超细低密度水泥浆的研制与应用.doc

超细低密度水泥浆的研制及其应用 L G 地区储层深 ,均为深井和超深井 ,岩性、压力来较大的风险和困难。长封固段带来大温差问题突系统复杂 ,地层压力系数从 1. 0 到 1. 75 不等 ,长裸眼段压力窗口窄,极易发生井漏。为实现平衡压力固井 ,采用了低密度水泥浆加常规密度水泥的浆柱结构,在确保主要目的层的封固质量的同时,还要求根据颗粒级配原理 ,实现漂珠、水泥、超细水泥、保证对上部气层实现有效封隔,这不仅需要“三高气井低密度水泥浆克服早期强度低 ,沉降稳定性差 ,渗透率较高等缺点,还要具有良好的防气窜性能, 良好的防漏堵漏功能等特性 ,才能满足该地区固井的要求。L G地区固井技术难点:1) 井深 ,封固段长 ,封固层位多,压力系统复杂 ,上部存在气层 ,钻井过程中从沙一段到东岳庙组均存在不同程度的气测异常或气侵的情况 ,防气窜难度大。 2) 地层承压能力低 ,施工中高泵压极可能造成井漏 ,导致水泥浆返高达不到要求。必须采用正注反挤的工艺措施来保证全井封固质量 ,耗时费力 ,增加成本。 3) 气井封固段长 ,一次固井封固段经常出现在2000 m 以上 ,注灰量大 ,固井施工泵压高,给固井带来较大的风险和困难。长封固段带来大温差问题突出,井眼上部水泥石强度发展缓慢 ,影响电测质量。2 设计思路 根据颗粒级配原理 ,实现漂珠、水泥、超细水泥、微硅等特种不同粒度分布的材料进行组合 ,优化设计各组分的比例 ,使之尽可能地达到高的体积堆积系数 P V F 值 ,实现紧密堆积。水泥颗粒的平均粒径为2030m ,小于 10m的粒子不足,水泥粒子之间的填充性并不好。加入超细粒子粗细组合 ,可使堆积体的孔隙率达到很小的程度。在水泥中掺入超细掺和材料 ,如超细水泥 ,微硅粉等 ,可以大幅度地改善胶凝材料颗粒的填充性 ,提高水泥石的致密度、抗渗透性与水泥石强度。利用超细水泥细化后水化加快;强度发育更快;浆体更加稳定;水泥石更均匀、致密;填充性能更好;活性比微硅更高,不需要激活 ,低温下仍然能发挥强度等一系列物化性能改善的有利因素 ,取代一部分 G 级油井水泥 ,使低密度水泥浆的各项性能得到提高。3 室内实验3. 2 . 1 超细水泥及多元复合粉体特性研究按A PI 标准方法完成超细水泥各项性能的检验。从表 1 中可以看出,相同水灰比条件下,超细水泥具有非常明显的高早强的特性 , 由于其颗粒小,凝结强度发展形态好 ,从 48 Pa 到 240 Pa 的过渡时间比表面积大 ,水化迅速且充分,使水泥的早期强度得以充分发挥 ,其优良的悬浮分散能力更有利于低密度水泥浆的稳定性。实验证明:超细水泥用于低密度水泥浆具有增加稳定性、提高早期抗压强度、降低渗透率等诸多优点。 表 1 超细水泥增强性能表（ 30 ）抗压强度 MPa 水泥W/ C 3d7d18d超细水泥0.714.018.719.6G 级水泥 0.76.914.616.2 通过多次实验 ,调整几种材料比例 ,使之达到较高的 P V F 值 ,最终调配各组分比例为超细水泥占基本水泥质量的7 %12 % ,漂珠的质量比为 15 % 35 %的多元复合高性能低密度水泥浆体系,根据实 验 ,水灰比为 0. 560. 6 ,能确保良好的浆体性能。该体系颗粒粒度分布曲线见图1 。适当增加直径 310 m 水化颗粒的比例 ,能有效提高水泥石的早期强度和浆体的沉降稳定性.加入并调整直径为 1m以下潜在活性颗粒的比例 , 使之较大程度地填充到上级颗粒的缝隙当中,起到密实的作用。3. 2 . 2 水泥浆工程性能研究 超细水泥低密度水泥浆体系 表 2主要具有以下特点: 水泥浆密度为 1. 201. 50 g/ cm3 ; 水泥浆具有良好的流变性 ,较短的稠化过渡时间; 静胶凝强度发展形态好 ,从 48 Pa 到 240 Pa的过渡时间小于20 min ,具有良好的防气窜性能; A PI 失水量小于50mL, 由于SD18 为非渗透成膜型降失水剂 ,密度水泥浆的稳定性。实验证明:超细水泥用于低超细粉体材料的加入起到充填密实作用 ,有效地控制失水; 水泥石强度更高, 1. 20 g/ cm3,水泥石 75,24 h 强度高于14 MPa ; 该体系使用玻璃微珠能保证井底压力条件下水泥浆密度恒定不变的特点,使施工安全更有保障。从表 3 看出,该体系与常规低密度水泥浆相比,具有较好的流动能力和较低的滤失量 ,更高的早期强度。表2低密度水泥浆体系性能表（75）干混料外加剂密度流动度稠化时间API失水量抗压强度流变性表3不同低密度水泥浆体系性能比较表干混材料密度（g/cm3）流动度(cm)稠化时间(min)API失水量(ml)抗压强度【Mpa/(7024h)】常规1.3024256686.8超细水泥+漂珠1.30211803713.0超细水泥+微珠1.30211783614.33. 2 . 3 水泥浆防气窜性能评价从表4 中可以看出,该体系稠化过渡时间短,失水量小,水泥浆气窜潜力系数 S PN值小,防气窜能力强。形成的水泥石具有微膨胀、低渗透率等特点, 渗透率接近常规水泥石 ,具有良好的层间封隔与后期防气窜的功能,更有利于延长油气井的开采寿命。表4低密度水泥浆体系防气窜性能表（103）密度（g/cm3）稠化时间(min)100bc稠化时间(min) 30bc失水量(ml)SPN值1.30240230442.621.40225216402.211.50186177362.203. 2 . 4 水泥浆防漏堵漏性能评价该体系由于加入防漏复合纤维 SD66 ,使之发挥了良好的防漏堵漏能力 ,10min内能堵住漏失,提高漏失地层的承压能力达6. 0 MPa (表5) ,更好地保障 了施工过程中发生井漏时的施工安全和固井质量。表5低密度水泥浆堵漏性能表配方10min承压(MPa)漏失量(ml)备注2SD66+1.8SD1868252mm孔板2SD66+1.8SD1868402mm缝板2SD66+1.8SD1859203mm孔板2SD66+1.8SD1859203mm缝板5 结论1 ） 超细水泥具有改善基本水泥颗粒级配 ,起到提高粉体堆积密实程度的作用。2) 超细水泥低密度水泥浆体系克服了常规低密度水泥浆体系早期强度低、稳定性差、易分层等缺点,具有较高的早期强度和稳定性 ,水泥石微膨胀、渗透率低等优点;水泥浆体系稠化时间从低温到高温均能可调 ,流变性可根据设计要求调整。3) 水泥浆体系失水量小,静胶凝过渡时间小于20 min ,稠化时间从30100 Bc 的时间小于20 min , 具有良好的防气窜性能和具有较强的防漏堵漏的能力。现场成功应用20 余口井次,测井曲线显示固井质量良好。超细水泥的发展水泥注浆材料自1838 年英国汤姆逊隧道开始应用 ,人们在实践中发现普通水泥粒径较大 ,渗透能力有限 ,一般只能渗入大于 0 . 1mm 的裂隙或空隙 ,而对于微细裂隙注浆加固效果较差 , 因此转向化学注浆材料的研究 , 由于化学注浆材料的价格高、配方复杂 ,而且大多数化学注浆材料都有毒 ,其发展受到限制 ,尤其 1974 年 日本上 冈县发生注浆污染事故后 , 日本 、美国相继禁止了有毒浆材的使用 。为了在低渗透介质中提高水泥的可注性 ,超细水泥注浆材料成了研究的热点 。日本早在 20 世纪 70 年代初率先研制成超细水泥灌浆材料 ,美、俄国也相继开发成这一产品, 由于浆液稳定性好 ,渗透能力强 ,可达到和化学浆材相近的可注性 ,且浆材无污染 ,价格低 廉 ,因此迅速地得到广泛应用 , 同时利用超细水泥研制的各种灌浆材料和工艺 ,在工程中的应用越来越广泛 。 1 生产现状 超细水泥的生产原料与普通水泥大致相同,在组成上的主要不同点是在制备过程中加入了一些性能调节剂 ,超细水泥的生产是以普通水泥或水泥熟料为原料 ,采用一定的粉磨设备制得 ,常用的粉磨设备有球磨机、振动磨、雷蒙磨、搅拌磨、气流磨等 ,使其颗粒细化。国外资料认为超细水泥最大粒径应 20m 有必要指出的是最大粒径并非绝对意义上的最大粒径 ,若最大粒径 20m ,通常指 d95 20 m平均粒径为35 m 。还有人认为岩基缝隙大于水泥粒子 35倍时,浆体能够顺利灌入裂缝中。国内有专家认为超细水泥的比,表面积应 10000cm / g 才称得上超细水泥。 由于超细水泥在制造过程中受到冲击、研磨、挤压、弯曲等机 械力的连续、共同作用 ,使水泥中的粗颗粒在逐步被粉碎的过程 中,细度急剧下降,比表面积迅速增大 ,由于转入能量中的一部分变为新颗粒的内随和表面能,从而导致水泥颗粒表面物理化学性能的巨大变化 ,因此 ,超细水泥的活性比普通水泥大得多。 生产超细水泥注浆材料的方法有湿磨和干磨两种。湿磨超细水泥是指在施工现场将预拌的普通水泥浆泵入湿磨机磨成超细水泥;长江科学院于20 世纪80 年代末开始湿磨细水泥的生产研究。以灌注裂隙宽度为 0. 050. 2mm 的岩体为目标 ,研制出GSM 型高效水泥湿磨机。该机结构简单 ,操作方便 ,体积小 ,重量轻 ,能耗低 ,不需要研磨介质和助磨剂 ,特别适合于注浆工程的现场使用。目前 ,该技术已成功应用于包括三峡工程在内的全国10 多座大型水电工程。干磨超细水泥是指在水泥厂用超细粉磨机设备生产的超细水泥。 1991 年我国洋径水泥厂研制了U型超细水泥 ,并在浙江上黄水库、洋溪水库坝心场基础局部接触渗漏注浆收到明显效果的基础上 ,进一步改善性能、降低生产成本 ,在 U型超细水泥中掺加了粉煤灰研制成功粉煤灰超细水泥 ,使超细水泥浆液的可注性得到了提高 ,成本也显著下降。目前 ,我国生产的“华夏”牌系列超细水泥 ,就是利用了我国自己的超细磨技术、超细分离技术、水泥改性技术等最新技术 , 由浙江金华华夏灌浆材料厂研究所开发研制而成 ,其功能已达到和部分超过国外的技术水平。国产的“华夏”牌超细水泥的细度已达到4 . 8m以下,颗粒级配较优化。目前 ,国内外的超细水泥普遍使用于封堵地下水流、加固大坝基础、封闭核放射废料、加固隧道边墙、大塌方及各种地下建筑物开挖前软弱地基的处理等 ,都获得了理想的使用效果。目前美、日、德、法等国均能生产比表面积 8001600cm2 / g的超细水泥 ,超细水泥的优异性能来源于它的细度。最大粒径 20m ,平均粒径 5m 。2 超细水泥的性质(1)超细水泥的物理性质指标。比重:3. 00 0. 10 ;单位重量:1. 000. 10kg/ L ;比表面积:8000cm 2 / g 左右;平均细度:4m左右。(2)无毒性:超细水泥不含任何有机或污染成份 ,其主要成分为 CaO 、SiO2 、Al2 O3 、Fe2 O3 、MgO ,具有良好的工作环境 ,无臭、无味。因此 ,不污染环境 ,对人体无害。(3) 试验证明,用超细水泥制备的浆液 ,经过充分搅拌 ,具有良好的物理力学性能。强度与变形能力是注浆材料的重要性能,超细水泥的颗粒化学性质活泼 ,因而能快速凝固达到较高的强度。水泥结石致密 , 而且具有较高的耐久性 ,可以满足工程注浆加固施工要求。(4) 浆液的粘度:水泥浆液的粘度随着水灰比不同而变化 ,水灰比加大 ,则粘度减少 ,反之增大。(5) 稳定性:超细水泥所制的浆掖 低水灰比中掺用外加剂等 稳定性好 ,使注浆设备避免损坏并防止管道堵塞。(6) 注入能力:超细水泥的平均粒径 5 时,粒状水泥浆液容易灌入 , G 2 时,粒状水泥浆液难以灌入。2. 2流动性在灌浆材料中,流动性与可灌性密切相关。水泥粒子的细度与吸附水量关系 3 如表 3,随着水泥的细化 ,超细水泥比表面积显著增大 ,吸附水量增大 ,需水量增加 ,流动性降低 ,但是高效减水剂的应用能大大降低粒子的吸附水量 ,增大浆液的流动性 ,从而弥补水泥颗粒超细化所带来的不足。表 3 水泥粒子的细度与吸附水量关系水泥粒子尺寸m比表面积m2/kg单分子层吸附水的量102200.01123000.10.12200012. 3 稳定性水泥浆液的稳定性是在 250m l 的量筒中注满浆液 ,随着时间的延长 ,用上部析水高度占整个浆液高度的百分数即析水率 来表示的。作为灌浆材料 ,其析水率愈低 ,析水历时愈长,则浆液的稳定性越高,对灌浆越有利。普通水泥由于颗粒大 ,沉降快,稳定性较差。超细水泥由于颗粒细度高,再加上所含的性能调节剂的综合作用,浆液稳定性有显著提高,反映在析水历时延长,最终析水率减少。2. 4 抗压抗折强度水泥细化后 ,比表面积增大,水化反应进行的更彻底 ,抗压和抗渗强度均得到显著提高,表 4为超细水泥灌浆料 MFC - GM 与硅酸盐水泥P42.5抗折、抗压强度对比。从表中看出,超细水泥比普通水泥具有更高的强度性能。表 4 MFC-GM 与硅酸盐水泥抗折、抗压强度对比MPa品种抗析强度抗压强度3d7d28d3d7d28dP42.55.06.58.036.041.550.9MFC-GM6.87.98.950.557.068.22. 5 膨胀性由于超细水泥的粒径很小,极容易发生收缩 ,为了补偿这种收缩 ,一般都加入适量膨胀剂 ,其 28d水泥净浆自由线膨胀量可控制在 0. 12% 0.15%之间, 使水泥结石后期不收缩 ,这对防渗补强是十分有利的, 特别是细微裂隙的灌浆 ,可以取得很好的灌浆效果。3 存在的问题3. 1 粉磨技术方面目前 ,虽然有一些厂家生产超细水泥 ,但普遍存在规模小,磨机的粉磨效率低 ,导致生产超细水泥的成本比较高,成本因素严重制约了超细水泥的发展 ,需要进一步加快粉磨设备和技术的研究和开发。天津院新开发的 TCX型超细高效选粉机, 能极大提高生产效率 ,降低生产成本。3. 2 浆材的组成、结构与性能关系方面(1) 随着水泥粒径的细化 ,其物理力学性能、流变性能、水化性能等均会发生很大的变化 ,但目前对超细水泥灌浆材料的性能缺乏系统研究。(2) 目前对浆材的颗粒特性只强调粒径对可灌性的影响,而忽视了颗粒形貌、级配的作用。1981年 ,丹麦 A alborg Portland试验室采用合理的材料颗粒级配、极低的水胶比,在超塑化剂的作用下首先开发成功的一种孔隙率很低的超高强水泥 D SP 5 水泥 ,该水泥含均匀分布超细颗粒的致密系统,其抗压强度可达 200MPa 300 MPa。 (3)目前超细水泥主要由硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥粉磨而成 ,虽然有些进行过改性 ,但仍属于高钙水泥 ,其抗侵蚀能力差 ,在与岩石粘结的界面区易造成 CH 的择优取向,界面粘结强度低、空隙率高、抗渗性差。3. 3材料的品种方面目前应用较多的材料主要是硅酸盐系列超细水泥或者在该类超细水泥中加高效减水剂、膨胀剂等改性材料制成的改性浆材 ,品种单一 ,没有形成系列产品, 以适用于各种灌浆条件 的需要。例如是否能象MDF M acro - Defect Free Cement 水泥材料 ,采用有机和无机材料复合开发出聚合物水泥基灌浆材料 ,或者开发出与工业废渣复合的高性能水泥基灌浆材料 , 或者开发超细类非硅酸盐系列的无机灌浆材料等。3. 4 实际施工方面由于注浆介质模拟的不确定性与艰难性、注浆材料模拟的困难性、介质结构相似模拟与注浆材料相似模拟的内在联系的不可捉摸性 ,导致注浆模拟实验及其技术落后、抑制了注浆理论的发展 ,实验结果与实际之间存在较大差异。因此面对各种各样的事实,需要用经验分析 ,我们可以采用 事实指导注浆 ,应根据介质结构特征确定注浆材料类型。超细水泥由于其粒径小,活性高,制浆时必须有一台高速搅拌机 ,才能使其充分分散 ,保证浆液静置时颗粒的沉降速度减慢 ,析水率明显降低 ,浆液稳定性提高。超细水泥目前主要用于水坝、地基、油井等大型工程中,其灌浆设备比较复杂 ,在比较小的工程中,如路面、桥面裂缝灌浆处理等 ,派不上用场 ,以至于灌浆达不到预期的效果。混凝土的发展方向给我们以启示 ,超细水泥灌浆材料也应该朝着绿色、高性能方向发展 ,其技术特点应该是:绿色环保 ,无毒;多组分复合;材料组成颗粒超细化;高可灌性;高耐久性;高体积稳定性 ,而且目前应该优先进行以下几方面的研究。(1) 生产技术方面。只有粒子超细化后. 才能提高其渗透能力 ,实现浆材的高可灌性。但是同时也应该改进技术 ,降低能耗 ,以降低超细水泥的成本。(2) 材料复合方面。通过多组分的复合,以改善浆材的流动性、耐久性、稳定性 ,这是实现高性能超细水泥灌浆材料开发的关键技术。(3) 水泥品种方面。开发多系列高性能超细灌浆水泥 ,以满足不同工程条件的需要。(4) 灌浆设备方面。完善现有的灌浆设备 ,开发新型、实用、满足大多灌浆工程的设备。超细水泥在油田开发中的应用摘要 超细水泥是颗粒更加细化了的油井水泥, 粒径为10m 左右。A 级超细水泥通过0.25mm窄小缝隙的通过量达94.6%,而普通G 级、H 级的油井水泥的通过量仅为15% 左右。细化了的油井水泥,其水化速度明显加快,析水量大大减少,抗压强度提高1 倍,抗折强度提高1倍, 结石的抗渗性提高14 倍。此外,由于比表面积增大,水化程度提高, 使水泥的利用率成倍提高。实践证明,超细水泥能坚固、长久地封堵套管外窜槽, 封堵套管缝洞泄漏, 封堵射孔孔眼, 封堵井间大孔道蒸汽窜、水窜,封堵边、底水推进,施工有效率达90% 以上。0引言 据SPE 的文章报道,在美国, 大约有95%的堵水作业是用挤水泥的方法实施的,通常只有大约30% 的成功率, 原因是普通标准水泥的粒径太大, 进入不了较小的缝隙 。另据报道, 在超细水泥问世后的最初9个月, 有20多家作业公司在15 个油气田上进行了上百次试验,根据81次作业的统计表明, 成功率达94%。胜利石油管理局现河采油厂对超细水泥在油田开发中的应用,在1993年开始立项研究, 进行了充分的室内研究和性能检测,进行了150多井次的现场试验,这些试验分别在胜利油田的现河采油厂、滨南采油厂、胜利采油厂、江汉油田的清河采油厂、中原油田的采油四厂进行,成功率达到国外先进水平。研究成果于1996年2 月6 日通过了胜利石油管理局的验收, 1997年12月15日通过了中国石油天然气总公司的鉴定。1超细水泥的室内研究 超细水泥是经再次粉碎细化了的油井水泥,细化后, 其物理性能得到了改善和提高。 1. 1粒径及比表面积分析 目前,已经生产出的超细水泥产品,其粒径指标达到了国外同类产品的水平。表1是超细水泥与普通油井水泥的粒径分析对比和比表面积分析对比表。从表中可见,超细水泥的最大粒径为2035m, 普通水泥的最大粒径为90m;超细水泥中有90%以上的颗粒粒径小于10.521.4m,而普通水泥有50%的粒径大于21m;超细水泥的比表面积是普通水泥的23倍。表1超细水泥与普通油井水泥粒径及比表面积对比水泥类型超细SPSC-A超细SPSC-B普通G级油井水泥粒径分析最大粒径20.0m90以上的粒径10.5m50以上的粒径6.0m10以上的粒径3.2m最大粒径35.0m90以上的粒径21.4m50以上的粒径10.2m10以上的粒径4.2m最大粒径90.0m90以上的粒径53m50以上的粒径21m比表面积9000 m2/kg65000 m2/kg3300 m2/kg1. 2水化速度以常用的 级油井水泥为例, 不同的粒径,其水化速度是不同的。粒径小于10m,其水化速度最快; 粒径为1130m,水化速度中等;粒径为6090m, 水化速度缓慢; 当粒径大于90m 时, 只在表面水化。超细水泥的粒径绝大部分在1020m,所以水化速度也最快。 1. 3水泥利用率 由于水泥的粒径越小, 比表面积和水化程度就越大, 从而使水泥利用率也越高。据测定, 当比表面积为3000cm2/kg时,水泥利用率为44%; 比表面积为7000cm2/时,利用率为80%; 比表面积为10000cm2/kg时,利用率为90% 95%。从表1的数据可知, 超细水泥的利用率比普通水泥约高1倍。 1. 4通过窄缝的能力 在同样的条件下,压力0. 63MPa, 缝宽0.25mm, 室温23.9, 比较超细水泥浆和普通油井水泥浆通过窄缝的能力, 室内试验结果见表2。从表2 可见,超细水泥的A 级和B 级产品,通过0.25窄缝的体积分别为95%左右和50%左右,而普通 级、级水泥通过的体积只有 15%左右。这说明, 水泥粒径越小,越易进入微细缝孔,提高封堵效果。表2水泥浆通过0. 25mm 窄缝的能力对比样品号水泥型号添加剂水泥浆体积通过的体积通过百分比通过前后密度（cm3/kg）体积（）重量（）前后1SPSC-B1351037682.01.381.332SPSC-B137735352.61.501.443SPSC-B2低虑失剂140604343.61.441.434SPSC-A1401349693.61.441.435SPSC-A1分散剂1401389997.41.441.446SPSC-A1分散剂1401379896.71.441.437普通G级140231616.31.891.848普通H级140191412.21.961.92用同样的试验方法,对0. 15mm 的窄缝作通过能力试验, 结果,超细水泥的A 级产品的通过量达90% 以上,B 级产品的通过量为40%左右,而普通水泥H 级的通过量为0。1. 5水泥浆析水量分析 在100mL 量筒中装入不同水灰比(W/ C)的水泥浆, 高速搅拌(转速为1400r/ min) ,搅拌34min,观察水泥浆随时间离析的程度。沉降分离出来的上清液占整个量筒体积的百分数定为析水率, 实验结果见图1, 实验温度为70。由图可见, 水灰比为1 1 的A 级超细水泥析水率接近0, 水灰比同为2 1 的 级超细水泥比G 级普通水泥的析水率小约1倍。1.6水泥结石强度测定 水泥结石强度的测定请天津大学建筑材料试验室协助完成。试验条件为常温、常压,凝固时间分别为3d、7d、18d,试验结果见表3。超细水泥的抗压强度和抗折强度均比普通水泥高1倍。表3水泥结石的抗压、抗折强度试验结果样品水灰比抗压强度 （MPa）抗折强度（MPa）3d7d8d3d7d8d超细水泥A级0.714.018.723.63.03.43.9普通水泥G级0.76.99.611.21.41.72.01. 7水泥结石的抗渗性能测定 水泥结石的抗渗性能测定委托中国石油天然气总公司北京勘探开发研究院地质所完成。试验样品是常温常压下凝固72h 的相同尺寸的水泥结石,试验结果见表4。由表4 可见,A 级超细水泥具有优良的抗渗性能,其渗水压力是普通G 级水泥的15 倍。分析其原因是由于超细水泥颗粒小, 水泥颗粒与水的接触面大, 提高了水化程度,使水泥结石内部的极小空隙变为不连通, 从而大大提高了结石的抗渗性能。表4相同水灰比的几种水泥结石抗渗性能试样水灰比渗水压力（MPa）A级净超细水泥0.701.52水泥石：英粉=75：250.701.48G级普通水泥0.700.102 封堵技术原理当固井水泥环本身与套管接触的第一界面, 或与地层接触的第二界面存在缝隙, 油层套管的某一段存在微缝孔, 分层开采油气井的某一段严重水淹失去开采价值, 油水层之间的薄夹层抵抗不住射孔振动或层间压力差作用而窜通时, 最有效的方法是挤入油井水泥进行永久性封堵。 普通油井水泥的颗粒90% 以上大于53m, 相当一部分大于90m,所以极难进入微小缝孔。超细水泥的最大粒径为20m,且50% 以上的粒径小于6m,它能够进入0. 15mm 以上的微细缝孔,从而达到封堵的目的。此外, 油井水泥还具有遇油不凝固的特性,所以它还具有选择性堵水的功能。超细水泥用于油田堵水技术摘要: 对超细水泥的粒度分布及在45 下的初、终凝时间和抗压强度、变性、稳定性进行了实验研究,指出超细水泥粒度小、稳定性高、塑性粘度及动切力低, 可用于现场堵水、报废油层作业; 为满足现场要求,必须加入相配伍的缓凝剂, 并控制初、终凝时间在4 10 h 之内; 超细水泥用于堵水作业的最佳配比为1.3: 1.0 的水泥浆+ 2%的添加剂。最后,介绍了现场应用情况。G 级油井水泥用于油田作业已有近百年的历史, 但由于其颗粒粒径较大 ( 100 150 m),限制了它在油田生产中需要的油井堵水、封串、报废油层以及钻井时套管固井质量不好井的封漏、封串等特殊作业中的应用, 例如不能穿透04 mm 的裂缝和小于20 目的砾石充填层。通过调整G 级水泥熟料的化学组成和物理性能, 可以生产出一种新型的油井水泥! 超细水泥。超细水泥平均粒径小于5m, 最大不超过10m,能够渗入到常规水泥达不到的区域。应用超细水泥进行现场堵水作业,效果较好。1 室内实验1.1 主要试剂、仪器及方法试剂: 超细水泥,添加剂 ( 中国建筑材料研究院水泥所提供)。仪器: 高速搅拌器, 恒温搅拌器, 恒应力加荷全自动压力试验机, 高温、高压流动实验仪,增压养护釜,高温、高压失水仪,六速旋转粘度计等。方法:性能测试按API Spec10 “油井水泥浆材料和试验规范”进行。测定超细水泥颗粒、不同水灰比下流动度与析水量的变化、流变性、不同添加剂下水泥浆性能、温度对初凝时间的影响。1.2 室内实验结果与分析1.2.1 超细水泥粒度分析分别用天平称取20 g超细水泥倒入10 m和5m的筛子内,振动并用水缓冲,取筛中剩余物烘干,称重,实验数据见表1。从中可见,超细水泥中81% 的颗粒直径小于5m, 91%的颗粒直径小于10 m,粒度分布范围比较窄，主要集中在5m一下。表1 超细水泥粒度分析粒径m105105重量g1.82.016.2含量910811.2.2 不同水灰比下流动度与析水量的变化按API 标准测定超细水泥在45下的流动度及析水量如表2 所示。当水灰比小于15 ：10 时, 析水量较少, 超细水泥具有较强的稳定性。同时,超细水泥流动度较高,流动性能较好,可以满足现场施工的要求。表2 不同水灰比下流动度与析水量水灰比0.71.01.31.51.72.0流动度cm25.426.327.528.930.036.7析水量ml002.54.99.515.51.2.3 流变性超细水泥流变性用旋转粘度计按API 标准进行。按照宾汉模式 计算在不同水灰比下水泥浆的塑性粘度和动切力( 表3) 。当水灰比大于10 时,超细水泥浆塑性粘度小、动切力小。表3 超细水泥浆流变性实验数据水灰比600格300格塑性粘度(MPas)动切力Pa0.762548231.0251966.51.59.55.54.00.72.08.54.44.10.2综上所述,超细水泥浆水灰比一般可控制在13 ：10。此时,水泥浆具有较高的稳定性和较好的流变性。1.2.4 不同添加剂下水泥浆性能的测定确定水泥浆的水灰比为13：10, 养护温度为45 。加入不同的添加剂后,按照API 标准测定水泥浆的初、终凝时间, 养护24 h 后的抗压强度如表4所示。从中可见, 所用的添加剂为一种缓凝剂,随添加剂添加量的增加,初、终凝时间可明显延长。当添加量为20%时, 初凝时间约为5h,可以满足现场注入要求。表4 超细水泥初、终凝时间和抗压强度添加剂00.51.01.52.0初凝时间min70105159226300终凝时间min125157201267334抗压强度MPa4.724.594.484.374.211.2.5 温度对初凝时间的影响在不同的温度下考察了超细水泥浆的初凝时间,结果见表5。实验条件是水灰比为13：10,添加剂添加量为20%。表5 温度对初凝时间的影响温度3540455055初凝时间min720480300240180温度越高,初凝时间越短。对于不同的温度点, 可通过调节添加剂的添加量来控制初凝时间。硅酸盐类的凝结时间与温度之间的关系可以用Arrhenius 方程描述为ln( ts ) = A + Ea(RT) ( 1)式中 ts 凝结时间; A 常数;Ea 活化能; R气体常数; T 温度。由式( 1)可以看出,ln ( ts )与1T呈线性关系,利用表5 数据进行直线拟合可以计算出常数A为000302及活化能 Ea为479 kJmol。根据这一关系, 可以计算出不同温度下的凝结时间。2 现场试验1999年5月,在萨中地区北3-1-18井进行了超细水泥堵水报废作业, 封堵层位为葡I 32、葡I 33 主力产层。油层有效厚度为29 m,渗透率为0482 m 2, 设计用超细水泥7t,水灰比为13 :10, 添加剂添加量为2%, 控制初凝时间为5 h。现场测试流动度为281mm, 水泥浆密度为145 gcm2 。施工时间为3 h, 关井候凝48h。开井, 测试葡I 32 、葡I 33 两个层位产液量为0, 达到了堵水并报废这两个层位的目的。3 结论及认识( 1) 超细水泥粒度小,稳定性高, 塑性粘度及动切力低,可用于现场堵水、报废油层作业。(2) 超细水泥初、终凝时间短,必须加入相配伍的缓凝剂,控制初、终凝时间在4 10 h 之内,以满足现场要求。(3) 超细水泥技术把提高微小颗粒的穿透性与适当的分散技术结合起来。超细水泥颗粒要比普通水泥颗粒小100 倍。在施加挤注压力时, 普通水泥颗粒只透窄到196 10- 3 in ( 1in= 254 cm) 的开口, 封堵岩石地层、砾石填充以及减少漏失危险, 封堵任何靠近井眼的裂缝或沟槽。(4) 挤水泥堵水工艺,对油井不具破坏性, 施工风险不大,一次作业总费用仅相当于一次化学堵水作业投资的25%左右。因堵水效果好, 能封得死,固得住,有效期几乎是永久的,对油井套管也有加固作用。改性超细水泥堵剂的研究与应用摘要: 水泥作为最早的堵水材料在世界各油田被广泛应用. 针对超细水泥颗粒小、水化速度快、时间短 ,施工过程难以控制的问题,在超细水泥中添加特制的聚合物溶液对其进行复配改性 ,使得超细水泥的各种性能特别是安全性能大大提高。实验结果表明:在相同温度下,水灰比减小,水泥固化时间缩短;在相同的水灰比下,温度升高,水泥固化时间缩短;水灰比越小,堵剂的强度越高;温度越高,在相同的时间内堵剂的强度越高。该堵剂适应地层温度范围宽（室温130） ,使用安全,封堵强度高。从2003 年开始在大港油田各个区块应用 60 多井次,施工成功率 100 % ,取得了明显的应用效果。水泥作为最早的堵水材料 ,在世界上各油田被广泛应用. 但是 ,由于普通水泥颗粒粒径较大 ,不易进入地层孔隙,这是应用水泥类堵剂失败的主要原因之一. 据统计:在美国的常规水泥堵水作业中,通常只有 30 %的成功率. 为此 ,早在 20