低密度固井技术新进展

低密度固井技术新进展概述随着石油勘探、开发地不断深入，深井、超深井数量不断增加，低压、易漏、长裸眼、长封固段、多压力层系的固井作业随之不断增多。

在一口井的井眼和套管之间注入水泥浆的过程称为固井。

自开始固井以来，固井的主要目的是封堵井眼内的油、气和水层。

此外，水泥环强度必须满足后期增产措施、射孔、开采和各项修井作业的需要，同时在井的生产期中也要满足经济性、可靠性、安全性的要求，而后续进行许多生产或增产作业，其成功与否与固井作业质量有很大关系。

低密度水泥固井可以降低套管外液柱压力，从而降低水泥浆液柱压力与地层孔隙压力差，实行合理压差固井，减少水泥浆滤液和固体颗粒侵入油气层，可减少对油气层的损害，有利于保护油气层：①、对于低压油、气层或漏层降低水泥浆密度可以防止堵塞、压死油、气层及漏失；②、对气井或有严重腐蚀套管的水、气层存在的油井，要使水泥浆返出地面，提高套管的使用年限，也需要降低水泥浆密度，减少静液柱压力；③、对于低压易漏深井长封固段注水泥，即便采用分级注水泥技术，仍希望尽可能降低水泥浆的静液柱压力，以便在较低泵压下获得较好的固井质量。

膨润土低密度水泥浆体系膨润土密度为2.60-2.70g/cm3主要由含粘土矿微晶的蒙脱石组成，经干燥、磨细而成的粉状物质。

国内主要产品有山东潍坊膨润土和安丘膨润土等。

膨润土具有规则的层状结构，层与层之间可以吸附大量的水分，使其体积膨胀，通常每克膨润土可以吸水5.3mL，体积膨胀达15倍以上，因此设计膨润土低密度水泥浆时主要靠增大用水量来实现低密度。

对于API G级水泥，水灰比为0.44时水泥浆密度约为1.90 g/cm3。

如使配制的水泥浆密度降低至1.55 g/cm3，则相应的水灰比约为0.93，这样扣除水泥本身的水灰比0.44，余下部分的水就需要增加膨润土来吸附。

在膨润土低密度水泥浆中，膨润土的作用有两个：一个作用是吸附水，另一个作用就是靠其吸水后的自身分散，悬浮支撑沉降的水泥颗粒，保持水泥浆体系的稳定性。

从理论上讲，膨润土低密度水泥浆的设计密度可低于1.5g/cm3，但事实上低于这个密度，就失去了其实际使用价值，这是因为随着水灰比增大，膨润土掺量也增大，而水泥石的强度降低，渗透性增加。

实验表明膨润土低密度水泥浆适宜的密度为1.53-1.58 g/cm3。

膨润土掺量为干水泥质量的8％-10％。

若采用预水化膨润土，达到相同的密度，则只需2％的预水化膨润土就相当于8％的干混膨润土效果。

美国API标准推荐每增加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，考虑到制备的水泥浆的流动性，用水量可作上、下调节，在流动性较差的情况下，常用减阻剂来改善。

膨润土低密度水泥浆能与大多数外加剂相容，但由于膨润土有极强的吸附性，有些外加剂可能被吸附，因此外加剂的掺量应根据需要按有关标准进行实验后确定。

由于膨润土有良好的保水性，添加膨润土的水泥浆游离液及失水量减少。

预水化膨润土，由于膨润土己充分膨胀吸水，因此，配制出的水泥浆与干混的相比，游离液量大、流动性差、稠化时间长、强度低、渗透性高，实际应用时以干混为好。

密度为1.50-1.60 g/cm3的膨润土低密度水泥浆，使用温度范围为40-100o C，其24h抗压强度为4.5Mpa-8.0MPa，膨润土的层状结构在温度高于100℃时，发生结构错动或偏扭，强度急剧下降。

在膨润土低密度水泥中掺加石英砂可以防止水泥石在高温下的强度衰退。

膨润土是最经济的一种材料，可将膨润土与水泥按比例预先干混，也可用预水化法加入混合水中。

干混有较多的优越性，通常采用干混较多。

己按比例准备好的混合水泥按正常施工即可。

膨润土低密度水泥具有货源广、成本低、使用方便优点。

彭润土低密度水泥作为先导水泥或充填水泥，曾大量用于渤海固井中。

据文献报道，膨润土低密度水泥在长庆油田进行了几百井次的固井，有效地防止了长庆洛河水层的固井漏失问题。

在深井中也曾应用过膨润土低密度水泥（井深达5500m，井底静止温度达160℃），这时，在水泥中掺加了石英砂以防止水泥石在高温下的强度衰退。

但由于膨润土低密度水泥主要是靠增加水量来降低密度的，膨润土仅起到增加浆体稳定性的作用，因此水泥抗压强度偏低仍是这种水泥的一个弱点。

粉煤灰低密度水泥浆体系粉煤灰又称飞灰，是从以煤为燃料的发电厂锅炉的烟气中收集的灰渣。

粉煤灰的化学成分以SiO2、Al2O3为主，并含有少量的Fe2O3、CaO、Na2O、K2O等。

粉煤灰的活性主要取决于非晶态的玻璃体成分及其结构，而不是取决于结晶矿物，玻璃体的含量越多，粉煤灰的化学活性越高。

采用粉煤灰作为水泥的减轻料时，应选择SiO2、Al2O3含量高的粉煤灰。

粉煤灰的密度一般为1.8-2.6g/cm3，松散容重为600kg/m3-1000kg/m3，压实容重为1000kg/m3-1400kg/m3，颗粒粒径为0.5μm－300μm。

粉煤灰在不同掺量下为达到同一设计密度，可以通过调整其用水量来实现。

粉煤灰掺量较小时，其相对需水量较大，水泥石的收缩率也较大：随着粉煤灰掺量的增加，水泥石的强度也逐渐增大，这是因为水固比逐渐变小的缘故；当掺量增加到与水泥成1:1（质量比）时其抗压强度最高．此时粉煤灰的用水量也接近其适宜需水量。

如果此时再继续增大粉煤灰掺量及相应的水灰比，不但水泥浆密度下降甚少，且单位体积中水泥含量下降，将影响水泥石强度的发展。

在实际应用中，粉煤灰低密度水泥浆根据粉煤灰的掺量不同，可调节的水泥浆密度范围为1.55－1.70g/cm3。

粉煤灰低密度水泥浆在长庆、大港、胜利获得大量推广应用，取得了好的固井效果。

粉煤灰的使用属三废利用，因此成本低，货源广，使用粉煤灰低密度水泥具有良好的经济效益和显著的社会效益。

漂珠低密度水泥浆体系漂珠低密度水泥又常称为（玻璃）微珠低密度水泥，有人也称其为空心玻璃球低密度水泥。

漂珠低密度水泥体系又可分为两种：纯漂珠低密度水泥体系和漂珠加微硅低密度水泥体系。

漂珠低密度水泥体系的发展经历了两个阶段，第一个阶段是纯漂珠低密度水泥阶段，第二个阶段是漂珠加微硅低密度水泥阶段。

目前应用最多的是漂珠加微硅低密度水泥体系，但纯漂珠低密度水泥体系目前仍在研究和应用。

漂珠低密度水泥是上个世纪七十年代中开发出来的一种低密度水泥，在我国八十年代初开始研究与应用。

热电厂粉煤灰中漂选出来的灰白色空心球体，具有质轻（颗粒密度为0.7g/cm3左右），其材质密度约为2.4g/cm3）、密闭（珠壳的壁厚为珠直径的5%-30%）、粒细（颗粒粒径约为40-250μm。

，比水泥颗粒大3-4倍）和活性等特点。

因为起减轻作用的主要是漂珠而不是水，所以随着漂珠加量的增加，可配制出一般减轻料达不到的低密度值的水泥浆（可配制出密度为1.08-1.44 g/cm3的低密度水泥浆）。

漂珠壳体主要由硅铝玻璃体质组成，能与水泥水化产物Ca(OH)2和矿物中的CaSO4反应，生成具有胶凝特性的产物，从而有利于水泥石强度的发展和渗透率的降低，是一种良好的减轻料。

对于漂珠低密度水泥，主要解决两个问题：水泥浆中漂珠上浮的浆体稳定性问题和提高水泥石早期强度的问题。

对于纯漂珠低密度水泥，主要是利用化学外加剂解决上述两个问题。

在油井水泥中掺入微硅可使水泥浆（石）的性能得到改善。

微硅可以像粉煤灰一样作为低密度水泥的填充料，但它的高反应活性可使低密度水泥的强度发展更好。

Mueller与Dillenbecklll研究了微硅在水泥中的化学反应机理和在水泥浆（包括低密度水泥浆）中所起的各种作用，也研究了其在低密度水泥中对水泥热稳定性的作用机理。

国内在九十年代中期开始了在漂珠低密度水泥中引入微硅的研究和应用。

在漂珠低密度水泥中引入微硅，使漂珠低密度水泥的性能得到了很大的改善，微硅所起的主要作用是提高浆体的沉降稳定性和水泥石的早期强度。

漂珠低密度水泥体系的弱点之一是在压力作用下漂珠会进水和破裂，使水泥浆密度增加。

在现场施工时，地面密度和井下密度不一致，因此，要根据井况在室内事先实测在压力作用下的水泥浆的真实密度，以此作为注水泥平衡压力设计的依据。

由于漂珠低密度水泥体系的这一弱点，给漂珠低密度水泥体系的防窜带来很大的难度。

泡沫水泥浆体系泡沫水泥浆是由水泥、含有外加剂的粘稠液体和气体共同形成的三相可压缩流体，具有良好的防窜能力和顶替效率。

泡沫水泥石塑性比常规水泥石好，能有效防止水泥石破裂，保证水泥环整体性。

从1994年在墨西哥海湾地区第一次采用泡沫水泥浆解决浅层水流动问题以来，已在墨西哥海湾、尼罗河三角洲和安哥拉等地区成功作业几百次。

成功的现场应用促进了泡沫水泥浆的发展，目前除用油井水泥来制备泡沫水泥浆外，还有Chatterj开发的矿渣泡沫水泥浆体系，Harlliburton公司Lance开发的铝酸钙泡沫水泥浆体系和Baireddy开发的较短“过渡时间”泡沫水泥浆体系、化学发泡泡沫水泥浆体系、高强中空微珠+化学发泡泡沫水泥浆体，Schlumberger公司Stiles开发的RAS泡沫水泥浆体系和David开发的低水灰比泡沫水泥浆体系等。

随着对环境保护的不断重视，近年国外加快了对环境友好的油井水泥外加剂、泡沫发泡剂和稳泡剂的开发。

其它低密度水泥体系除了上述几种低密度水泥体系外，还有其它低密度水泥体系，比较典型的如以微硅作为填充料的纯微硅低密度水泥体系。

为了进一步降低低密度水泥浆体系的密度和提高低密度水泥浆凝固后的抗压强度，近年来美国SCHLUMBERGER 公司推出一种全新的低密度水泥设计方法-Litcrete技术。

该技术以优化低密度水泥混合物材料的颗粒级配为基础，使用几种不同粒径低密度材料，使各材料之间得到最充分的相互充填，从而最大限度地降低水灰比，提高低密度水泥的空隙度、渗透率和抗压强度及其它性能。

该技术能设计出最低密度达1.20g/cm3的低密度水泥浆，强度、渗透率等性能与常规密度的水泥浆相当，为解决低压易漏地层提供了很好的办法，该技术在现场已经使用了2000多口井，效果良好。

目前，国外（主要是美国、俄罗斯和中东等国家和地区）对低压易漏长封固段井的固井主要采用低密度水泥浆体系进行，尤其以泡沫水泥为主，因为泡沫水泥浆与其它密度水泥浆相比具有较低的成本，且可以满足固井质量方面的要求等特点，同时，采用双级及多级注水泥技术等等。

国外在低密度新材料的研究和应用方面投入很大，开发出更高性能的低密度水泥浆体系，并接合先进的施工工艺来解决一些低压易漏复杂地层的固井难题。

国内自八十年代初开始主要研究和应用漂珠、坂土、粉煤灰等低密度水泥浆体系，较好地解决了浅井、中深井低压易漏失固井技术问题；九十年代，国内主要研究和发展了微硅和泡沫低密度水泥浆体系，近几年来开展了硅藻土复合低密度水泥浆研究，并在深井中进行了现场试验，基本满足了浅井和中深井低压易漏失固井技术要求。