鋁酸鹽水泥固井材料在稠油熱采環(huán)境下的性能

武治強(qiáng) 李 強(qiáng) 岳家平 李早元 郭小陽(yáng)

(1. 中海油研究總院有限責(zé)任公司, 北京 100028； 2. 西南石油大學(xué)， 成都 610500)

海上稠油開采通常采用熱力采油法，其中又以蒸汽吞吐法為主，蒸汽溫度通常高達(dá)300～350 ℃[1-2]。熱采井的固井材料通常以硅酸鹽水泥為主材，摻入一定量的石英砂來(lái)保證水泥石在高溫條件下不衰退。在熱采井蒸汽吞吐前，硅酸鹽水泥固井材料是能夠保證固井質(zhì)量的，但經(jīng)過多個(gè)輪次的蒸汽吞吐后，水泥石會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)度明顯下降、滲透率急劇增大等現(xiàn)象。水泥環(huán)的完整性和均質(zhì)性如果因此遭到破壞，就會(huì)危及套管安全和層間封隔性能，甚至導(dǎo)致稠油井報(bào)廢[3-6]。

固井材料需要長(zhǎng)期在蒸汽熱采條件下的井筒中服役，固井水泥環(huán)的長(zhǎng)期完整性至關(guān)重要。與普通硅酸鹽水泥相比，鋁酸鹽水泥具有更好的耐高溫性能。熱采井的固井材料改用鋁酸鹽水泥為主材，有助于提高固井質(zhì)量，從而延長(zhǎng)油井的生產(chǎn)壽命。我們模擬高溫蒸汽吞吐熱采作業(yè)環(huán)境，實(shí)驗(yàn)檢測(cè)了鋁酸鹽水泥在稠油熱采條件下的耐高溫完整性，并分析了其作用機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菣z測(cè)稠油熱采條件下的水泥石耐高溫性能。實(shí)驗(yàn)檢測(cè)內(nèi)容主要包括高溫前后水泥石的抗壓強(qiáng)度、滲透率、孔隙度、孔徑分布等的變化情況。

實(shí)驗(yàn)材料選用國(guó)產(chǎn)某品牌的典型鋁酸鹽水泥。按API規(guī)范制備水泥漿，在70 ℃恒溫水浴養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)7 d。凝固后，進(jìn)行高溫濕熱條件養(yǎng)護(hù)(實(shí)驗(yàn)條件為：315 ℃，21 MPa，7 d)。

分別使用抗壓強(qiáng)度測(cè)試儀、滲透率測(cè)試儀測(cè)試水泥石高溫前后的抗壓強(qiáng)度和滲透率，采用壓汞法測(cè)試水泥石高溫前后的孔隙度、孔徑分布，系統(tǒng)評(píng)價(jià)鋁酸鹽水泥石的耐高溫濕熱性能。采用X-射線衍射儀(XRD)和掃描電子顯微鏡(SEM)，檢測(cè)水泥石試樣在高溫前后的礦物組成和微觀形貌。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 水泥石的抗壓強(qiáng)度

取高溫養(yǎng)護(hù)前后的水泥石試樣，測(cè)試其抗壓強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)測(cè)試條件：用抗壓強(qiáng)度測(cè)試儀恒速壓至水泥石破裂。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 水泥石的抗壓強(qiáng)度變化情況

在低溫凝固7 d后，鋁酸鹽水泥材料的抗壓強(qiáng)度為12 MPa。模擬熱力采油工況(高溫濕熱條件)養(yǎng)護(hù)后，水泥石的抗壓強(qiáng)度略有上升，超過了15 MPa。

2.2 水泥石的滲透率

取高溫養(yǎng)護(hù)前后的水泥石試樣，測(cè)試其滲透率。實(shí)驗(yàn)測(cè)試條件：用實(shí)驗(yàn)室自制多功能滲透率測(cè)試儀測(cè)試滲透率，測(cè)試溫度為50 ℃。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 水泥石的滲透率變化情況

在高溫濕熱條件養(yǎng)護(hù)前后，水泥石的滲透率均小于0.1×10-3μm2，沒有明顯增大的趨勢(shì)。理論上，這種滲透率的水泥石能夠有效減少流體竄流的發(fā)生。

2.3 水泥石的孔隙度

取高溫養(yǎng)護(hù)前后的水泥石試樣，用壓汞法測(cè)試其孔隙度變化情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 水泥石的孔隙度變化情況

孔隙度反映水泥石中空隙的發(fā)育程度，孔隙度越小，在一定程度上說明水泥石越致密。高溫養(yǎng)護(hù)后，水泥石中的凝膠小孔略有增大，但整體處于較低水平。

2.4 水泥石的孔徑分布

取相同的水泥石試樣，用壓汞法測(cè)試其孔喉分布情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

孔喉分布是評(píng)價(jià)水泥石高溫前后微觀孔隙結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要因素，它反映了水泥石的流體滲透和通過能力。經(jīng)高溫濕熱條件養(yǎng)護(hù)7 d后，水泥石試樣的孔喉半徑略微增大，但仍屬于較小的孔徑分布范圍。

圖4 水泥石的孔徑分布情況

2.5 水泥石的礦物組分和微觀形貌

水泥石試樣分別在低溫50 ℃和高溫315 ℃養(yǎng)護(hù)后，水化產(chǎn)物的XRD分析圖譜如圖5所示。在低溫養(yǎng)護(hù)條件下，鋁酸鹽水泥石的水化產(chǎn)物主要為六水鋁酸三鈣(簡(jiǎn)寫為C3AH6)和氫氧化鋁凝膠(簡(jiǎn)寫為AH3)；經(jīng)315 ℃高溫養(yǎng)護(hù)后，其主要礦物組分為C3AH6和AlO(OH)(偏氫氧化鋁)。

圖5 水泥石的水化產(chǎn)物XRD分析圖譜

鋁酸鹽水泥石的微觀形貌如圖6所示(放大倍數(shù)為5 000)。在低溫養(yǎng)護(hù)條件下，C3AH6呈現(xiàn)為立方晶體，通常呈等大粒子的集聚狀，其微觀結(jié)構(gòu)相對(duì)致密，這與相應(yīng)的XRD圖譜分析結(jié)果相符合。

經(jīng)過高溫養(yǎng)護(hù)后，水泥石的骨架結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，由原來(lái)疏散的晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橹旅艿木w結(jié)構(gòu)。其原因主要是在高溫過程中AH3失去水分，轉(zhuǎn)化為AlO(OH)。

鋁酸鹽水泥的水化產(chǎn)物中無(wú)Ca(OH)2生成。和普通硅酸鹽水泥相比，它在遇到高溫?zé)嵴羝那闆r下，也就沒有Ca(OH)2分解為CaO后再吸收水分轉(zhuǎn)化為Ca(OH)2時(shí)產(chǎn)生的體積膨脹性破壞效應(yīng)，不存在因晶型轉(zhuǎn)變?cè)斐傻慕Y(jié)構(gòu)缺陷，能夠保持水泥石的完整性。

圖6 水泥石的微觀形貌變化

在遼河油田齊40區(qū)塊的一口蒸汽驅(qū)開發(fā)井應(yīng)用了鋁酸鹽水泥漿體系，其結(jié)果表明：鋁酸鹽水泥具有良好的耐高溫性能，能有效滿足稠油熱采井固井施工要求[7]。

3 結(jié) 語(yǔ)

(1) 選用典型鋁酸鹽水泥，按API規(guī)范制備水泥漿，模擬高溫蒸汽吞吐熱采作業(yè)環(huán)境，檢測(cè)水泥石在高溫濕熱條件(315 ℃)養(yǎng)護(hù)前后的抗壓強(qiáng)度、滲透率、孔隙度及孔喉分布。結(jié)果表明，鋁酸鹽水泥材料具有良好的耐高溫性能。

(2) 在高溫養(yǎng)護(hù)前后，鋁酸鹽水泥石的水化產(chǎn)物均為密實(shí)立方晶體的水榴石相C3AH6。

(3) 鋁酸鹽水泥的耐高溫機(jī)理：其水化產(chǎn)物C3AH6屬于穩(wěn)定相，晶體結(jié)構(gòu)相對(duì)致密；水化產(chǎn)物中沒有Ca(OH)2，不存在因晶型轉(zhuǎn)變?cè)斐山Y(jié)構(gòu)缺陷，能夠保持水泥石的完整性。

(4) 鋁酸鹽水泥材料應(yīng)用于稠油熱采井固井作業(yè)，能夠彌補(bǔ)普通硅酸鹽水泥材料高溫強(qiáng)度衰退的缺陷，延長(zhǎng)稠油井生產(chǎn)壽命。