微硅低密度固井水泥浆力学强度发展规律研究-辽宁化工2022年08期

摘      要： 固井水泥浆的抗压强度对于评价固井质量至关重要，针对不同微硅掺量与水泥石抗压强度之间的关系展开研究对水泥浆力学强度的发展和预测具有重要的现实意义。本文探讨了不同掺量微硅对水泥浆力学强度发展的影响规律，结合CT和SEM对对微硅低密度水泥浆的强度发展机理进行了探讨。研究结果表明：微硅对低密度水泥浆的力学强度的发展具有明显的促进作用，微硅掺量越高，促进作用越明显，且随水化龄期的增长，促进效果越显著。抗压强度与微硅掺量具有良好的线性关系，采用该模型可以快速计算水泥石抗压强度，从而可为水泥浆配方推荐和固井现场施工提供参考。

关  键  词：微硅; 低密度; 抗压强度; 强度发展; 线性回归

中图分类号：TE256     文献标识码： A     文章编号： 1004-0935（20202022）0×8-00001049-0×5

近年来，深海油气资源由于储量较大，已成为各国能源勘探和开发的重点与热点[1-3]。我国海洋油气资源十分丰富，南海石油地质资源量在2.3×1010～3.0×1010左右，天然气总地质资源量约为1.6×1014 m3，占中国油气总资源量的1/3，其中70%在深水海域[1， 4]。对深水油气资源进行高效的开发对于保障国家能源战略安全具有重要的经济价值和社会意义。然而，相比于常规陆上固井，深水表层固井面临低温、低压易漏等问题[5-7]。

针对深水固井作业中所面临的挑战，国内外研究者已经研发出多种深水低密度固井水泥体系，主要包括：快凝石膏水泥体系、紧密堆积水泥体系、高铝水泥体系、泡沫水泥体系、活性减轻剂填充水泥体系（微硅、矿渣、偏高岭土、粉煤灰）和液态胶体填充水泥体系等[7-13]。其中，微硅水泥浆体系由于浆体性能稳定、密度可调节范围大、在低温下有较高强度等优点，因此，适于低压、低温、易漏地层的固井[14]。微硅对波特兰水泥的性能有较好的改善效果，可使水泥孔结构得以加固，基质更加致密化，在与游离石灰（氧化钙）反应后，可产生额外的水化产物[15]。将微硅掺入水泥浆中可提高水泥石的抗渗性能，增加水泥石的强度[16]。Grutzeck等[16]研究表明，微硅与含氢氧化钙的水接触时会吸水生成一种粘性的胶状硅酸，这种胶状硅酸可与氢氧化钙反应，生成更趋致密的水硬性硅酸钙水合物。Cheng和Beirute[17]研究发现，微硅主要通过限制水泥体内的孔隙流动，以起到防止气窜的作用。同时，由于微硅颗粒本身较为细小，可聚集充填在水泥孔隙中，改善水泥石的微观结构，形成气密水泥并防止气侵，提高水泥石的抗渗性能。微硅的掺入能起到“成核”作用和“填充效应”[18]，对水泥石抗压强度的发展起促进作用[19]，对改善水泥基材料性能具有重要意义[20]。

微硅对水泥浆性能的促进作用毋庸置疑。抗压强度作为评价固井质量的重要参数，针对不同微硅掺量与水泥石抗压强度之间的关系展开研究具有重要意义，然而，相关的研究却鲜见报道。为此，本文通过宏观和微观测试，研究了微硅测试了掺微硅低密度水泥浆的抗压强度，结合线性回归对抗压强度与微硅掺量之间的关系进行了拟合，并通过计算机断层扫描（CT）和扫描电镜（SEM）对微硅低密度水泥浆的强度影响机理进行了分析，以期为抗压强度的预测及固井现场作业提供借鉴。

1  实验

1.1  实验材料

实验用到的材料包括：山东G级油井水泥（密度为3.15 g·/cm-3）、马鞍山漂珠（密度为0.60 g·/cm-33）、微硅（密度为2.20 g·/cm-33）。其中，漂珠主要起到降低浆体密度的作用。材料的粒度分布由英国马尔文Malvern Mastersizer-3000型激光粒度分析仪测得，如图1所示。材料的表面形貌图如图2所示。

实验用到的液体外加剂包括：降失水剂（G86L）、分散剂（F45L）和消泡剂（X60L），实验用水为人工海水。

1.2  实验方法

1.2.1  样品制备

在进行油井水泥的配方设计时，需要考虑固相粉体材料的影响以及功能性液体外加剂的影响。其中，固相粉体材料影响水泥石的物理力学性能，而液体添加剂主要影响浆体的综合性能。本文主要为探究不同微硅掺量（占水泥质量分数分别为0%，2%，5%，10%，15%）对水泥试样抗压强度和微观结构的影响，在进行配方设计时，保持水泥：漂珠：液体添加剂的比例不变，通过调整微硅（BWOC）和水灰比配制密度为1.50 g·/cm-3的水泥浆体系，水泥浆配方如图表21所示。

参照GB/T 19139-2012《油井水泥试验方法》配制水泥浆。在制样过程中，实际搅拌速度为4000 r/min，以防止漂珠剪切破碎。待水泥浆配制好后，一部分浆体用于流变性测试，另外的浆体分别浇筑于50.8 mm × 50.8 mm ×50.8 mm的带盖板的立方体铜制模具中（用于强度测试）和1 ml注射器内（用于CT扫描分析），并放在20℃的水浴养护釜中进行养护，待养护至规定龄期（1天、7天和14天）后，进行抗压强度测试和CT扫描测试分析。

参照GB/T 19139—2012《油井水泥试验方法》配制水泥浆。在制样过程中，实际搅拌速度为4 000 r·min-1，以防止漂珠剪切破碎。待水泥浆配制好后，一部分浆体用于流变性测试，另外的浆体分别浇筑于50.8 mm × 50.8 mm ×50.8 mm的带盖板的立方体铜制模具中（用于强度测试）和1 mL注射器内（用于CT扫描分析），并放在20 ℃的水浴养护釜中进行养护，待养护至规定龄期（1天、7天和14天）后，进行抗压强度测试和CT扫描测试分析。

1.2.2  水泥石抗压强度测试

选用力学强度试验机测试标准立方体样品（50.8 mm × 50.8 mm × 50.8 mm）的抗压强度，每次测试4个样品，并取平均值。

1.2.3  水泥石微观孔隙结构测试

采用数字岩心三维结构透视与分析CT系统（如图3所示）扫描测试注射器中样品的微观结构，采用Avizo软件提取分析水泥石的三维孔隙信息（孔隙率）。

1.2.4  水泥石断面形貌显微观测

待强度测试完成，选取部分破碎样品用锤子进一步敲碎。选取相对平整的样品，浸入无水酒精中浸泡7天。然后取出在50 ℃的真空干燥箱中烘干至恒重，采用SEM对样品进行显微观测。

2  结果与讨论

2.1  不同微硅掺量对水泥石抗压强度的影响

图4展示了不同微硅掺量条件下水泥石在1天，7天和14天的抗压强度。相比于未掺微硅的空白组W1，W2、W3、W4、W5在1天的抗压强度分别增加了4.68%、5.57%、39.42%和48.11%，在7天的抗压强度分别增加了3.46%、6.79%、13.97%和19.49%，在14天的抗压强度分别增加了0.76%、2.32%、16.60%和17.86%。随微硅的加入，水泥石在不同水化龄期的抗压强度均有明显提高。微硅掺量越高，水泥石抗压强度增长幅度越大。随水化龄期的增加，掺微硅的水泥石的抗压强度相对于空白组的增长率相对下降。由此可以看出，微硅可以增强水泥浆在低温条件下的性能表现，促进水泥石早期力学强度的发展。

2.2  抗压强度与微硅掺量的线性回归分析

为进一步探索不同微硅掺量对水泥石抗压强度的影响规律，采用一次线性方程和二次线性方程拟合了微硅掺量和抗压强度的关系，结果如图5所示。

由图5（a）可知，水泥石的抗压强度与微硅掺量具有很强的一次线性相关性。在1天水化龄期时，抗压强度和微硅之间的关系可用拟合方程y = 0.159 x + 4.352， R2 = 0.927表示，其中y为抗压强度，单位为MPa;x为微硅掺量（BWOC），单位为%;R2为拟合方差，无量纲。在7天水化龄期时，y = 0.202 x + 15.671， R2 = 0.997。在14天水化龄期时，y = 0.417 x + 29.711， R2 = 0.899。抗压强度与微硅质量分数呈正相关。随水化龄期的增加，斜率逐渐增加，微硅对水泥石后期抗压强度的促进作用大于早期龄期。水化龄期越高，促进作用越明显。

同样地，在图5（b）中，也可以得出类似的结论。由图5（b）可知，水泥石的抗压强度与微硅掺量具有很强的二次线性关系。在1天水化龄期时，抗压强度和微硅之间的关系可用拟合方程y = 0.0014 x2 + 0.138 x + 4.388， R2 = 0.929。在7天水化龄期时，y = - 0.0020 x2 + 0.232 x + 15.620， R2 = 0.998。在14天水化龄期时，y = - 0.0031 x2 + 0.464 x + 29.711， R2 = 0.900。随水化龄期的增加，抗压强度随微硅掺量的增加幅度逐渐增大。

由图5（a）可知，水泥石的抗压强度与微硅掺量具有很强的一次线性相关性。在1天水化龄期时，抗压强度和微硅之间的关系可用拟合方程y = 0.159 x + 4.352， R2 = 0.927表示，其中y为抗压强度，单位为MPa;x为微硅掺量（BWOC），单位为%;R2为拟合方差，无量纲。在7天水化龄期时，y = 0.202 x + 15.671， R2 = 0.997。在14天水化龄期时，y = 0.417 x + 29.711， R2 = 0.899。抗压强度与微硅质量分数呈正相关。随水化龄期的增加，斜率逐渐增加，微硅对水泥石后期抗压强度的促进作用大于早期龄期。水化龄期越高，促进作用越明显。

同样地，在图5（b）中，也可以得出类似的结论。由图5（b）可知，水泥石的抗压强度与微硅掺量具有很强的二次线性关系。在1天水化龄期时，抗压强度和微硅之间的关系可用拟合方程y = 0.001 4 x2 + 0.138 x + 4.38807fd9580ea72772567e23b2c10517bc8233b31a877b431a9aca45bfc626f09af， R2 = 0.929。在7天水化龄期时，y = - 0.002 0 x2 + 0.232 x + 15.620， R2 = 0.998。在14天水化龄期时，y = - 0.003 1 x2 + 0.464 x + 29.711， R2 = 0.900。随水化龄期的增加，抗压强度随微硅掺量的增加幅度逐渐增大。

（a）一次线性拟合; （b）二次线性拟合

2.3  水泥石微观结构变化

对注射器中的样品W1和W4进行了三维重构，截取边长为600个体素的立方单元体（实际扫描分辨率为3.38 μm），分析了单元体在z轴上的逐层面孔隙率变化，并与平均孔隙率进行了比对，结果分别如图6和图7所示。

由图6可知，W1样品的孔隙在XY截面上的分布相对比较均匀。但在z轴上不太均匀，且存在明显的不均匀沉降，上部孔隙率含量较高，下部孔隙率相对较低，沿z轴孔隙率逐渐呈逐渐增大趋势。由图7可知，W4样品的孔隙在XY截面和z方向上的分布皆相对比较均匀。在W4中存在个别大孔隙，但大孔含量较低。结合图6和图7分析可知，W1的孔隙率为28.5%，而W4的孔隙率较高，为23.9%。W4的孔隙率低于W1，说明微硅的加入可以有效降低水泥石的孔隙率。

（a） xy平面截图; （b） 三维微观结构; （c） z方向上逐层面孔隙率变化由图6可知，W1样品的孔隙在XY截面上的分布相对比较均匀。但在z轴上不太均匀，且存在明显的不均匀沉降，上部孔隙率含量较高，下部孔隙率相对较低，沿z轴孔隙率逐渐呈逐渐增大趋势。由图7可知，W4样品的孔隙在XY截面和z方向上的分布皆相对比较均匀。在W4中存在个别大孔隙，但大孔含量较低。结合图6和图7分析可知，W1的孔隙率为28.5%，而W4的孔隙率较高，为23.9%。W4的孔隙率低于W1，说明微硅的加入可以有效降低水泥石的孔隙率。

2.4  抗压强度与微观结构变化机理探讨

2.4  三级标题粘贴在这

图8显示了水泥石样品W1和W4水化14天后的断面形貌图。从图8a可以看出，未掺微硅的W1样品呈现出疏松多孔的微观结构，断面可见大量的片状氢氧化钙。相比于未掺微硅的空白对照组W1，掺10%微硅的W4样品的微观结构更加致密，且表面未见明显的片状氧化钙（图8b）。

随着微硅的掺入及掺量的增加，氢氧化钙逐渐被消耗。微硅含量越高，火山灰效应越明显，CH消耗越快，水化生成的C-S-H凝胶相对越多，水泥石抗压强度越高。一方面，细小的微硅颗粒可以填充在水泥颗粒和漂珠的空隙之中，起到良好的填充效应。同时，微硅中的活性二氧化硅可以与水泥水化生成的氢氧化钙发生火山灰反应，生成相比于传统C-S-H更趋致密的火山灰水化硅酸钙水合物（C-S-H）。此外，具有高比表面积的微硅颗粒还可以充当水化产物的成核位点，从而促进水泥颗粒的水化及火山灰反应的进行。上述三种效应有效提高了水泥石的致密性，这一结果也很好地解释了抗压强度随微硅掺量的增加而增大的现象（如图4和图5），以及水泥石的孔隙率随微硅掺入而降低（如图6和图7）。

随着微硅的掺入及掺量的增加，氢氧化钙逐渐被消耗。微硅含量越高，火山灰效应越明显，CH消耗越快，水化生成的C-S-H凝胶相对越多，水泥石抗压强度越高。一方面，细小的微硅颗粒可以填充在水泥颗粒和漂珠的空隙之中，起到良好的填充效应。同时，微硅中的活性二氧化硅可以与水泥水化生成的氢氧化钙发生火山灰反应，生成相比于传统C-S-H更趋致密的火山灰水化硅酸钙水合物（C-S-H）。此外，具有高比表面积的微硅颗粒还可以充当水化产物的成核位点，从而促进水泥颗粒的水化及火山灰反应的进行。上述三种效应有效提高了水泥石的致密性，这一结果也很好地解释了抗压强度随微硅掺量的增加而增大的现象（如图4和图5），以及水泥石的孔隙率随微硅掺入而降低（如图6和图7）。

3  结论与展望

（1）    1）微硅的掺入可以消耗水泥水化产生的氢氧化钙，提高水泥石的致密性，降低水泥石的孔隙率，促进水泥石力学强度的发展。微硅掺量越高，对强度的促进作用越明显。且微硅对水泥石后期水化龄期的强度的促进作用大于早期龄期。

（2）    2）水泥石的抗压强度和微硅掺量具有明显的一次线性关系和二次线性关系。在1天水化龄期时，水泥石抗压强度和微硅掺量之间的关系

可用拟合方程y = 0.159 x + 4.352， R2 = 0.927和

y = 0.001 4 x2 + 0.138 x + 4.388， R2 = 0.929表示;在7天水化龄期时，y = 0.202 x + 15.671， R2 = 0.997和y = - 0.002 0 x2 + 0.232 x + 15.620， R2 = 0.998;在14天水化龄期时，y = 0.417 x + 29.711， R2 = 0.899和y = - 0.003 1 x2 + 0.464 x + 29.711， R2 = 0.900。

（3）    3）所得线性回归方程预测精度比较准确，可为水泥石力学强度的预测提供借鉴，对于微硅低密度固井水泥浆的研究具有一定参考价值。

参考文献：

[1]李清平. 我国海洋深水油气开发面临的挑战[J]. 中国海上油气， 2006， 18 （2）： 130-133.

[2]江文荣， 周雯雯， 贾怀存. 世界海洋油气勘探潜力及利用前景[J]. 天然气地球科学， 2010， 21 （6）： 989-995.

[3]雷霆， 王大珩， 翟文周， 等. 低温低密度水泥复合减轻材料研究[J]. 科技和产业， 2020， 20 （7）：171-175.

[4]刘雅馨， 钱基， 熊利平， 等. 我国深水油气开发的必要性与可行性分析[J]. 中国矿业， 2013， 22 （3）： 45-48.

[5]廖易波， 李望军， 范鹏， 等. 深水表层固井水泥浆体系的优选[J]. 科技视界， 2019 （23）： 4.

[6]田径. 海洋深水表层固井水泥浆体系浅析[J]. 化工管理， 2020 （11）： 2..

[7]陈宇， 纪经， 冯颖韬， 等. 深水开发井表层套管固井水泥浆研究与应用[J]. 辽宁化工， 2022， 51 （1）： 4..

[8]BIEZEN E， RAVI K. Designing effective zonal isolation for high- pressure/high-temperature and low temperature wells[C]. SPE 57583， 1999.

[9]PIOT B， FERRI A， MANANGA S P， et al. West Africa deepwater wells benefit from lowtemperature cements[C]. SPE 67774， 2001.

[10]宋茂林， 肖淼， 耿国伟. 液体减轻低密度水泥浆体系在南海深水井的应用[J]. 石化技术， 2019， 26 （6）： 2.

[11]冯颖韬， 宋茂林， 张浩， 等. 深水固井液体减轻低密度水泥浆体系[J]. 钻井液与完井液， 2017， 34 （4）： 5.

[12]朱江林， 李占东， 韦江雄， 等. 超细"G"级油井水泥低温低密度水泥浆研究[J]. 科技视界， 2020 （15）： 3.

[13]郭胜来， 李建华， 步玉环. 低温下物理和化学激发矿渣活性的影响研究[J]. 石油钻探技术， 2013， 41 （3）： 31-34.

[14]王大权， 韩相义. 微硅低密度水泥的现场应用[J]. 石油钻采工艺， 1996， 18 （1）： 44-46.

[15]高明， 刘宁， 陈兵. 微硅粉改性磷酸镁水泥砂浆试验研究[J]. 建筑材料学报， 2020， 023 （001）： 29-34.

[16]宋建建， 许明标， 周俊，等. 针状硅灰石微粉改善固井水泥浆性能研究[J]. 硅酸盐通报， 2018， 37 （8）： 6.

[17] GRINROD M， VASSOY B， DINGSOYR E O. Development and use of a gas-tight cement[JC]. SPE-17258， 1988.

[18]水中和， 魏小胜， 王栋民. 现代混凝土科学技术[M]. 科学出版社， 2014.

[19]马保国， 韩磊， 李海南， 等. 掺合料对硫铝酸盐水泥性能的影响[J]. 新型建筑材料， 2014， （9）：19-21.

[20]廖国胜， 徐路， 廖宜顺. 硅灰对硫铝酸盐水泥水化行为的影响机理[J]. 建筑材料学报， 2017， 20 （6）： 840-845..

Research on the development of mechanical strength of

silica fume low-density cement slurry

Xiao Wei1， Wang Jin-xing2， Chen Yu1， Huang Feng1， Tian Jin1

（1. COSL Oilfield Chemistry Research Institute， Hebei Langfang 065201， China;

2. COSL Oilfield Chemicals Zhanjiang Branch， Guangdong Zhanjiang 524057， China）

Abstract：  The compressive strength of cemen5R6qJfRprq363RO/ndXaLA==t slurry is very important for evaluating the cementing quality. It is of great practical significance to study the relationship between different content of silica fume and the compressive strength of cement stone for the development and prediction of the mechanical strength of cement slurry. In this paper， the influence of different amounts of silica fume on the development of mechanical strength of cement slurry is discussed， and the strength development mechanism of silica fume low-density cement slurry is discussed in combination with CT and SEM. The research results show that silica fume has a significant effect on the development of mechanical strength of low-density cement slurry. The compressive strength has a good linear relationship with the content of silica fume. Using this model， the compressive strength of cement stone can be quickly calculated， which can provide reference for cement slurry formulation recommendation and cementing site construction.

Key words：  Silica fume;  low density;  compressive strength development;  linear regression