(中石化胜利石油工程有限公司固井技术服务中心 山东省东营市 257000)
摘要：窑灰可以激发辅助性胶凝材料，减少水泥的用量，保护环境，具有可持续发展意义。油田固井每年要消耗大量的水泥，辅助性胶凝材料在固井水泥浆体系中也被广泛应用，那么研究窑灰在固井水泥浆中的应用，同样也具有重要意义。大多数国内水泥生产企业通过循环系统将窑灰掺入水泥生料进行再利用，造成了国内利用窑灰的研究较少。本研究开展了窑灰在固井粉煤灰水泥浆体系的研究工作，为国内窑灰的利用提供借鉴。
关键词：水泥窑灰；粉煤灰；泥浆体系
我国对于油田开采的程度不断加深，随着越来越少的石油储量，其勘测和开发的难度越来越大，在现有的油田中，通过一定的技术增加产量对石油消耗有一定的缓解作用。对于现阶段越来越多的低渗透油田和特低渗透油田，以往的直井开发技术收效甚微，必须加强研究，通过技术改革提高单井产量，才能获得较好的收益。降低开发成本是油田开采必须注重的一方面，增加产量有利于提高整体收益。油田的勘探开发离不开钻井技术的支持，对于当前探井和生产井难度不断加大的现状，只有对水平井进行深入研究，了解其特点，才能在实际开发中攻坚克难，增加固井质量。
1水平井固井水泥浆体系特点
1.1水平井固井特点
在实际开发中，石油资源越来越稀缺，开采难度越来越大，水平井面临着井深、压力体系多、井段长、井温高等挑战。井深是指石油深藏在地下，获取石油必须同时打造更深的水平井才能接触到产层;压力体系多是指在一个水平井中有不止一个压力体系，为开采带来阻碍；井段长是指在裸眼井段中，井下的复杂层比较丰富，开采危险性增加;井温高是指在较深层次下，井的温度要比常温高很多，与此同时带来的是反应活性大，对于水泥浆体系的要求变得更高，因此固井耗费的费用也会比常规井段高很多。
1.2水平井固井水泥浆体系特点
低密度的水泥浆体系往往拥有高强度的特点，其流变性能较好，在欠平衡钻井完井体系中具有不可替代的作用，而水泥浆体系较低的滤失量保证了其良好的堵漏性能和防窜性能。高密度的水泥浆体系通过添加超细球形加重剂来控制粒径分布，并使材料在微观层次上紧密堆积，在添加分散剂后，保证高密度的同时流动性能良好，失水量在可接受范围之内。矿渣水泥浆体系是通过冶炼生铁的副产物加工制成的，是一种良好的胶凝材料，可以替代水泥，具有成本廉价的优势。
2水平井固井完井技术要求
2.1固井要求
发挥水泥环的支护作用在固井过程中大有裨益，当水平井在施工过程中偏离井下轨迹时，水泥环的作用便可显现出来，有效减小套管进人水平井中受到的纵向地层的压力。当出现岩层渗透、砂岩掉落等问题时，必须及时对水平井固井技术进行特殊革新，防止发生不必要的意外。通常要满足水平井固井具有一定的强度，支撑松动岩层;进行射孔建造时，考虑其正常工作所需的均匀环空，介质填充时尽量选择性能均一的水泥减小内应力;为防止井段层间窜通，隔离和封闭产层和渗透性岩层也是一项非常重要的工作。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆
2.2注水泥技术要求
选择钻井液时重视粘度指标，高粘度的钻井液在后期解决高角和岩屑中发挥了重要作用，同时也可以避免在钻井途中出现岩屑床影响施工;尽量增强水平井固井水泥浆体系的韧性，可以有效减少凝固后在重力作用下形成的井筒内自由液体通道中油、气、水的流窜，具有实际的应用意义;套管的质量关系到套管能否正常进人井段，除此之外，井身质量和井段轨迹也会影响进人过程;实际操作过程中重力作用不可忽视，泥浆凝固后套管很容易偏向侧钻孔底层，水泥浆顶替效率不能保证。
2.3水泥浆体系设计要求
当前大多数油田运用的水平井固井水泥浆体系具有低密度的特点，在微观层次上，固体离子堆积提高了水泥浆的固相体积，使其具有更高的强度。在配置时，保证水泥浆体系良好的流变性能、较短的稠化时间。较低的滤失量、适宜的密度减轻材料和较高的早期强度，有利于水泥浆体系作用的发挥。
3水泥窑灰替代粉煤灰的固井水泥浆体系实验
水泥窑灰是回转窑生产硅酸盐类水泥熟料时从窑尾废气中经收尘设备收集的干燥粉末。窑灰是水泥生产中除二氧化碳以外对环境影响最大的副产物，其排放量相当于熟料的10%-20%。窑灰的主要成分是碳酸钙、二氧化硅及少量碱性组分。在国外，窑灰已被用作工业酸水的中和剂和土壤固化剂。近些年，在水泥工业面临着二氧化碳减排的巨大压力下，具有胶凝特性的工业副产物作为辅助性胶凝材料被广泛应用。
采用美国TA公司的TAM air微量热计测试水泥水化热及水化速率，以及采用美国Chandle公司5265型静胶凝强度分析仪不间断跟踪水泥浆静胶凝强度的发展。Bruke公司D2粉末衍射仪(XRD)用于窑灰的物相分析。Bruker公司Tenser 27型衰减全反射红外光谱仪(ATR-IR)用于窑灰的成分分析。自制绝热装置，用于监测水泥浆水化过程的温升状况，每次所用水泥浆为750 mL。配制水泥浆及其他试验方法，均依据API规范。固井粉煤灰水泥浆体系的混合材料通常含有高达40 %- 60%粉煤灰。在本研究中，以50% APIG级水泥和50%粉煤灰组成的混合材料，并以0% 、5% 、15%、30%窑灰替代混合材料，考察窑灰在粉煤灰水泥浆中的应用性能。用于配浆的混合水与胶凝材料的比例为0. 5。胶凝材料视为:水泥、粉煤灰及窑灰。
水泥窑灰是水泥生产过程中，窑尾收集的粉尘。粉末衍射和红外光谱分析均表明:窑灰的主要成分为碳酸钙、二氧化硅，以及少量氧化钙和氢氧化钙。由50 % APIG级水泥和50%粉煤灰组成的混合材料，开展窑灰对粉煤灰水泥浆体系影响的研究工作，可得到以下结论:
（1）随窑灰替代量递增时，水化反应的诱导期逐步缩短，热流曲线的峰值到来时间逐步提前，起静胶凝强度的时间呈现缩短趋势，这表明窑灰具有低温促凝作用。另外，累计放热量及绝热条件下的最高温升呈现下降趋势，这可能是由于窑灰属于非胶凝材料的缘故。
（2）随着窑灰替代量的增加，水泥浆表观劲度(PV)降低，浆体流动度增加，水泥浆屈服值(YP)呈现先增加后减少的趋势，5%窑灰替代量屈服值较大。自由液和API失水均随着窑灰的引入明显减少，以及水泥柱最上段与最下段密度差在0. 025-0.033 g/cm3之间，均说明窑灰具有稳定水泥浆体的作用。
（3）随着窑灰替代量的增加，达到100 Bc稠化时间缩短，稠化曲线没有增稠及闪凝等不良现象，30-70 Bc过渡时间及SPN值呈现缩短趋势。
（4）窑灰5%替代量时，水泥石早期（12h）及后期（24h，6d）强度均较空白样有所提高。在窑灰替代量为15%及30%时，早期强度虽有所提高，但后期强度相比空白样均有所降低。
参考文献:
[1]赵琥,代丹,王大珩,宋维凯,陈宇.低热复合储能增强材料在深水固井水泥浆体系中的协同作用[J].海洋工程装备与技术,2019,6(S1):299-304.
[2]陈立超,王生维,张典坤,李瑞,吕帅锋.固井水泥浆侵入对煤储层压裂裂缝延展的影响[J].天然气工业,2019,39(08):74-81.
[3]冯威.水平井固井水泥浆体系特点及应用探讨[J].西部探矿工程,2019,31(06):49-50.
[4]李早元,赵军,王希勇,郑冠一,罗德明,符铁松.川深1井固井水泥浆高温沉降稳定性研究与应用[J].钻井液与完井液,2019,36(03):338-343+348.
[5]李波,陆永伟.纳米二氧化硅对固井水泥浆性能的影响[J].河南科技,2019(13):96-99.
论文作者:马雪莲,郭泉
论文发表刊物:《论证与研究》2020年1期
论文发表时间:2020/5/6