中石化中原石油工程有限公司固井公司
1加重材料粒径选择和级配比例设计
加重剂是配制高密度水泥浆的必需部分，而铁矿粉又是加重剂中最为常见的种类。铁矿粉自身密度大，颗粒细小，与水泥浆体系不发生化学反应，物理化学性质稳定，按不同比例添加后可大幅度提高浆体密度，但是同时又会对浆体的流变、强度、沉降稳定性等主要性能产生影响，如何在保证性能优异的情况下，获得高密度乃至超高密度的水泥浆是研究的热点和难题。对于密度不大于2.30ｇ／ｃｍ3的加重水泥浆，选用粒度较细的铁矿粉（800目、1200目）容易获得较好的水泥浆性能。而单独使用粒度较粗的铁矿粉（400目以下）则很难得到性能良好的水泥浆。对于密度大于2.30ｇ／ｃｍ3的加重水泥浆，将高低目数不同粒度的铁矿粉进行复配，得到特殊的粒径分布，发挥填充作用，获取的更佳的性能，同时节约成本。以密度为2.10ｇ／ｃｍ3的不同目数赤铁矿粉的颗粒级配实验（200目和1200目复配）为例。相同的实验方法得到其他不同目数的复配实验数据。通过激光粒度仪分析检测得到了硅粉、各种目数赤铁矿粉的粒径分布曲线，如下图1。
通过计算，将按照不同比例复配的铁矿粉组合的粒径累积曲线做出来，并挑选出浆体性能较优的复配组，对比相应的粒径累积曲线。性能较优的复配组比例和粒径曲线如下。单从曲线看出，性能较好的组的级配曲线大致有两类。第一类如单独使用800目和1200目，粒径全部在10μｍ以下；第二类复配后，在10μｍ附近（5μｍ～30μｍ）出现明显的断层区，即该粒径范围的颗粒较缺失。而该粒径范围恰是水泥颗粒的主要分布区，猜想可能铁矿粉在该区缺失后，与水泥颗粒形成连续级配，对强度和流变性更有利。对于高温高密度水泥浆，配方中添加比例更高的细铁矿粉，更容易获得流变性能良好的水泥浆。
2硅粉加量对水泥石强度的影响
所有的硅酸盐油井水泥，在临界温度以上都要发生强度衰退，同时渗透率增加，掺有缓凝剂和高含水量的水泥浆这种高温强度衰退现象尤为严重。一般用于深井或高温井的各类水泥，当温度达到110℃时便会产生强度下降，而达到140℃以上时强度损失更为严重，更高的温度（230℃以上）可能导致水泥石完全丧失机械强度而崩溃。高温下水泥石
强度衰退，影响油井使用寿命。人们从生产和实践研究中知道水泥的强度衰退问题，可通过加入硅砂来降低水泥石中的Ｃａ（ＯＨ）2和钙硅比（Ｃ／Ｓ），能有效抑制硅酸盐油井水泥在高温下的强度衰退现象。Ｔａｙｌｏｒ研究了在恒定养护时间不同钙硅比Ｃ／Ｓ的各种硅酸钙化合物的形成调节，调节钙硅比平均值1.5，并逐渐加入35％～40％（占水泥质量分数）的二氧化硅，使Ｃ／Ｓ降低至1.0左右，从而防止110℃时转化为α－Ｃ2ＳＨ，此时将形成雪硅钙石，从而使水泥保持较高强度和低渗透率。养护温度升高到150℃时，雪硅钙石通常转化为硬硅钙石和少量的白钙沸石，它对水泥性能的衰退作用最校一般来说，水泥中主要所含的硅酸钙水合物的Ｃ／Ｓ摩尔比不大于1时，抗压强度较高，渗透率较低。调查研究表明：使用硅粉的最低温度为110℃，因为在此温度下，纯水泥石出现强度下降。大多数井底静止温度在110～204℃条件下，石英粉的掺量为35％～40％，在高温条件下，硅粉粒径的选择，掺量多少才能获得最优的水泥石强度性能，是本文研究的重点。选取1.90ｇ／ｃｍ3和2.50ｇ／ｃｍ3的水泥浆，测定其水泥石强度及强度衰退情况。对于常规1.90ｇ／ｃｍ3的高温水泥浆，配方中添加35％～45％（ＢＷＯＣ）的300目硅粉，可以获得最优的强度性能。对于2.50ｇ／ｃｍ3的高温高密度水泥浆，配方中添加60％（ＢＷＯＣ）的300目硅粉，可以获得较高的抗压强度，并且强度不衰退。
3缓凝剂加量对水泥浆失水性能的影响
对于超高温水泥浆体系的建立，最关键的材料就是高温缓凝剂，研选一种加量相对少，温度敏感性和加量敏感性符合施工要求，具有足够的稠化时间来保证固井施工安全，这是尤为重要的。在实验中发现，某些缓凝剂的加量会破坏ＡＭＰＳ类降失水剂的性能，导致水泥浆失水明显变大，对高温高密度配方设计产生不利影响。ＷＨ缓凝剂随着加量的增加，会对水泥浆的降失水效果产生明显不利的影响。因此，在水泥浆配方设计时，高温高压失水实验要根据实际的缓凝剂加量执行。尤其是对于高温高密度水泥浆，缓凝剂加量增加，会导致失水变大，为了控制失水，必然加大降失水剂加量，水泥浆稠度上升，加重剂的加量增加，配方的干混材料配比发生变化。缓凝剂加量的变化导致了水泥浆性能变化的连锁反应，因此，针对某种特定的缓凝剂，在配方设计时，一定要考虑其对失水的影响。
4高温沉降稳定性设计
对于水泥浆的稳定性近几年逐渐引起人们的高度重视。已经证明，许多水泥浆由于配方设计不合理，稳定性差，产生沉降，析出自由水。使用这样的水泥浆，由于其性能不稳定，静止时产生沉降，并伴随游离水析出，容易造成固井过程中的环空桥堵或气窜，特别是在大斜度井和水平井中。在低温下，由于晶体内部的黏滞力作用较强、固井施工时间短、沉降问题不突出。但在高温条件下，由于水泥外掺料和外加剂的加入，以及高温使布朗运动加剧，破坏了浆体内部的黏滞力，造成了水泥颗粒和外掺料颗粒的沉降加快，同时固井施工时间也
比较长，从而使问题变得更加突出。提高体系的悬浮稳定性的方法，一方面可通过减小颗粒的直径，由此减小颗粒下沉的速度，减小保持浆体稳定所需的切力；另外可通过增加体系内固相材料的比表面积，通过提高体系的黏度、切力而提高体系的悬浮稳定性。
参考文献
[1] 固井水泥浆体系的优化[J]. 任书方. 化学工程与装备. 2017(05)
论文作者:孙悦
论文发表刊物:《科技尚品》2018年第12期
论文发表时间:2019/7/18
标签：水泥浆论文; 水泥论文; 粒径论文; 高温论文; 强度论文; 性能论文; 铁矿论文; 《科技尚品》2018年第12期论文;