高强度超低密度水泥浆体系实验研究

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1、万方数据第37卷第5期2009年9月石油钻探技术PETROI。EUMDRII。i。IN『GTECHNIQUESV01．37．No．5Sep．，2009．．固井与泥浆◆高强度超低密度水泥浆体系实验研究罗杨1陈大钧1许桂莉2万伟3陈安1(1．西南石油大学化学化工学院，四川成都610500；2．川庆钻探工程有限公司井下作业公司广汉圣油科技开发公司，四川I广汉618300；3．川庆钻探工程有限公司JII西钻探公司，四川成都610031)摘要：国内外利用颗粒级配和紧密堆积理论研究开发了1．20～1．65kg／I。的低密度水泥浆

2、体系，解决了固井中的许多技术难题。但是，对于密度为1．15～1．30kg／L的超低密度水泥浆体系还缺乏系统的研究。以最紧密堆积和颗粒级配理论为依据，建立了最佳模型，精选出了以G级水泥、微细水泥、空心微珠和玻璃微珠为主体的四级颗粒级配系统，配合适量的激活剂研究出了密度为1．15～1．30kg／L的超低密度水泥浆体系，并率先在实验室模拟出了超低密度水泥浆返至地面的室温候凝施工过程。解决了低密度水泥浆体系的稳定性和高早期强度等难题，具有良好的性能和现场推广应用价值。关键词：高强度；低密度水泥浆；颗粒级配；紧密堆积中图分类号

3、：TE256+．7文献标识码：A文章编号：1001—0890(2009)05—0066—06随着我国石油勘探开发技术的不断发展，有关低密度水泥浆体系的研究也越来越多[1]。目前，国内外科研机构通过各种减轻材料的复合使用，以及通过优选外加剂的办法配制出了密度为1．25～1．55kg／L的高强度低渗透水泥浆，但对密度为1．15～1．30kg／L的水泥浆体系缺乏系统的研究，鲜见相关的报道。所以研究该密度范围内的超低密度水泥浆体系具有重要的意义。1技术思路与研究方法1．1技术思路在采用加入减轻材料的方法设计低密度水泥浆体系的

4、研究中，紧密堆积和完美的颗粒级配成为研究的重点。因为水泥的许多性能与孔隙率有着密切的关系，而孔隙率取决于水泥颗粒的堆积密度以及水泥的水化程度。但这两个方面对颗粒级配的要求恰恰是不一致的：较高堆积密度要求有较宽的颗粒级配；而较快的水化速度则要求有较窄的颗粒级配口]。因此综合考虑两方面的影响，需要建立相关系统的模型，以通过优化材料颗粒级配获得最佳性能的水泥。颗粒级配问题就是要求出大小粒径的颗粒分数之和为1的最佳粒级组合，包括最佳级配数、颗粒的尺寸比和体积分数(即级配比例)。应用与水泥浆密度无关的较高堆积体积分数(PVF)

5、来增加给定密度水泥石的抗压强度和降低水泥石的孔隙度和渗透率。PVF值越大，水泥石孔隙度和渗透率越小，性能越好，在给定密度下，较高的PVF值通过3种或更多种不同尺寸的固相颗粒优化混合来获得口巧]。1．2研究方法1)在同一配方条件下，通过不同G级水泥、微细水泥的配比，根据其对水泥浆性能的影响来确定最佳配比。2)在同一配方条件下，分别加入不同的减轻材料及早强一激活剂，根据其对水泥浆性能的影响来确定减轻材料及早强一激活剂的最佳配比。3)在一定外加剂条件下，通过调节G级水泥、微细水泥、漂珠、微硅和玻璃微珠等材料的比例，以及水固

6、比的大小，根据其对水泥浆密度及性能的影响来确定最佳配比。4)在不同温度条件下，调节外加剂和材料加量，得到不同温度下综合性能良好的水泥浆配方。2性能实验2．1实验药品及仪器实验药品G级高抗硫油井水泥、油井水泥增收稿日期：2008一11—15；改回日期：2009一0723作者简介：罗杨(1984)，男，四川自贡人，2007年毕业于西南石油大学应用化学专业，在读硕士研究生。联系电话：(028)83030441万方数据第37卷第5期罗杨等：高强度超低密度水泥浆体系实验研究强剂(微细水泥)，四川嘉华集团产；降失水剂LT一2；分

7、散剂SXY；降失水剂SDl8；微硅，成都嘉茂和峨眉托阳产；漂珠，江油德园和蛾眉托阳产；玻璃微珠，美国3M公司产。实验仪器瓦棱搅拌器，NCD-1型油井水泥常压稠化仪，高温失水仪，OWC一9040F：[曾压稠化仪，0ZNN-D6型六转速旋转黏度计，NYL一300型万能材料实验机，岩心流动装置。2．2实验材料及性能2．2．1微细水泥和G级水泥为了保证水泥石具有较好的早期抗压强度，克服因较大固相含量而引起的流变性较差等问题，最终采用微细水泥与G级水泥复配使用。表1是微细水泥与G级水泥的粒径和比表面积分析对比。表2表1微细水泥

8、与G级水泥粒径及比表面积对比由表1可知，微细水泥的最大粒径为16．0肛m，G级水泥的最大粒径在90．0／am以上；微细水泥中有90％以上的颗粒粒径zJ、于10．0／zm，而G级水泥有50％以上的粒径大于21．0肚m；微细水泥的比表面积是G级水泥的2～3倍。通过进一步的窄缝实验，研究了它们填充微小孔隙的能力，其结果见表2。水泥浆通过窄缝的能力对比