维普资讯 http://www.cqvip.com 第２９卷第３期 石 油 学 报 Ｖｏ１．２９ Ｎｏ．３ Ｍａｙ ２００８ ２００８年５月 ＡＣＴＡ ＰＥＴＲＯＬＥＩ ＳＩＮＩＣＡ 文章编号：０２５３—２６９７（２００８）０３—０４３５—０３ 深井高温条件下油井水泥强度变化规律研究 杨智光 崔海清 肖志兴 黑龙江大庆 １６３４１３） ２大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院（１．大庆石油学院提高油气采收率教育部重点实验室 黑龙江大庆 １６３３１８；摘要：对深井高温条件下Ｇ级油井水泥石强度变化特点进行了实验研究，分析了温度、硅砂加量对Ｇ级油井水泥石强度的影响。 实验表明：Ｇ级油井水泥石在高温条件下产生强度衰退，强度衰退的临界温度分别为１１０。Ｃ和１５０¨Ｃ。在水泥中加入硅砂可以抑制 水泥石的高温强度衰退，硅砂的合理加量为水泥量的３０％～４Ｏ％。由于高温下水泥中的水化产物会发生变化，因此温度对水泥石 强度也产生影响。 关键词：深井；固井；水泥石；强度；影响因素；硅砂；高温 中图分类号：ＴＥ２５６ 文献标识码：Ａ Ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｃｅｍｅｎｔ ｓｔｏｎｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｉｎ ｔｈｅ ｄｅｅｐ ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｉｌ ｗｅｌｌ ＹＡＮＧ Ｚｈｉｇｕａｎｇ ＣＵＩ Ｈａｉｑｉｎｇ ＸＩＡＯ Ｚｈｉｘｉｎｇ （１．Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｆｏｒ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｏｉｌ ａｎｄ Ｇａｓ Ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｏｆ ｔｈｅ Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｄａｑｉｎｇ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ， Ｄａｑｉｎｇ １６３３１８，Ｃｈｉｎａ；２．Ｄｒｉｌｌｉｎｇ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｄａｑｉｎｇ Ｄｒｉｌｌｉｎｇ ａｎｄ Ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｄａｑｉｎｇ １ ６３４１ ３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｈａｎｇｉｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ Ｃｌａｓｓ Ｇ ｃｅｍｅｎｔ ｓｔｏｎｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｉｎ ｔｈｅ ｄｅｅｐ ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｉｌ ｗｅｌｌ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎ— ｔａｌｌｙ．Ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｔｈｅ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｓｉｌｉｃａ ｓａｎｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｃｅｍｅｎｔ ｓｔｏｎｅ ｗｅｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｃｅ— 、髓艇趟 ｍｅｎｔ ｓｔｏｎｅ ｂｅｇｉｎｓ ｔＯ ｄｅｃｌｉｎｅ ａｔ ｔｈｅ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ ｏｆ １ １ ０℃ａｎｄ １ ５０℃，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｓｉｌｉｃａ ｓａｎｄ ａｄｄｅｄ ｉｎｔｏ ｃｅ— ｍｅｎｔ ｃａｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅ ｄｅｃｌｉｎｅ ｏｆ ｃｅｍｅｎｔ ｓｔｏｎｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ．Ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｒａｔｉｏ ｏｆ ｓｉｌｉｃａ ｓａｎｄ ｒａｎｇｅｄ ｆｒｏｍ ３０ ｐｅｒｃｅｎｔ ｔＯ ４０ ｐｅｒｃｅｎｔ．Ｔｈｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｃｅｍｅｎｔ ｓｔｏｎｅ ｗａｓ ａｌｓｏ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｂｙ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｈｙｄｒａｔｅ ｉｎ ｃｅｍｅｎｔ ａｔ ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｄｅｅｐ ｗｅｌｌ；ｗｅｌｌ ｃｅｍｅｎｔｉｎｇ；ｃｅｍｅｎｔ ｓｔｏｎｅ；ｓｔｒｅｎｇｔｈ；ａｆｆｅｃｔｉｎｇ ｆａｃｔｏｒｓ；ｓｉｌｉｃａ ｓａｎｄ；ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ 油井水泥高温强度衰退是深井高温条件下油井 水泥工程性能产生的主要变化之一ｌ１ ］，也是影响深井 固井、油井水泥封固质量的重要因素。笔者系统地分 当温度达到１５０。Ｃ时，再一次产生较明显的衰退变化。 因此，可以将１１０℃和１５０。Ｃ分别看作产生强度衰退的 ２个临界温度点。 析和研究了高温条件下（１１０￣２００℃）水泥石强度变化 的规律及本质，进一步明确了强度衰退临界温度及抑 制强度衰退的合理加砂量，为实现以Ｇ级水泥为基础 的深井固井优化设计提供了依据。 １ 温度对原浆水泥强度的影响 利用高温高压养护釜和高温高压胶凝强度仪，按 照ＡＰＩ标准的实验方法，对原浆水泥进行了实验测试 和分析，实验结果如图１、图２所示。 在养护时间分别为２４ｈ和４８ ｈ的条件下，温度对 图１温度对Ｇ级原浆水泥强度的影响 Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｎ ｏｒｉｇｉｎａｌ ｃｅｍｅｎｔ ｓｌｕｒｒｙ ｓｔｒｅｎｇｔｈ 实验结果进一步表明（图２），当温度在１１Ｏ℃以下 水泥强度的影响结果表明（图１），随着温度的升高，水 泥石强度曲线存在２个明显的衰退点，即当温度增加 时，在低于１１０℃时，水泥石强度基本呈增加趋势，而 超过１１０℃后，随温度的增加，水泥石强度开始下降； 时，随养护时间的延长，水泥石强度在达到最高值后， 或变得较平稳，或仍具有上升的趋势，如在８０℃、 ９０℃、１００。Ｃ条件下，养护时间约为１５ ｈ达到一个较高 强度值后，水泥石强度仍平缓增加，并一直持续到４ ｄ 基金项目：中国石油天然气集团公司科学研究与技术开发项目（０４Ｂ２０９１５００）“海拉尔及大庆深层提高钻井速度和固井质量研究”资助。 作者简介：杨智光，男，１９６６年３月生，１９９０年毕业于大庆石油学院，现为大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院院长、高级工程师，大庆石油学院在 读博士研究生，主要从事钻井工程技术方面的研究工作。Ｅ—ｍａｉｌ：ｙａｎｇｚｈｉｇｕａｎｇ＠ｃｎｐｃ．ｔｏｍ．ｃｎ 维普资讯 http://www.cqvip.com 436石油学报2008年第29卷左右才有所减缓但其强度值已达到了较高的水平，。由图3可见养护时间对水泥石强度变化的影响，当温度达到110℃。、养护时间达到48h时强度曲，一可分为两种情况在：110～150℃。时水泥石强度以明，，线即开始平缓延伸，这表明水泥浆的水化已达到110℃个显的二级台阶式持续增长即在早期养护时间内水。较完善的程度也充分体现了提高温度对水泥浆水化进程的加速作用30。泥石强度随时间延长而增大，但增大到一定程度后，而当温度高于时随着养护，随时间的继续延长水泥石强度基本保持原有水平(或微弱的上升下降趋势)、一。达到某一时间后强度值再，一击趟25次随着时间的增加而显著增大直至发展到，定程兰2015℃。I一*口度后继续平缓增长相对很短14416816]。当温度达到，150℃时这种台，js鹭105O0阶式发育形式即变得不明显此时台阶所持续的时间℃120一一日柏。而在160～200℃时早期强度增加迅速，，24487296／h几乎在24h内即可达到最高值；而后随时间的延长。，养护时间图2不同温度条件下G级原浆水泥强度随时间的变化Fig．勰a强度便以不同幅度下降40温度越高下降幅度越明显，。2Thefeatusreoforiginslcemenratreslurry353025trengthatvarioutempetu20温度的提高水泥石强度发育曲线出现了较明显的规，15律性变化到一。早期随着时间的延长水泥石强度增大；达，，，Fd蓦、毯骥硝摄105O定程度后则随时间的延长而降低强度的降低程，养护时同／h度随温度升高而增强且产生强度衰退的起始时间随温度的升高而提前。图3Fig．不同温度条件下添加30％硅砂的水泥浆强度变化3Thess如在150℃130℃，时养护，48h左右开trengthdachavarngeusoftecemenmtslurreryadding30％始产生强度衰退；在呈衰退趋势；而在时养护，14h左右强度开始6hilicasantioperatu170℃。时其衰退点则提前至180℃，左右强度衰退明显，但当温度达到，强度发育曲，由于在适宜的温度条件下(高于C；S150℃)加入的硅线在最初达到一个较大值随养护时间的增长强度不200℃110℃砂能够与原浆水泥形成的水化产物发生反应而得到。产生明显的衰退(如研究表明16]，时)但其强度值却很低，H，及C。S。H，，改变了水泥石的水化物组成及微。。在：时油井水泥水化所形成的但温观结构口]从而提高了抗压强度然而由于硅砂与水CSH(1I)及C：SH，凝胶能够在水泥石中形成良好的。化产物问的反应是靠参与反应物质的界面接触及通过最初产物层扩散接触而进行的温度增高有助于提高，凝聚网络结构对水泥石强度的发展是有利的度超过二110℃后CS，H，凝胶将转变为高碱性水化硅酸这种产物具有较大尺寸的结晶、反应的速度。如在，110～150℃时由于硅砂参与反应，钙水合物(C：SH)的速度并不快最初所获得的强度增长实际上可能仍，能够在水泥石中结成渗透率相对较高强度却较低的板块状物料从而削弱了水泥石的强度，。是由最初的早期水化产物造成的而产生第二次强度，同时当温度，增长则主要由硅砂反应生成高强度产物的结果。在温，进一步提高时由于所生成的水化物结晶完善程度受，度为160~200℃时硅砂参与反应的速度加快与油，，到晶体脱水水泥石孔隙增大等也会明显地影响，、井水泥的水化反应几乎同时进行在强度曲线上并不水泥石的强度。温度超过。150℃后导致强度再，一次存在明显的强度再增长的迹象3。产生较明显的衰退联系因此油井水泥强度的变化规律与合理加砂量的确定以水灰比为05及0．．水泥浆水化及水化产物随温度的变化情况有密切的。55为配浆条件检测了在养，护时间为影响(图48h。及不同温度下硅砂加量对水泥强度的10％2温度对加砂水泥强度的影响大量研究结果表明¨。“。4)，当加砂量小于190℃时在最初的温度变，，化范围内其强度变化规律与原浆差别不大且强度低于原浆只在约，’，高温条件下向水泥浆中，时其强度高于原浆，。在温度低加入适量含有活性SiO：的材料能使油井水泥石强度得到不同程度的改变。于110℃时随着加砂量的增加强度略呈下降的趋，图3为掺加硅砂的G级水泥。势；当温度超过，110℃及加砂量超过。25％时随着加砂，浆体系在不同温度条件下抗压强度的发育与变化量的增加水泥强度才逐渐增大加砂量达到30％时维普资讯 http://www.cqvip.com 第3期Bd皇、下油井水泥强度变化规律研究杨智光等：深井高温条件芒lII、髓辑出描越疆坦辖437的水泥强度均高于原浆，。因此从满足工程性能及水，石强度最初为上升110℃一，而后变化较平稳。温度超过泥浆成本等方面考虑硅砂的合理加量应为40％。30％～时在养护初期随养护时间的增长而增大；达到，定程度后随养护时间的继续延长其强度开始衰，，。退加入硅砂可以抑制水泥强度的衰退(3)当温度为110～。150C。。时油井水泥强度曲线，存在明显的二级台阶式变化(4)，高温下加入硅砂能够有效地抑制水泥石强度110～衰退当井温为150℃；时深井固井水泥浆中合，理硅砂的含量为30％温度(70a当井温为160～200C。。时超深，，℃．井固井水泥浆中硅砂的合理含量为5040％)水灰比为0参[1]Elizance考cto文fcur献ingtemaGo，OilloilwettJEcem．Effetsmperatureontohseperform605040302010follenadehwithdiffe，renttypesfilic．a[J]．CementandConcreteResearc19，19(5)：703714．[2]丁树修1996，．高温地热井水泥水化硬化的研究[J]534(4)：3399硅酸盐学报6，24x．DingShuaiuhe．Aastudyeonhydratioentnandhardeloningheofhighesetemper0tureocgeotrmlwllcem[J]．．JournaftChinCeramic温度／℃(b)水灰比为055．Siety，1996，24(4)：3399图Fig．4petra加砂水泥强度随温度的变化ture．4Teminfluensanceonthestrengthchangeofcemenaddingd由上述结果可见当硅砂加量较低时(如，10％)，改善水泥强度的产物，C；S。H；及C。S。H极少；而在加～～一一一一～～一～一～一砂量较高的情况下硅砂与水化产物作用减少高碱性水化硅酸二钙水合物(C：SH)的含量而生成了大量的，具有较高强度和较低渗透率的C；&，H；，抑制了水泥高温强度的衰退现象能够获得相对较多的有利于改善水泥石强度的物质150℃，。但C；S。H。的最高稳定温度约为，超过此温度后将转变为C。S。H，由于c。s。H。所形成的网架结构相对较粗大削弱了水泥石的强度由于硅砂所进行的反应是从硅砂界面开始逐渐向颗粒内部进行的当硅砂加入量过大时水泥石结构中，，必定会残存一些产生点蚀或面蚀表面伴生结晶产物、的硅砂粒子¨7“]，这些晶体粒子与硅砂的联结力较弱，，破坏了水泥石的结构完整性必然造成水泥强度降低4。结(1)，论在养护时间为24h110℃和和48h。时随着温度的提，究及应用EJ]钻井液与完井液．，2005，22(5)eta：2427．QiZhiganang，XnuYijio，WangtKuipingtar，1．Perfo．rmanceresearch高原浆水泥石强度在强度衰退临界点(2)。150C时有2个明显的dmapplicatiof，oilcemenrederSDH2EJ]DrillingFluid&CopletionFluid2(105，22(5)：2427．温度低于110℃时随养护时间的延长水泥，，(收稿日期20070705改回日期200711'05编辑仇学艳)
