低密度礦渣膨潤土漿體系研究

周 雪，宋偉賓，安少輝，沙林浩，段美銘

（1.中國石油集團(tuán)海洋工程有限公司渤星公司，天津300451；2.寧波諾丁漢大學(xué)，浙江寧波315100）

1 概述

目前油價(jià)持續(xù)低迷，面對如此嚴(yán)峻局勢，國內(nèi)石油行業(yè)積極提出措施降本增效，以平穩(wěn)度過嚴(yán)寒期。油田開發(fā)最核心的工作就是低成本開發(fā)戰(zhàn)略，最根本的措施是創(chuàng)新創(chuàng)效、提質(zhì)增效和節(jié)支保效。

礦渣膨潤土漿體系，即是以高爐礦渣為水化材料，外加礦渣激活劑、水泥、膨潤土等外加劑配制成性能優(yōu)良的低密度礦渣水泥漿體系。該體系具有提高固井質(zhì)量、節(jié)約固井成本、保護(hù)環(huán)境三大優(yōu)勢，自20世紀(jì)90年代首次成功使用至今，已大量推廣至各油田的各種固井施工作業(yè)中，從技套、油套到尾管，從直井、定向井到水平井都已順利應(yīng)用，在目前的形勢下，有很高的推廣應(yīng)用價(jià)值。但是，由于礦渣膨潤土漿體系部分常用外加劑含有重金屬離子，不符合環(huán)保意義，因此需要開發(fā)新型環(huán)保型外加劑，以滿足施工要求。

本文通過室內(nèi)試驗(yàn)，開發(fā)了一種新型環(huán)保型緩凝劑BAS-2；研究了環(huán)保型低密度礦渣膨潤土漿體系，對于提高非主力油層固井質(zhì)量，節(jié)約固井成本有重要意義。

2 高爐礦渣理化性能及激活技術(shù)的研究

2.1 礦渣的形成、結(jié)構(gòu)及化學(xué)組成

水淬高爐礦渣（BFS，簡稱礦渣）是鋼鐵廠的廢棄物，是高爐煉鐵時(shí)，由鐵礦石中的SiO2、Al2O3等土質(zhì)成分與作為助溶劑的石灰石和白云石中的CaO、

MgO在1400℃～1600℃高溫下熔融而成。生成的以硅酸鈣（鎂）和鋁酸鈣（鎂）主的液渣，密度一般為1.55～2.2g/cm3，比鐵水輕，浮在鐵水上面，定期從排渣口排出，經(jīng)水淬后形成粒狀顆粒物。主要成分有CaO、SiO2、Al2O3，它們的含量通常在90%左右，另外還有少量的Fe2O3、MgO、MnO、TiO2等，基本上與波特蘭水泥的化學(xué)成分類似，只是在氧化物含量上有所差別，相比之下，礦渣中的CaO含量比較低，SiO2含量較高。從物理結(jié)構(gòu)看，它主要是結(jié)晶相和玻璃相的聚合體，在這個(gè)聚合體中，玻璃相是活性組分而結(jié)晶相是隋性組分。

2.2 高爐礦渣激活技術(shù)的研究

礦渣的水硬活性是潛在的，在一般條件下礦渣—水漿體并不具有水硬性，而只有在激活劑的水溶液中，礦渣的水硬活性才被激發(fā)出來。當(dāng)?shù)V渣處于堿性溶液中時(shí)，礦渣玻璃體表面的Ca2+、Mg2+在OH-離子的作用下，形成Ca（OH）2和Mg（OH）2沉淀，使玻璃體表面遭到破壞、促使礦渣進(jìn)一步水化。玻璃體內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，Ca-O和Mg-O鍵要強(qiáng)于Si-O鍵，因此在玻璃體表面受OH-破壞后，連續(xù)相的富鈣相玻璃體為OH-經(jīng)已被破壞的表面結(jié)構(gòu)進(jìn)入玻璃體內(nèi)部提供了必要通道，使OH-與網(wǎng)絡(luò)改性體Mg2+、Ca2+發(fā)生反應(yīng)，形成Ca（OH）2和Mg（OH）2，而激活劑中的Na+、K+或其它離子與Ca2+、Mg2+進(jìn)行替換，連接在Si-O鍵或/和Al-O鍵上，從而導(dǎo)致了玻璃體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的破壞、分解和溶解，其方程如下：

≡Si-O-Ca-O-Si≡+2NaOH →2≡Si-O-Na+Ca（OH）2

而Ca（OH）2沉淀在溶液中有一個(gè)平衡離子濃度。Ca（OH）2與體系中溶出的活性SiO2反應(yīng)，生成離子濃度更小的C-S-H凝膠，因此C-S-H凝膠多相平衡破壞了Ca（OH）2的多相離子平衡，隨著水化反應(yīng)的繼續(xù)，Ca（OH）2晶體不斷溶解，C-S-H凝膠不斷沉積，使?jié){體不斷變稠并硬化，宏觀強(qiáng)度迅速增加。由此可見，在堿性激活劑作用下，礦渣水化反應(yīng)是在玻璃體內(nèi)部的硅酸鹽、鋁酸鹽結(jié)構(gòu)被OH-攻擊破壞后，迅速引發(fā)的，并能很快使礦渣形成強(qiáng)度。

3 礦渣膨潤土漿體系研究

3.1 室內(nèi)試驗(yàn)

本文針對非主力油層井段，立足于前人研究經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行了礦渣膨潤土漿設(shè)計(jì)研究。為了拓寬礦渣膨潤土漿的適用范圍，滿足不同地區(qū)不同井況的現(xiàn)場施工要求，本文設(shè)計(jì)了1.50g/cm3、1.60g/cm3和1.75g/cm3三種密度方案。本文試驗(yàn)采用濟(jì)鋼礦渣，實(shí)驗(yàn)溫度50℃～90℃，實(shí)驗(yàn)壓力30MPa，升溫時(shí)間30min。

礦渣膨潤土漿由礦渣、G級水泥、膨潤土、激活劑BAS-1、緩凝劑BAS-2組成。

（1）密度1.50g/cm3漿配方為100份礦渣，6份G級水泥，6份膨潤土，4份激活劑BAS-1，112份水，以及緩凝劑BAS-2。

（2）密度1.60g/cm3漿配方為100份礦渣，6份G級水泥，6份膨潤土，4份激活劑BAS-1，80份水，以及緩凝劑BAS-2。

（3）密度1.75 g/cm3漿配方為100份礦渣，6份膨潤土，7份激活劑BAS-1，58份水，以及緩凝劑BAS-2。

3.2 漿體流變性

低密度礦渣膨潤土漿流變性能好，紊流臨界排量低，可以提高頂替效率。但1.75g/cm3礦渣膨潤土漿水灰比小，粘度較大，需在漿體中加入減阻劑來調(diào)整流變性能，降低施工風(fēng)險(xiǎn)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)水泥漿常用萘系磺酸鹽類減阻劑、木質(zhì)素磺酸鹽類減阻劑等對礦渣膨潤土漿沒有分散效果，而鉆井液常用減阻劑含有重金屬成分，降低了漿體的環(huán)保意義，不含金屬成分的鉆井液用助劑類效果也不甚理想。為便于現(xiàn)場施工應(yīng)用，需要開發(fā)更適合礦渣膨潤土漿體系的新型減阻劑。

研究發(fā)現(xiàn)，減阻劑產(chǎn)生分散作用的原因主要有以下幾方面：

（1）減阻劑吸附于固液界面上，降低了界面自由能從而減弱了自發(fā)絮凝的熱力學(xué)過程。

（2）體系中顆粒始終處于相互碰撞狀態(tài)。減阻劑吸附于固液界面后，形成一層溶劑化膜阻礙了顆粒相互接近。

（3）對于離子型減阻劑，減阻劑吸附在固體顆粒表面后，使得所有顆粒表面帶相同電荷，從而相互排斥。

通過大量摸索試驗(yàn)，開發(fā)出具有分散效果的緩凝劑BAS-2。試驗(yàn)表明，緩凝劑BAS-2分散效果明顯，且有一定的防觸變效果。密度1.75g/cm3漿添加緩凝劑BAS-2前，初始稠度達(dá)到40Bc左右，有明顯的觸變效果；添加4%～6%緩凝劑BAS-2后，漿體初始稠度均低于25Bc，觸變效果得到消除，漿體流變性能得到很好改善，而且稠化時(shí)間滿足非主力油層井段施工要求。漿體流變性能對比見表1。

表1 密度1.75g/cm3漿加BAS-2前后流變性能對比

3.3 稠化時(shí)間

影響礦渣膨潤土漿稠化時(shí)間的因素主要有溫度、緩凝劑和激活劑。一般溫度升高、礦渣激活劑加量增大，稠化時(shí)間縮短。緩凝劑加量增加，稠化時(shí)間加長。因此，在保證流變性及抗壓強(qiáng)度的同時(shí)，調(diào)整各種處理劑的加量，使稠化時(shí)間滿足施工要求。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，緩凝劑BAS-2有很好的緩凝效果，且呈明顯線性關(guān)系，見表2。圖1、圖2為不同密度不同配方的稠化曲線。

表2 稠化時(shí)間表

圖1 密度1.50g/cm3漿BAS-2加量1%和2%稠化曲線

圖2 密度1.75g/cm3漿BAS-2加量4%和6%稠化曲線

從圖中發(fā)展趨勢可以看出，體系初始稠度較小，均小于30Bc。前期曲線發(fā)展平穩(wěn)，基本實(shí)現(xiàn)直角轉(zhuǎn)化。隨緩凝劑BAS-2加量增加，稠化時(shí)間增加，且呈明顯線性關(guān)系。

3.4 抗壓強(qiáng)度

低密度礦渣膨潤土漿早期強(qiáng)度發(fā)展快，能夠保證壓穩(wěn)地層?？箟簭?qiáng)度隨密度增加呈增長趨勢。因?yàn)殡S密度增加，漿體中固相含量增加，礦渣水化所產(chǎn)生的膠凝物質(zhì)增加，表現(xiàn)為抗壓強(qiáng)度的增大。對比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，緩凝劑BAS-2的摻量變化，對水泥石塊的抗壓強(qiáng)度影響不明顯。見表3。

表3 抗壓強(qiáng)度表

3.5 API失水

低密度礦渣膨潤土漿體系的API失水量一般可控制在100mL以下，在相同密度條件下，緩凝劑BAS-2的加量多少對失水量沒有影響。隨礦渣膨潤土漿密度增大，固相含量增加，液相含量減小，API失水量隨之降低。滿足非主力油層段地層固井的需求。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

應(yīng)用室內(nèi)研究成果，在勝利油田的某井進(jìn)行了低密度礦渣膨潤土漿的應(yīng)用。該井是位于濟(jì)陽坳陷東營凹陷中央斷裂背斜構(gòu)造帶的一口評價(jià)井。該井井身分3次鉆進(jìn)，一開井深351m，二開井深2952m，三開井深3220m。本次固井針對二開井段，固井段0～2950m，井眼內(nèi)徑241.3mm，套管外徑177mm。該井段井眼較大，鉆遇地層主要為為明化鎮(zhèn)組、館陶組、東營組、沙一段、沙二段、沙三上中段。地層成巖性差，泥巖性較軟且砂層發(fā)育。應(yīng)用低密度礦渣膨潤土漿體系進(jìn)行了二開技術(shù)套管固井，固井過程順利施工，固井質(zhì)量良好。

5 結(jié)論和建議

（1）緩凝劑BAS-2不含重金屬材料，符合環(huán)保要求；提高漿體流動(dòng)性；對礦渣膨潤土漿體系的緩凝效果呈線性關(guān)系；有一定的防觸變性能，對抗壓強(qiáng)度沒有影響。

（2）低密度礦渣膨潤土漿體系稠化時(shí)間可調(diào)，體系流動(dòng)性好，符合環(huán)保要求，對于提高非主力油層固井質(zhì)量有很好效果。

（3）礦渣來源廣泛且廉價(jià)，環(huán)保效果好，與常規(guī)水泥漿相比可以節(jié)約大量的固井成本，在油田固井中具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，尤其在目前嚴(yán)峻形勢下，有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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