水性能水泥浆失水性能 密度密度(g/cm3)温度温度()压力压力（MPa）滤失量滤失量(ml)1.50 76 7 30 90 32 113 38水泥浆配方：水泥浆配方：100份份G级水泥级水泥56%淡水淡水+19%漂珠漂珠+0.4%H21L+2%CF44L分散剂分散剂4%CG88L降滤失剂降滤失剂0.2%消泡剂消泡剂+1%STAB-F稳定剂稳定剂长江大学石油工程学院长江大学石油工程学院20082008年年0707月月2626日日许明标研究进展
