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概述漂珠在低密度高强度水泥浆中的关键重要性

2016-09-07

低密度高强度水泥浆技术是根据紧密堆积理论和颗粒级配理论研究开发的;低密度高强度水泥浆的组成是根据组成物料间的物理化学作用来确定的;其核心技术低密度增强剂TC-2是由具有合理颗粒级配的较低密度的活性胶凝材料组成。低密度高强度水泥浆由水泥、减轻剂、早强剂以及相应配套外加剂组成,可根据要求配制出密度为1.20~1.70g/cm3的低密度水泥浆,适用温度范围为20~180℃(BHCT),水泥浆综合性能优良,具有游离液低,失水量易控制,过渡时间短,水泥石均匀致密不收缩,抗压强度高,抗腐蚀和防气窜等特点。目前,该体系已经广泛应用于四川石油局内各矿区和西南地质局等油田。

   一、低密度高强度水泥浆体系的组成

低密度高强度水泥浆主要由油井水泥、减轻剂BSG-2、早强剂TC-2(降失水型PZW-B)以及相应配套的外加剂如降失水剂、增强剂、缓凝剂、消泡剂、分散剂等组成可根据固井要求,选择不同的外加剂体系,设计不同密度的水泥浆配方,如:在低温下配合适当的早强剂,高温下配合适当的缓凝剂以满足不同条件的水泥浆综合性能要求,组成低密度高强度水泥浆体系的外加剂主要为:

1、BSG-2减轻剂是一种具有水化活性的外掺料,表观性状为灰色固体粉末,掺量为水泥量的20~100%(视水泥浆密度大小而定),适宜于干混。

2、与体系配套使用的降失水剂主要有:BS100-2(低温)、BS100(中高温)。

3、可与体系配套使用的促凝早强剂主要有:TC-1、TC-2等。

4、可与体系配套使用的缓凝剂主要有:BS200。

5、可与体系配套使用的分散剂主要有:SXY-1、SXY-2、BS300。

  二,低密度高强度水泥浆的设计

低密度高强度水泥浆是根据以下的原理来进行研究和设计的:

1、随着人们对微观力学与宏观力学进一步研究,建立了胶凝材料的微观模型,提出了通过紧密堆积理论和材料颗粒大小分布提高材料的宏观力学性能的技术思路。低密度高强度水泥浆技术通过调节混合物固相的不同颗粒尺寸分布,进行合理级配和加工,使水泥浆体系实现良好的孔隙充填,使多种尺寸颗粒分布的混合物紧密堆积即单位体积水泥浆中含有更多的固相,从而得到适合固井技术要求的性能指标的水泥浆。

2、低密度高强度水泥浆的组成是根据组成物料间的物理化学作用来确定的。为提高低密度水泥浆的性能,研究并确定具有一定颗粒分布的充填性好、比表面积相对较低、表面光滑致密、本身化学活性高的矿物活性材料,不仅能够发生自身的凝固性,而且还可与水泥中的碱性物质发生胶凝反应,完全水泥物料的化学反应,提高水泥浆的整体性能。

3、根据以上思想设计的低密度增强剂,能够有效提高并改善水泥浆的整体性能,减小水泥浆的游离液、失水量和水泥石的体积收缩、缩短候凝时间、提高水泥石早期抗压强度、抗腐蚀和防气窜的能力且不受使用温度和环境水质的限制。

三、低密高强水泥浆体系的水泥浆综合性能

低密度高强度水泥浆利用以上组成,通过合理调整各组成物料的掺量和水灰比,根据具体的实验条件选用不同的外加剂,可配置出性能优良、不同密度的低密度高强度水泥浆;不同实验条件下,不同密度的低密度高强度水泥浆的水泥浆综合性能可见表1~5。

 

 

四、低密度高强度水泥浆技术的性能特点

1、水泥浆性能稳定

低密度高强度水泥浆体积及沉降稳定性性能良好,这是由于体系增强剂中的部分超细颗粒是一种助剂悬浮水泥组成中的其它材料,这些颗粒可以充填在物料中其它较大和较重的物料颗粒之间,如:水泥颗粒、赤铁矿颗粒、硅粉颗粒等物料颗粒之间,连接悬浮物料;这些超细颗粒周围还能吸附大量的水分子,水分子之间通过氢键相互连接,使微细颗粒之间形成均匀致密的网架结构,并与水泥组成中其它颗粒吸附的水分子通过氢键连接,使水泥浆形成具有致密网架结构的悬浮体系;此外早强剂发生水硬性反应以及与水泥发生的胶凝反应,保证了水泥浆具有良好的稳定性。

对低密度高强水泥浆进行水泥浆流变性能试验的试验结果表明,低密高强水泥浆流变性能符合汉宾模式,水泥浆塑性粘度低,屈服值稳定。

低密高强水泥浆在低的剪切速率下动切应力(屈服值)高于漂珠低密度水泥净浆,说明低密高强水泥浆在低的剪切速率下,水泥、BSG-2和稳定剂之间能形成稳定的网架结构,可以阻止水泥浆体系中易沉降颗粒的沉降,使水泥浆能够保持良好的稳定性。随着剪切速率的提高,低密高强水泥浆的动切应力比漂珠低密度水泥净浆低,表明低密高温水泥浆还具有良好的剪切特性,经高速剪切后,低密高强水泥浆的流动性优于漂珠低密度水泥浆,可有效降低流动阻力,减小摩阻,提高顶替效率。

2、水泥石抗压强度高

低密度高强度水泥浆与相同密度的普通漂珠低密度水泥浆相比,相同条件下,水泥石抗压强度大大提高,这是由于体系中的低密度早强剂能够有效提高体系水泥石的抗压强度。这是由于早强剂由大量活性材料组成,能够产生大量水硬性反应,提高水泥颗粒之间的胶结和水泥石强度;此外,增强剂中的超细颗粒还可以很好地堆积和充填在其它颗粒形成的孔隙中,提高混合物充填比例,形成更加致密的水泥石,进一步增强水泥石的强度。相同条件下,不同密度的低密度高强度水泥浆与漂珠低密度水泥浆的强度对比如下:

 

3、水泥浆综合性能优良

低密度高强度水泥浆综合性能优良,密度易调节,失水易控制,无游离水,稠化时间可调,抗压强度高。通常不受使用温度和水质的限制,能够适用于高、低温及各种环境条件下的低密度水泥浆固井。

4、具有抗腐蚀性能

低密度高强度水泥浆体系具有良好的抗腐蚀能力。水泥石腐蚀机理研究表明,在腐蚀性溶液中,影响水泥石耐久性的主要因素是:水泥浆凝结硬化形成的水泥石物相组成中Ca(OH)2晶体的相对含量和水泥石的致密性。增强剂的设计完全可以满足以上的抗腐蚀要求,增强剂能与水泥水化产生的Ca(OH)2反应形成网状结构的C-S-H凝胶而消耗水泥石中的腐蚀源Ca(OH)2,提高水泥石耐腐蚀的能力;其中不参与反应的增强剂中的其它物料,可与水泥浆中的固相颗粒形成良好的级配和充填,形成非渗透性、致密、连通性差的硬结水泥石,从而阻止腐蚀性离子的侵蚀,提高水泥石的耐腐蚀性能。

五、不同低密度水泥浆体系性能比较

在水泥物料中加入减轻材料,可根据需要配制出不同性能、不同密度的低密度水泥浆,但根据加入的减轻材料的不同、物料组成的不同,其降低水泥浆密度的作用形式也有所不同,配制的水泥浆性能也有很大差异下面就充填型低密度水泥浆、普通漂珠低密度水泥浆和低密度高强度漂珠水泥浆三种低密度水泥浆体系进行性能比较,结果见表7:

 

 由表7所示,低密度高强度水泥浆与漂珠低密度、充填类低密度水泥浆体系相比,具有抗压强度高、渗透率低、浆体稳定、零游离液、失水量低、强度高等特点,由它配置的密度为1.20以上的水泥浆均能满足油层固井的需要,其整体性能大大优于漂珠低密度和充填类低密度水泥浆。

   六、低密度高强度水泥浆的应用

1、低密度高强度水泥浆已成功应用于四川石油局、西南地质局的欠平衡钻井的固井,固井用水泥浆的密度为1.3g/cm3,抗压强度大于14Mpa,浆体稳定性好,游离液低,完全满足目的层的封固需要,有效保证了封固质量。

2、低密度高强度水泥浆技术已成功应用于四川石油局、西南地质局50余井次的固井施工作业,固井施工安全顺利,固井质量优良。

   七、低密度高强度水泥浆技术的使用前景

1、低密度高强度水泥浆可用于低压易漏井的固井。低密高强水泥浆与同等密度的漂珠低密度水泥浆相比,具有稳定性好、强度高、常压下体积不收缩、候凝时间短等特点,能够很好地防止井漏的发生,取得更好的固井效果。

2、低密度高强度水泥浆可用于浅层气井固井。低密度高强度水泥浆可形成良好的颗粒充填和级配,具有更紧密的网状结构,可形成更为致密的水泥石,填塞气体运移通道,达到防气窜的目的。利用增强剂还能减少防气窜剂的用量,进一步降低固井成本。

3、低密度高强度水泥浆可应用于定向井、水平井的固井。定向井、水平井对水泥环的整体均一、稳定性要求严格,水泥浆必须具有良好的稳定性和零游离液才能保证水泥环在各个方向都具有良好的抗压强度和密封性能。可适用于定向井和水平井的固井施工。

4、低密度高强度水泥浆可应用于高强度低密度水泥塞作业


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