超細(xì)低密度水泥漿的研制與應(yīng)用

1、超細(xì)低密度水泥漿的研制及其應(yīng)用 L G 地區(qū)儲(chǔ)層深 ,均為深井和超深井 ,巖性、壓力來(lái)較大的風(fēng)險(xiǎn)和困難。長(zhǎng)封固段帶來(lái)大溫差問(wèn)題突系統(tǒng)復(fù)雜 ,地層壓力系數(shù)從 1. 0 到 1. 75 不等 ,長(zhǎng)裸眼段壓力窗口窄,極易發(fā)生井漏。為實(shí)現(xiàn)平衡壓力固井 ,采用了低密度水泥漿加常規(guī)密度水泥的漿柱結(jié)構(gòu),在確保主要目的層的封固質(zhì)量的同時(shí),還要求根據(jù)顆粒級(jí)配原理 ,實(shí)現(xiàn)漂珠、水泥、超細(xì)水泥、保證對(duì)上部氣層實(shí)現(xiàn)有效封隔,這不僅需要“三高氣井低密度水泥漿克服早期強(qiáng)度低 ,沉降穩(wěn)定性差 ,滲透率較高等缺點(diǎn),還要具有良好的防氣竄性能, 良好的防漏堵漏功能等特性 ,才能滿足該地區(qū)固井的要求。L G地區(qū)固井技術(shù)難點(diǎn):1)

2、井深 ,封固段長(zhǎng) ,封固層位多,壓力系統(tǒng)復(fù)雜 ,上部存在氣層 ,鉆井過(guò)程中從沙一段到東岳廟組均存在不同程度的氣測(cè)異?；驓馇值那闆r ,防氣竄難度大。 2) 地層承壓能力低 ,施工中高泵壓極可能造成井漏 ,導(dǎo)致水泥漿返高達(dá)不到要求。必須采用正注反擠的工藝措施來(lái)保證全井封固質(zhì)量 ,耗時(shí)費(fèi)力 ,增加成本。 3) 氣井封固段長(zhǎng) ,一次固井封固段經(jīng)常出現(xiàn)在2000 m 以上 ,注灰量大 ,固井施工泵壓高,給固井帶來(lái)較大的風(fēng)險(xiǎn)和困難。長(zhǎng)封固段帶來(lái)大溫差問(wèn)題突出,井眼上部水泥石強(qiáng)度發(fā)展緩慢 ,影響電測(cè)質(zhì)量。2 設(shè)計(jì)思路 根據(jù)顆粒級(jí)配原理 ,實(shí)現(xiàn)漂珠、水泥、超細(xì)水泥、微硅等特種不同粒度分布的材料進(jìn)行組合 ,優(yōu)化

3、設(shè)計(jì)各組分的比例 ,使之盡可能地達(dá)到高的體積堆積系數(shù) P V F 值 ,實(shí)現(xiàn)緊密堆積。水泥顆粒的平均粒徑為2030m ,小于 10m的粒子不足,水泥粒子之間的填充性并不好。加入超細(xì)粒子粗細(xì)組合 ,可使堆積體的孔隙率達(dá)到很小的程度。在水泥中摻入超細(xì)摻和材料 ,如超細(xì)水泥 ,微硅粉等 ,可以大幅度地改善膠凝材料顆粒的填充性 ,提高水泥石的致密度、抗?jié)B透性與水泥石強(qiáng)度。利用超細(xì)水泥細(xì)化后水化加快;強(qiáng)度發(fā)育更快;漿體更加穩(wěn)定;水泥石更均勻、致密;填充性能更好;活性比微硅更高,不需要激活 ,低溫下仍然能發(fā)揮強(qiáng)度等一系列物化性能改善的有利因素 ,取代一部分 G 級(jí)油井水泥 ,使低密度水泥漿的各項(xiàng)性能得到提

4、高。3 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)3. 2 . 1 超細(xì)水泥及多元復(fù)合粉體特性研究按A PI 標(biāo)準(zhǔn)方法完成超細(xì)水泥各項(xiàng)性能的檢驗(yàn)。從表 1 中可以看出,相同水灰比條件下,超細(xì)水泥具有非常明顯的高早強(qiáng)的特性 , 由于其顆粒小,凝結(jié)強(qiáng)度發(fā)展形態(tài)好 ,從 48 Pa 到 240 Pa 的過(guò)渡時(shí)間比表面積大 ,水化迅速且充分,使水泥的早期強(qiáng)度得以充分發(fā)揮 ,其優(yōu)良的懸浮分散能力更有利于低密度水泥漿的穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)證明:超細(xì)水泥用于低密度水泥漿具有增加穩(wěn)定性、提高早期抗壓強(qiáng)度、降低滲透率等諸多優(yōu)點(diǎn)。 表 1 超細(xì)水泥增強(qiáng)性能表（ 30 ）抗壓強(qiáng)度 MPa 水泥W/ C 3d7d18d超細(xì)水泥0.714.018.719.6G

5、 級(jí)水泥 0.76.914.616.2 通過(guò)多次實(shí)驗(yàn) ,調(diào)整幾種材料比例 ,使之達(dá)到較高的 P V F 值 ,最終調(diào)配各組分比例為超細(xì)水泥占基本水泥質(zhì)量的7 %12 % ,漂珠的質(zhì)量比為 15 % 35 %的多元復(fù)合高性能低密度水泥漿體系,根據(jù)實(shí) 驗(yàn) ,水灰比為 0. 560. 6 ,能確保良好的漿體性能。該體系顆粒粒度分布曲線見圖1 。適當(dāng)增加直徑 310 m 水化顆粒的比例 ,能有效提高水泥石的早期強(qiáng)度和漿體的沉降穩(wěn)定性.加入并調(diào)整直徑為 1m以下潛在活性顆粒的比例 , 使之較大程度地填充到上級(jí)顆粒的縫隙當(dāng)中,起到密實(shí)的作用。3. 2 . 2 水泥漿工程性能研究 超細(xì)水泥低密度水泥漿體系

6、表 2主要具有以下特點(diǎn): 水泥漿密度為 1. 201. 50 g/ cm3 ; 水泥漿具有良好的流變性 ,較短的稠化過(guò)渡時(shí)間; 靜膠凝強(qiáng)度發(fā)展形態(tài)好 ,從 48 Pa 到 240 Pa的過(guò)渡時(shí)間小于20 min ,具有良好的防氣竄性能; A PI 失水量小于50mL, 由于SD18 為非滲透成膜型降失水劑 ,密度水泥漿的穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)證明:超細(xì)水泥用于低超細(xì)粉體材料的加入起到充填密實(shí)作用 ,有效地控制失水; 水泥石強(qiáng)度更高, 1. 20 g/ cm3,水泥石 75,24 h 強(qiáng)度高于14 MPa ; 該體系使用玻璃微珠能保證井底壓力條件下水泥漿密度恒定不變的特點(diǎn),使施工安全更有保障。從表 3 看

7、出,該體系與常規(guī)低密度水泥漿相比,具有較好的流動(dòng)能力和較低的濾失量 ,更高的早期強(qiáng)度。表2低密度水泥漿體系性能表（75）干混料外加劑密度流動(dòng)度稠化時(shí)間API失水量抗壓強(qiáng)度流變性表3不同低密度水泥漿體系性能比較表干混材料密度（g/cm3）流動(dòng)度(cm)稠化時(shí)間(min)API失水量(ml)抗壓強(qiáng)度【Mpa/(70·24h)】常規(guī)1.3024256686.8超細(xì)水泥+漂珠1.30211803713.0超細(xì)水泥+微珠1.30211783614.33. 2 . 3 水泥漿防氣竄性能評(píng)價(jià)從表4 中可以看出,該體系稠化過(guò)渡時(shí)間短,失水量小,水泥漿氣竄潛力系數(shù) S PN值小,防氣竄能力強(qiáng)。形成的水

8、泥石具有微膨脹、低滲透率等特點(diǎn), 滲透率接近常規(guī)水泥石 ,具有良好的層間封隔與后期防氣竄的功能,更有利于延長(zhǎng)油氣井的開采壽命。表4低密度水泥漿體系防氣竄性能表（103）密度（g/cm3）稠化時(shí)間(min)100bc稠化時(shí)間(min) 30bc失水量(ml)SPN值1.30240230442.621.40225216402.211.50186177362.203. 2 . 4 水泥漿防漏堵漏性能評(píng)價(jià)該體系由于加入防漏復(fù)合纖維 SD66 ,使之發(fā)揮了良好的防漏堵漏能力 ,10min內(nèi)能堵住漏失,提高漏失地層的承壓能力達(dá)6. 0 MPa (表5) ,更好地保障 了施工過(guò)程中發(fā)生井漏時(shí)的施工安全和固井

9、質(zhì)量。表5低密度水泥漿堵漏性能表配方10min承壓(MPa)漏失量(ml)備注2SD66+1.8SD1868252mm孔板2SD66+1.8SD1868402mm縫板2SD66+1.8SD1859203mm孔板2SD66+1.8SD1859203mm縫板5 結(jié)論1 ） 超細(xì)水泥具有改善基本水泥顆粒級(jí)配 ,起到提高粉體堆積密實(shí)程度的作用。2) 超細(xì)水泥低密度水泥漿體系克服了常規(guī)低密度水泥漿體系早期強(qiáng)度低、穩(wěn)定性差、易分層等缺點(diǎn),具有較高的早期強(qiáng)度和穩(wěn)定性 ,水泥石微膨脹、滲透率低等優(yōu)點(diǎn);水泥漿體系稠化時(shí)間從低溫到高溫均能可調(diào) ,流變性可根據(jù)設(shè)計(jì)要求調(diào)整。3) 水泥漿體系失水量小,靜膠凝過(guò)渡時(shí)間小

10、于20 min ,稠化時(shí)間從30100 Bc 的時(shí)間小于20 min , 具有良好的防氣竄性能和具有較強(qiáng)的防漏堵漏的能力。現(xiàn)場(chǎng)成功應(yīng)用20 余口井次,測(cè)井曲線顯示固井質(zhì)量良好。超細(xì)水泥的發(fā)展水泥注漿材料自1838 年英國(guó)湯姆遜隧道開始應(yīng)用 ,人們?cè)趯?shí)踐中發(fā)現(xiàn)普通水泥粒徑較大 ,滲透能力有限 ,一般只能滲入大于 0 . 1mm 的裂隙或空隙 ,而對(duì)于微細(xì)裂隙注漿加固效果較差 , 因此轉(zhuǎn)向化學(xué)注漿材料的研究 , 由于化學(xué)注漿材料的價(jià)格高、配方復(fù)雜 ,而且大多數(shù)化學(xué)注漿材料都有毒 ,其發(fā)展受到限制 ,尤其 1974 年 日本上 岡縣發(fā)生注漿污染事故后 , 日本 、美國(guó)相繼禁止了有毒漿材的使用 。為了

11、在低滲透介質(zhì)中提高水泥的可注性 ,超細(xì)水泥注漿材料成了研究的熱點(diǎn) 。日本早在 20 世紀(jì) 70 年代初率先研制成超細(xì)水泥灌漿材料 ,美、俄國(guó)也相繼開發(fā)成這一產(chǎn)品, 由于漿液穩(wěn)定性好 ,滲透能力強(qiáng) ,可達(dá)到和化學(xué)漿材相近的可注性 ,且漿材無(wú)污染 ,價(jià)格低 廉 ,因此迅速地得到廣泛應(yīng)用 , 同時(shí)利用超細(xì)水泥研制的各種灌漿材料和工藝 ,在工程中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛 。 1 生產(chǎn)現(xiàn)狀 超細(xì)水泥的生產(chǎn)原料與普通水泥大致相同,在組成上的主要不同點(diǎn)是在制備過(guò)程中加入了一些性能調(diào)節(jié)劑 ,超細(xì)水泥的生產(chǎn)是以普通水泥或水泥熟料為原料 ,采用一定的粉磨設(shè)備制得 ,常用的粉磨設(shè)備有球磨機(jī)、振動(dòng)磨、雷蒙磨、攪拌磨、氣流磨等

12、 ,使其顆粒細(xì)化。國(guó)外資料認(rèn)為超細(xì)水泥最大粒徑應(yīng) < 20m 有必要指出的是最大粒徑并非絕對(duì)意義上的最大粒徑 ,若最大粒徑< 20m ,通常指 d95 < 20 m ,即允許有 5 %的粒子 > 20 m平均粒徑為35 m 。還有人認(rèn)為巖基縫隙大于水泥粒子 35倍時(shí),漿體能夠順利灌入裂縫中。國(guó)內(nèi)有專家認(rèn)為超細(xì)水泥的比,表面積應(yīng)> 10000cm / g 才稱得上超細(xì)水泥。 由于超細(xì)水泥在制造過(guò)程中受到?jīng)_擊、研磨、擠壓、彎曲等機(jī) 械力的連續(xù)、共同作用 ,使水泥中的粗顆粒在逐步被粉碎的過(guò)程 中,細(xì)度急劇下降,比表面積迅速增大 ,由于轉(zhuǎn)入能量中的一部分變?yōu)樾骂w粒的內(nèi)隨和

13、表面能,從而導(dǎo)致水泥顆粒表面物理化學(xué)性能的巨大變化 ,因此 ,超細(xì)水泥的活性比普通水泥大得多。 生產(chǎn)超細(xì)水泥注漿材料的方法有濕磨和干磨兩種。濕磨超細(xì)水泥是指在施工現(xiàn)場(chǎng)將預(yù)拌的普通水泥漿泵入濕磨機(jī)磨成超細(xì)水泥;長(zhǎng)江科學(xué)院于20 世紀(jì)80 年代末開始濕磨細(xì)水泥的生產(chǎn)研究。以灌注裂隙寬度為 0. 050. 2mm 的巖體為目標(biāo) ,研制出GSM 型高效水泥濕磨機(jī)。該機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 ,操作方便 ,體積小 ,重量輕 ,能耗低 ,不需要研磨介質(zhì)和助磨劑 ,特別適合于注漿工程的現(xiàn)場(chǎng)使用。目前 ,該技術(shù)已成功應(yīng)用于包括三峽工程在內(nèi)的全國(guó)10 多座大型水電工程。干磨超細(xì)水泥是指在水泥廠用超細(xì)粉磨機(jī)設(shè)備生產(chǎn)的超細(xì)水泥。

14、 1991 年我國(guó)洋徑水泥廠研制了U型超細(xì)水泥 ,并在浙江上黃水庫(kù)、洋溪水庫(kù)壩心場(chǎng)基礎(chǔ)局部接觸滲漏注漿收到明顯效果的基礎(chǔ)上 ,進(jìn)一步改善性能、降低生產(chǎn)成本 ,在 U型超細(xì)水泥中摻加了粉煤灰研制成功粉煤灰超細(xì)水泥 ,使超細(xì)水泥漿液的可注性得到了提高 ,成本也顯著下降。目前 ,我國(guó)生產(chǎn)的“華夏”牌系列超細(xì)水泥 ,就是利用了我國(guó)自己的超細(xì)磨技術(shù)、超細(xì)分離技術(shù)、水泥改性技術(shù)等最新技術(shù) , 由浙江金華華夏灌漿材料廠研究所開發(fā)研制而成 ,其功能已達(dá)到和部分超過(guò)國(guó)外的技術(shù)水平。國(guó)產(chǎn)的“華夏”牌超細(xì)水泥的細(xì)度已達(dá)到4 . 8m以下,顆粒級(jí)配較優(yōu)化。目前 ,國(guó)內(nèi)外的超細(xì)水泥普遍使用于封堵地下水流、加固大壩基礎(chǔ)、

15、封閉核放射廢料、加固隧道邊墻、大塌方及各種地下建筑物開挖前軟弱地基的處理等 ,都獲得了理想的使用效果。目前美、日、德、法等國(guó)均能生產(chǎn)比表面積 8001600cm2 / g的超細(xì)水泥 ,超細(xì)水泥的優(yōu)異性能來(lái)源于它的細(xì)度。最大粒徑< 20m ,平均粒徑< 5m 。2 超細(xì)水泥的性質(zhì)(1)超細(xì)水泥的物理性質(zhì)指標(biāo)。比重:3. 00 ±0. 10 ;單位重量:1. 00±0. 10kg/ L ;比表面積:8000cm 2 / g 左右;平均細(xì)度:4m左右。(2)無(wú)毒性:超細(xì)水泥不含任何有機(jī)或污染成份 ,其主要成分為 CaO 、SiO2 、Al2 O3 、Fe2 O3 、M

16、gO ,具有良好的工作環(huán)境 ,無(wú)臭、無(wú)味。因此 ,不污染環(huán)境 ,對(duì)人體無(wú)害。(3) 試驗(yàn)證明,用超細(xì)水泥制備的漿液 ,經(jīng)過(guò)充分?jǐn)嚢?,具有良好的物理力學(xué)性能。強(qiáng)度與變形能力是注漿材料的重要性能,超細(xì)水泥的顆?；瘜W(xué)性質(zhì)活潑 ,因而能快速凝固達(dá)到較高的強(qiáng)度。水泥結(jié)石致密 , 而且具有較高的耐久性 ,可以滿足工程注漿加固施工要求。(4) 漿液的粘度:水泥漿液的粘度隨著水灰比不同而變化 ,水灰比加大 ,則粘度減少 ,反之增大。(5) 穩(wěn)定性:超細(xì)水泥所制的漿掖 低水灰比中摻用外加劑等 穩(wěn)定性好 ,使注漿設(shè)備避免損壞并防止管道堵塞。(6) 注入能力:超細(xì)水泥的平均粒徑 < 5m ,通過(guò)可注性試驗(yàn)測(cè)

17、定 ,超細(xì)水泥的可注性是普通水泥的 12 倍 ,接近于真溶性化學(xué)漿液。而且對(duì)裂隙中的鋼筋無(wú)腐蝕。(7) 對(duì)于膠凝時(shí)間的適應(yīng)性:超細(xì)水泥的膠凝初凝時(shí)間與終凝時(shí)間通過(guò)與水玻璃溶液的混合可在 20s 至幾分鐘的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié) ,可以滿足施工要求。3 存在問(wèn)題及解決的一些方法( 1) 目前 ,雖然有一些廠家生產(chǎn)超細(xì)水泥 ,但普遍存在規(guī)模小,磨機(jī)的粉磨效率低 ,生產(chǎn)超細(xì)水泥的成本高,缺乏統(tǒng)一的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) ,從而限制了其大量使用?？赏ㄟ^(guò)采用立窯煅燒新工藝、新技術(shù)的方法 ,同時(shí)增設(shè)細(xì)碎機(jī)的方法提高生產(chǎn)率 ,降低生產(chǎn)成本。(2) 隨著水泥細(xì)度的減小 ,其物理力學(xué)性能、流變性能、水化性能等均會(huì)發(fā)生很大變化 ,但目

18、前對(duì)超細(xì)水泥基注漿材料的性能缺乏系統(tǒng)研究,長(zhǎng)期以來(lái)有關(guān)注漿的文獻(xiàn)大多是一些經(jīng)驗(yàn)報(bào)告 , 闡述的是一些相互關(guān)聯(lián)的物理參數(shù)的影響的觀察結(jié)果。但是隨著超細(xì)水泥的廣泛使用 ,對(duì)其性能的研究將越來(lái)越深入。(3) 在實(shí)際施工過(guò)程中,也需要解決一些問(wèn)題: 由于注漿介質(zhì)模擬的不確定性和艱難性、注漿材料模擬的困難性、巷道圍巖結(jié)構(gòu)相似模擬與注漿材料相似模擬的內(nèi)在聯(lián)系的不可捉摸性 ,導(dǎo)致注漿模擬實(shí)驗(yàn)及其技術(shù)落后、抑制了注漿理論的發(fā)展 ,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際之間存在較大差異。因此面對(duì)各種各樣的事實(shí) ,需要用經(jīng)驗(yàn)分析 ,我們可以采用“事實(shí)指導(dǎo)注漿” 圍巖結(jié)構(gòu)特征確定注漿材料類型。普通水泥注漿時(shí),為提高漿液的穩(wěn)定性 ,通常要加

19、入少量的 膨潤(rùn)土 ,但是對(duì)超細(xì)水泥注漿而言,必需放棄使用膨潤(rùn)土。因?yàn)榕驖?rùn)土在懸浮液中有團(tuán)聚作用 ,對(duì)注漿不利。超細(xì)水泥由于其直徑小,活性高,制漿時(shí)必須有一臺(tái)高速攪拌機(jī) ,才能使其充分分散 ,保證漿液靜置時(shí)顆粒的沉降速度減慢 ,析水率明顯降低 ,漿液穩(wěn)定性提高。水泥注漿材料在滿足細(xì)度要求的前提下,要獲得理想的注漿效果 ,很大程度取決于水泥漿液的水灰比, 由于超細(xì)水泥本身直徑小 ,且是在普通水泥注漿無(wú)法滿足要求的情況下使用 ,其注漿水灰比一般應(yīng)控制在 21 以下。隨水灰比增加析水率增大 ,析水穩(wěn)定時(shí)間縮短。水灰比過(guò)大 ,水會(huì)從漿體中析出或存留在孔隙中,破壞裂隙中灌注的水泥結(jié)石連續(xù)性和形成空洞;而且

20、 ,大水灰比漿液穩(wěn)定性差 ,水?dāng)y帶水泥微細(xì)顆粒沿裂隙擴(kuò)散、水泥顆粒越細(xì)、被攜帶越遠(yuǎn) ,裂隙被充填的時(shí)間也越長(zhǎng) ,而較粗的顆粒會(huì)在裂隙的通道上沉淀淤積 ,逐漸堵塞通道使得細(xì)顆粒也難以通過(guò) ,導(dǎo)致析水回濃。因此采用較小的水灰比注漿 ,或采用穩(wěn)定性好的漿液注漿 ,其注漿效果將明顯優(yōu)于大水灰比漿液 ,對(duì)超細(xì)水泥而言, 其水灰比一般為 0. 81 1. 01 。對(duì)超細(xì)水泥注漿材料應(yīng)進(jìn)行高效減水劑的優(yōu)選。一般認(rèn)為注漿時(shí)采用大水灰比漿液 ,流動(dòng)性好 ,可增大對(duì)細(xì)微裂縫的可注性。但是從另一方面考慮 ,水灰比大 ,水泥漿液沉降快 ,漿液不穩(wěn)定 ,容易析水 ,可注性并不一定好。性能調(diào)節(jié)劑的選擇和摻量是根據(jù)注漿工程

21、的需要來(lái)決定的,這是因?yàn)殡S著水泥顆粒的細(xì)化也影響水泥的注漿效果。如流動(dòng)性降低 ,如不采取措施 ,要達(dá)到同普通水泥相同的流動(dòng)性必須增加用水量 ,增大水灰比又使?jié){液穩(wěn)定性降低; 由于保水性好 ,硬化結(jié)石的水灰比大 ,毛細(xì)管孔尺寸大且多,影響水泥結(jié)石的密實(shí)性 ,進(jìn)而影響抗?jié)B和耐蝕等性能;水泥越細(xì)收縮值越大 ,引起結(jié)石與基體粘結(jié)失效,因此 ,在制備過(guò)程中要加入一些性能調(diào)節(jié)劑 如膨脹劑、減水劑、速凝劑等 ,為防止水化升溫過(guò)高 ,有時(shí)也加一些粉煤灰、粒狀高爐礦渣和硅粉等摻合物。高效減水劑與水泥的相容性取決于水泥的細(xì)度、礦物和化學(xué)組成 ,高效減水劑的物理化學(xué)性質(zhì) ,尤其是它們的分子量和反離子的類型等。雖然超

22、細(xì)水泥中摻入了一些粉煤灰、礦渣等 ,但由于其高活性 ,水化初期漿溫仍很高,特別是采用高壓注漿時(shí),應(yīng)采取措施控制漿溫。4結(jié)論現(xiàn)在隨著超細(xì)水泥生產(chǎn)成本的降低和人類環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng),超細(xì)水泥注漿材料也將在水電、地鐵、隧道、修補(bǔ)混凝土中的裂隙等工程中得到更廣泛的應(yīng)用。盡管超細(xì)水泥存在一些不足之處, 但是超細(xì)水泥借助于它有良好的可注性 ,價(jià)格相對(duì)低廉,經(jīng)久耐用,結(jié)石強(qiáng)度高,對(duì)環(huán)境無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn), 日益成為“綠色注漿材料”。超細(xì)水泥封堵劑研究與應(yīng)用目前，我國(guó)大多數(shù)的油田油井出水嚴(yán)重，不同程度的影響了穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)。在油田高含水開發(fā)期，存在不同類型的水竄、水害。對(duì)于管外竄、套管變形及損壞、層間竄、底水錐進(jìn)、難卡封的

23、已射開高含水井的封堵，最常用的方法是向采油井或注水井特定井段擠住水泥漿進(jìn)行永久性封堵或重新射孔來(lái)穩(wěn)油控水，提高采收率。但普通油井水泥顆粒大，不能進(jìn)入微縫通道，成功率僅為30左右。超細(xì)水泥解決了這一難題，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中成功率達(dá)90。超細(xì)水泥的特點(diǎn)是粒徑小、造漿率高、漿體密度低，滲透性好，在60-90井溫條件下，能夠在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持可泵性，且在注蒸汽井壓力條件下，強(qiáng)度仍很穩(wěn)定。超細(xì)水泥的封堵原理是其漿體呈奶油狀，在整個(gè)施工過(guò)程中一直保持低稠度狀態(tài)；水泥顆粒粒徑小，具有較強(qiáng)的穿透能力和滲透能力，在足夠長(zhǎng)稠化時(shí)間內(nèi)，處理半徑比普通油井水泥大得多。在目的層能快速凝結(jié)硬化，固化后的水泥石有微膨脹性，有利于與

24、巖層的膠結(jié)及真正起到防竄堵水的作用。因此，它能封堵深部底層的縫隙與孔道、水泥環(huán)和巖層間的縫隙、套管和水泥環(huán)之間的裂縫及套管環(huán)接頭處的滲漏部位，成功率比普通油井水泥高。超細(xì)水泥灌漿材料的研究與發(fā)展灌漿材料按材料性質(zhì)一般分為兩大類:一類是化學(xué)灌漿材料，例如: 甲凝、丙凝、環(huán)氧樹脂等;另一類是非化學(xué)灌漿材料 ,例如:水泥、粘土、水泥粘土等。在傳統(tǒng)的滲透性灌漿中,化學(xué)漿材由于具有粘度低 ,凝結(jié)時(shí)間易精確控制 ,不受顆粒尺寸效應(yīng)影響等優(yōu)點(diǎn),較粒狀漿材有更廣泛的應(yīng)用范圍。但是 , 由于化學(xué)漿材或多或少都存在一定的毒性 ,易引起環(huán)境污染 ,其耐久性雖經(jīng)許多試驗(yàn)仍未十分明確肯定,費(fèi)用也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水泥類漿材。水泥

25、作為灌漿材料具有強(qiáng)度高,耐久性好 ,無(wú)毒 ,無(wú)味,材料來(lái)源方便 ,價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn),一般灌漿多采用普通水泥。但普通水泥粒徑較大 ,粗顆粒多,最大粒徑可達(dá)90m 100m 。當(dāng)水灰比較大時(shí),漿液的穩(wěn)定性差 ,易析水回濃 ,不能有效灌入細(xì)微裂隙;且硬化時(shí)伴有析水 ,固相體積收縮 ,使硬化結(jié)石與被灌基體的粘結(jié)強(qiáng)度降低,形成新的滲水通道。特別是針對(duì)細(xì)微裂隙的灌漿 ,普通水泥難滿足工程要求 ,于是一種新型的灌漿材料- 超細(xì)水泥便應(yīng)運(yùn)而生了。1 超細(xì)水泥概況自從 70年代初日本研制成功 MC500 型超細(xì)水泥以來(lái) ,由于其漿液穩(wěn)定性好 ,流動(dòng)性比普通水泥有顯著改善 ,并在固結(jié)時(shí)很少析水或不析水 ,具有良好的

26、防滲固結(jié)效果,達(dá)到與化學(xué)漿液相媲美的可灌性 ,其結(jié)石強(qiáng)度大大高于化學(xué)漿材 ,無(wú)污染 ,不老化 ,價(jià)格低。目前 ,關(guān)于超細(xì)水泥還沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn) ,一般以其粒徑大小來(lái)定義。一般認(rèn)為 ,超細(xì)水泥最大粒徑小于 20m ,比表面積 S大于 800 m 2 / kg。普通水泥與超細(xì)水泥物理性能比較見表 1,其區(qū)別主要表現(xiàn)在顆粒大小與比表面積方面。超細(xì)水泥與普通水泥在組成上的主要不同點(diǎn)是在制備過(guò)程中加入了一些性能調(diào)節(jié)劑。性能調(diào)節(jié)劑的選擇和摻量是根據(jù)灌漿工程的需要決定的,這是因?yàn)殡S著水泥顆粒的超細(xì)化 ,會(huì)產(chǎn)生一些問(wèn)題 ,影響水泥的灌漿效果。表1普通水泥與超細(xì)水泥物理性質(zhì)比較類別平均粒徑m最大粒徑m比表面積m2/

27、kg備注普通水泥152044100260400適灌縫寬0.2mm超細(xì)水泥41010308001600適灌縫寬0.05mm超細(xì)水泥的生產(chǎn)原料與普通水泥相同,只是采用超細(xì)粉磨技術(shù)和設(shè)備使其顆粒細(xì)化 ,生產(chǎn)超細(xì)水泥灌漿材料的方法有干磨和濕磨 2 種 , 目前國(guó)內(nèi)外已有很多廠家能生產(chǎn)超細(xì)水泥 ,如表 2。表2 國(guó)內(nèi)外超細(xì)水泥比較研制單位產(chǎn)品型號(hào)平均粒徑m最大粒徑m比表面積m2/kg浙江金華華夏灌漿材料廠MC系列2.08.01600上海洋涇水泥廠U-1型71030.0800山東東營(yíng)辛勝超細(xì)水泥廠XS型4151000中國(guó)建材研究院改性灌漿水泥630800長(zhǎng)江科學(xué)院濕磨超細(xì)灌漿水泥41040.0760100

28、0日本MG500型3410.08001270美國(guó)MC-100型3.08.01400法國(guó)icrosol6.010.0800干磨超細(xì)水泥是指直接在水泥廠用超細(xì)粉磨設(shè)備生產(chǎn)的超細(xì)水泥 ,其設(shè)備有超細(xì)球磨、振動(dòng)磨、氣流磨等。超細(xì)球磨采用多級(jí)配小規(guī)格研磨介質(zhì) ,通過(guò)大幅度提高研磨介質(zhì)與被研磨物料接觸面 ,在相同能耗和時(shí)間下,增加物料被研磨的次數(shù) ,提高研磨效率 ,最終使物料達(dá)到較高的細(xì)度。振動(dòng)磨是利用介質(zhì)在作高頻振動(dòng)的筒體內(nèi)對(duì)物料進(jìn)行沖擊、摩擦、剪切等作用使物料粉碎。氣流磨粉碎是利用壓縮氣體通過(guò)均勻分布在粉碎室周圍并與粉碎室半徑方向成一定角度的噴嘴產(chǎn)生高速氣流 ,使通過(guò)加料噴射器連續(xù)均勻地進(jìn)入粉體室的粉

29、體物料顆?；ハ嗉ち遗鲎病⒛Σ烈约胺垠w室內(nèi)腔表面碰撞 ,從而達(dá)到超細(xì)粉碎的目的。氣流磨是目前應(yīng)用廣泛且實(shí)現(xiàn)超細(xì)粉碎最有效的設(shè)備之一。濕磨超細(xì)水泥是指在施工現(xiàn)場(chǎng)將預(yù)拌的普通水泥漿泵入濕磨機(jī)磨成超細(xì)水泥 ,一般只在一些大型的灌漿工程中使用。濕磨機(jī)的種類很多,如日本的濕式微型碾磨機(jī) ,為球磨機(jī)的改進(jìn)型。我國(guó)長(zhǎng)江科學(xué)院研制 的 GSM 型濕磨機(jī) ,它是按膠體磨的作用原理設(shè)計(jì)的, 該磨機(jī)出料的最大粒徑小于 4m , 已在湖南五強(qiáng)溪、江西萬(wàn)安、湖北隔河巖及三峽等水電工程應(yīng)用中取得了良好效果。2 超細(xì)水泥性能作為灌漿材料 ,可灌性是一個(gè)很重要的性能指標(biāo)。中、法、德、日、瑞士、瑞典、美國(guó)、加拿大等國(guó)的施工實(shí)踐表

30、明,超細(xì)水泥具有與化學(xué)漿液大致相同的滲透能力。水泥漿液的可灌性主要取決于漿液的流動(dòng)性和粒子的粒徑 ,根據(jù)國(guó)內(nèi)外的灌漿經(jīng)驗(yàn) ,水泥粒徑與可灌性有如下關(guān)系2 : G = b /D95式中: b - 裂隙寬度 , mm; D95 - 95%的水泥粒子粒徑小于該值 ,m 。一般認(rèn)為 G > 5 時(shí),粒狀水泥漿液容易灌入 , G < 2 時(shí),粒狀水泥漿液難以灌入。2. 2流動(dòng)性在灌漿材料中,流動(dòng)性與可灌性密切相關(guān)。水泥粒子的細(xì)度與吸附水量關(guān)系 3 如表 3,隨著水泥的細(xì)化 ,超細(xì)水泥比表面積顯著增大 ,吸附水量增大 ,需水量增加 ,流動(dòng)性降低 ,但是高效減水劑的應(yīng)用能大大降低粒子的吸附水量

31、,增大漿液的流動(dòng)性 ,從而彌補(bǔ)水泥顆粒超細(xì)化所帶來(lái)的不足。表 3 水泥粒子的細(xì)度與吸附水量關(guān)系水泥粒子尺寸m比表面積m2/kg單分子層吸附水的量102200.01123000.10.12200012. 3 穩(wěn)定性水泥漿液的穩(wěn)定性是在 250m l 的量筒中注滿漿液 ,隨著時(shí)間的延長(zhǎng) ,用上部析水高度占整個(gè)漿液高度的百分?jǐn)?shù)即析水率 來(lái)表示的。作為灌漿材料 ,其析水率愈低 ,析水歷時(shí)愈長(zhǎng),則漿液的穩(wěn)定性越高,對(duì)灌漿越有利。普通水泥由于顆粒大 ,沉降快,穩(wěn)定性較差。超細(xì)水泥由于顆粒細(xì)度高,再加上所含的性能調(diào)節(jié)劑的綜合作用,漿液穩(wěn)定性有顯著提高,反映在析水歷時(shí)延長(zhǎng),最終析水率減少。2. 4 抗壓抗折強(qiáng)

32、度水泥細(xì)化后 ,比表面積增大,水化反應(yīng)進(jìn)行的更徹底 ,抗壓和抗?jié)B強(qiáng)度均得到顯著提高,表 4為超細(xì)水泥灌漿料 MFC - GM 與硅酸鹽水泥P·42.5抗折、抗壓強(qiáng)度對(duì)比。從表中看出,超細(xì)水泥比普通水泥具有更高的強(qiáng)度性能。表 4 MFC-GM 與硅酸鹽水泥抗折、抗壓強(qiáng)度對(duì)比MPa品種抗析強(qiáng)度抗壓強(qiáng)度3d7d28d3d7d28dP·42.55.06.58.036.041.550.9MFC-GM6.87.98.950.557.068.22. 5 膨脹性由于超細(xì)水泥的粒徑很小,極容易發(fā)生收縮 ,為了補(bǔ)償這種收縮 ,一般都加入適量膨脹劑 ,其 28d水泥凈漿自由線膨脹量可控制在 0.

33、 12% 0.15%之間, 使水泥結(jié)石后期不收縮 ,這對(duì)防滲補(bǔ)強(qiáng)是十分有利的, 特別是細(xì)微裂隙的灌漿 ,可以取得很好的灌漿效果。3 存在的問(wèn)題3. 1 粉磨技術(shù)方面目前 ,雖然有一些廠家生產(chǎn)超細(xì)水泥 ,但普遍存在規(guī)模小,磨機(jī)的粉磨效率低 ,導(dǎo)致生產(chǎn)超細(xì)水泥的成本比較高,成本因素嚴(yán)重制約了超細(xì)水泥的發(fā)展 ,需要進(jìn)一步加快粉磨設(shè)備和技術(shù)的研究和開發(fā)。天津院新開發(fā)的 TCX型超細(xì)高效選粉機(jī), 能極大提高生產(chǎn)效率 ,降低生產(chǎn)成本。3. 2 漿材的組成、結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系方面(1) 隨著水泥粒徑的細(xì)化 ,其物理力學(xué)性能、流變性能、水化性能等均會(huì)發(fā)生很大的變化 ,但目前對(duì)超細(xì)水泥灌漿材料的性能缺乏系統(tǒng)研究。(

34、2) 目前對(duì)漿材的顆粒特性只強(qiáng)調(diào)粒徑對(duì)可灌性的影響,而忽視了顆粒形貌、級(jí)配的作用。1981年 ,丹麥 A alborg Portland試驗(yàn)室采用合理的材料顆粒級(jí)配、極低的水膠比,在超塑化劑的作用下首先開發(fā)成功的一種孔隙率很低的超高強(qiáng)水泥 D SP 5 水泥 ,該水泥含均勻分布超細(xì)顆粒的致密系統(tǒng),其抗壓強(qiáng)度可達(dá) 200MPa 300 MPa。 (3)目前超細(xì)水泥主要由硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥粉磨而成 ,雖然有些進(jìn)行過(guò)改性 ,但仍屬于高鈣水泥 ,其抗侵蝕能力差 ,在與巖石粘結(jié)的界面區(qū)易造成 CH 的擇優(yōu)取向,界面粘結(jié)強(qiáng)度低、空隙率高、抗?jié)B性差。3. 3材料的品種方面目前應(yīng)用較多的材料主要是硅酸

35、鹽系列超細(xì)水泥或者在該類超細(xì)水泥中加高效減水劑、膨脹劑等改性材料制成的改性漿材 ,品種單一 ,沒有形成系列產(chǎn)品, 以適用于各種灌漿條件 的需要。例如是否能象MDF M acro - Defect Free Cement 水泥材料 ,采用有機(jī)和無(wú)機(jī)材料復(fù)合開發(fā)出聚合物水泥基灌漿材料 ,或者開發(fā)出與工業(yè)廢渣復(fù)合的高性能水泥基灌漿材料 , 或者開發(fā)超細(xì)類非硅酸鹽系列的無(wú)機(jī)灌漿材料等。3. 4 實(shí)際施工方面由于注漿介質(zhì)模擬的不確定性與艱難性、注漿材料模擬的困難性、介質(zhì)結(jié)構(gòu)相似模擬與注漿材料相似模擬的內(nèi)在聯(lián)系的不可捉摸性 ,導(dǎo)致注漿模擬實(shí)驗(yàn)及其技術(shù)落后、抑制了注漿理論的發(fā)展 ,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際之間存在較大

36、差異。因此面對(duì)各種各樣的事實(shí),需要用經(jīng)驗(yàn)分析 ,我們可以采用 "事實(shí)指導(dǎo)注漿 " ,應(yīng)根據(jù)介質(zhì)結(jié)構(gòu)特征確定注漿材料類型。超細(xì)水泥由于其粒徑小,活性高,制漿時(shí)必須有一臺(tái)高速攪拌機(jī) ,才能使其充分分散 ,保證漿液靜置時(shí)顆粒的沉降速度減慢 ,析水率明顯降低 ,漿液穩(wěn)定性提高。超細(xì)水泥目前主要用于水壩、地基、油井等大型工程中,其灌漿設(shè)備比較復(fù)雜 ,在比較小的工程中,如路面、橋面裂縫灌漿處理等 ,派不上用場(chǎng) ,以至于灌漿達(dá)不到預(yù)期的效果?；炷恋陌l(fā)展方向給我們以啟示 ,超細(xì)水泥灌漿材料也應(yīng)該朝著綠色、高性能方向發(fā)展 ,其技術(shù)特點(diǎn)應(yīng)該是:綠色環(huán)保 ,無(wú)毒;多組分復(fù)合;材料組成顆粒超細(xì)化

37、;高可灌性;高耐久性;高體積穩(wěn)定性 ,而且目前應(yīng)該優(yōu)先進(jìn)行以下幾方面的研究。(1) 生產(chǎn)技術(shù)方面。只有粒子超細(xì)化后. 才能提高其滲透能力 ,實(shí)現(xiàn)漿材的高可灌性。但是同時(shí)也應(yīng)該改進(jìn)技術(shù) ,降低能耗 ,以降低超細(xì)水泥的成本。(2) 材料復(fù)合方面。通過(guò)多組分的復(fù)合,以改善漿材的流動(dòng)性、耐久性、穩(wěn)定性 ,這是實(shí)現(xiàn)高性能超細(xì)水泥灌漿材料開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。(3) 水泥品種方面。開發(fā)多系列高性能超細(xì)灌漿水泥 ,以滿足不同工程條件的需要。(4) 灌漿設(shè)備方面。完善現(xiàn)有的灌漿設(shè)備 ,開發(fā)新型、實(shí)用、滿足大多灌漿工程的設(shè)備。超細(xì)水泥在油田開發(fā)中的應(yīng)用摘要 超細(xì)水泥是顆粒更加細(xì)化了的油井水泥, 粒徑為10m 左右。A

38、 級(jí)超細(xì)水泥通過(guò)0.25mm窄小縫隙的通過(guò)量達(dá)94.6%,而普通G 級(jí)、H 級(jí)的油井水泥的通過(guò)量?jī)H為15% 左右。細(xì)化了的油井水泥,其水化速度明顯加快,析水量大大減少,抗壓強(qiáng)度提高1 倍,抗折強(qiáng)度提高1倍, 結(jié)石的抗?jié)B性提高14 倍。此外,由于比表面積增大,水化程度提高, 使水泥的利用率成倍提高。實(shí)踐證明,超細(xì)水泥能堅(jiān)固、長(zhǎng)久地封堵套管外竄槽, 封堵套管縫洞泄漏, 封堵射孔孔眼, 封堵井間大孔道蒸汽竄、水竄,封堵邊、底水推進(jìn),施工有效率達(dá)90% 以上。0引言 據(jù)SPE 的文章報(bào)道,在美國(guó), 大約有95%的堵水作業(yè)是用擠水泥的方法實(shí)施的,通常只有大約30% 的成功率, 原因是普通標(biāo)準(zhǔn)水泥的粒徑太

39、大, 進(jìn)入不了較小的縫隙 。另?yè)?jù)報(bào)道, 在超細(xì)水泥問(wèn)世后的最初9個(gè)月, 有20多家作業(yè)公司在15 個(gè)油氣田上進(jìn)行了上百次試驗(yàn),根據(jù)81次作業(yè)的統(tǒng)計(jì)表明, 成功率達(dá)94%。勝利石油管理局現(xiàn)河采油廠對(duì)超細(xì)水泥在油田開發(fā)中的應(yīng)用,在1993年開始立項(xiàng)研究, 進(jìn)行了充分的室內(nèi)研究和性能檢測(cè),進(jìn)行了150多井次的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),這些試驗(yàn)分別在勝利油田的現(xiàn)河采油廠、濱南采油廠、勝利采油廠、江漢油田的清河采油廠、中原油田的采油四廠進(jìn)行,成功率達(dá)到國(guó)外先進(jìn)水平。研究成果于1996年2 月6 日通過(guò)了勝利石油管理局的驗(yàn)收, 1997年12月15日通過(guò)了中國(guó)石油天然氣總公司的鑒定。1超細(xì)水泥的室內(nèi)研究 超細(xì)水泥是經(jīng)再次

40、粉碎細(xì)化了的油井水泥,細(xì)化后, 其物理性能得到了改善和提高。 1. 1粒徑及比表面積分析 目前,已經(jīng)生產(chǎn)出的超細(xì)水泥產(chǎn)品,其粒徑指標(biāo)達(dá)到了國(guó)外同類產(chǎn)品的水平。表1是超細(xì)水泥與普通油井水泥的粒徑分析對(duì)比和比表面積分析對(duì)比表。從表中可見,超細(xì)水泥的最大粒徑為2035m, 普通水泥的最大粒徑為90m;超細(xì)水泥中有90%以上的顆粒粒徑小于10.521.4m,而普通水泥有50%的粒徑大于21m;超細(xì)水泥的比表面積是普通水泥的23倍。表1超細(xì)水泥與普通油井水泥粒徑及比表面積對(duì)比水泥類型超細(xì)SPSC-A超細(xì)SPSC-B普通G級(jí)油井水泥粒徑分析最大粒徑20.0m90以上的粒徑10.5m50以上的粒徑6.0m1

41、0以上的粒徑3.2m最大粒徑35.0m90以上的粒徑21.4m50以上的粒徑10.2m10以上的粒徑4.2m最大粒徑90.0m90以上的粒徑53m50以上的粒徑21m比表面積9000 m2/kg65000 m2/kg3300 m2/kg1. 2水化速度以常用的 級(jí)油井水泥為例, 不同的粒徑,其水化速度是不同的。粒徑小于10m,其水化速度最快; 粒徑為1130m,水化速度中等;粒徑為6090m, 水化速度緩慢; 當(dāng)粒徑大于90m 時(shí), 只在表面水化。超細(xì)水泥的粒徑絕大部分在1020m,所以水化速度也最快。 1. 3水泥利用率 由于水泥的粒徑越小, 比表面積和水化程度就越大, 從而使水泥利用率也越

42、高。據(jù)測(cè)定, 當(dāng)比表面積為3000cm2/kg時(shí),水泥利用率為44%; 比表面積為7000cm2/時(shí),利用率為80%; 比表面積為10000cm2/kg時(shí),利用率為90% 95%。從表1的數(shù)據(jù)可知, 超細(xì)水泥的利用率比普通水泥約高1倍。 1. 4通過(guò)窄縫的能力 在同樣的條件下,壓力0. 63MPa, 縫寬0.25mm, 室溫23.9, 比較超細(xì)水泥漿和普通油井水泥漿通過(guò)窄縫的能力, 室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果見表2。從表2 可見,超細(xì)水泥的A 級(jí)和B 級(jí)產(chǎn)品,通過(guò)0.25窄縫的體積分別為95%左右和50%左右,而普通 級(jí)、級(jí)水泥通過(guò)的體積只有 15%左右。這說(shuō)明, 水泥粒徑越小,越易進(jìn)入微細(xì)縫孔,提高封堵效

43、果。表2水泥漿通過(guò)0. 25mm 窄縫的能力對(duì)比樣品號(hào)水泥型號(hào)添加劑水泥漿體積通過(guò)的體積通過(guò)百分比通過(guò)前后密度（cm3/kg）體積（）重量（）前后1SPSC-B1351037682.01.381.332SPSC-B137735352.61.501.443SPSC-B2低慮失劑140604343.61.441.434SPSC-A1401349693.61.441.435SPSC-A1分散劑1401389997.41.441.446SPSC-A1分散劑1401379896.71.441.437普通G級(jí)140231616.31.891.848普通H級(jí)140191412.21.961.92用同樣的試驗(yàn)

44、方法,對(duì)0. 15mm 的窄縫作通過(guò)能力試驗(yàn), 結(jié)果,超細(xì)水泥的A 級(jí)產(chǎn)品的通過(guò)量達(dá)90% 以上,B 級(jí)產(chǎn)品的通過(guò)量為40%左右,而普通水泥H 級(jí)的通過(guò)量為0。1. 5水泥漿析水量分析 在100mL 量筒中裝入不同水灰比(W/ C)的水泥漿, 高速攪拌(轉(zhuǎn)速為1400r/ min) ,攪拌34min,觀察水泥漿隨時(shí)間離析的程度。沉降分離出來(lái)的上清液占整個(gè)量筒體積的百分?jǐn)?shù)定為析水率, 實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1, 實(shí)驗(yàn)溫度為70。由圖可見, 水灰比為1 1 的A 級(jí)超細(xì)水泥析水率接近0, 水灰比同為2 1 的 級(jí)超細(xì)水泥比G 級(jí)普通水泥的析水率小約1倍。1.6水泥結(jié)石強(qiáng)度測(cè)定 水泥結(jié)石強(qiáng)度的測(cè)定請(qǐng)?zhí)旖虼髮W(xué)建

45、筑材料試驗(yàn)室協(xié)助完成。試驗(yàn)條件為常溫、常壓,凝固時(shí)間分別為3d、7d、18d,試驗(yàn)結(jié)果見表3。超細(xì)水泥的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均比普通水泥高1倍。表3水泥結(jié)石的抗壓、抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果樣品水灰比抗壓強(qiáng)度 （MPa）抗折強(qiáng)度（MPa）3d7d8d3d7d8d超細(xì)水泥A級(jí)0.714.018.723.63.03.43.9普通水泥G級(jí)0.76.99.611.21.41.72.01. 7水泥結(jié)石的抗?jié)B性能測(cè)定 水泥結(jié)石的抗?jié)B性能測(cè)定委托中國(guó)石油天然氣總公司北京勘探開發(fā)研究院地質(zhì)所完成。試驗(yàn)樣品是常溫常壓下凝固72h 的相同尺寸的水泥結(jié)石,試驗(yàn)結(jié)果見表4。由表4 可見,A 級(jí)超細(xì)水泥具有優(yōu)良的抗?jié)B性能,其滲水壓

46、力是普通G 級(jí)水泥的15 倍。分析其原因是由于超細(xì)水泥顆粒小, 水泥顆粒與水的接觸面大, 提高了水化程度,使水泥結(jié)石內(nèi)部的極小空隙變?yōu)椴贿B通, 從而大大提高了結(jié)石的抗?jié)B性能。表4相同水灰比的幾種水泥結(jié)石抗?jié)B性能試樣水灰比滲水壓力（MPa）A級(jí)凈超細(xì)水泥0.701.52水泥石：英粉=75：250.701.48G級(jí)普通水泥0.700.102 封堵技術(shù)原理當(dāng)固井水泥環(huán)本身與套管接觸的第一界面, 或與地層接觸的第二界面存在縫隙, 油層套管的某一段存在微縫孔, 分層開采油氣井的某一段嚴(yán)重水淹失去開采價(jià)值, 油水層之間的薄夾層抵抗不住射孔振動(dòng)或?qū)娱g壓力差作用而竄通時(shí), 最有效的方法是擠入油井水泥進(jìn)行永久性

47、封堵。 普通油井水泥的顆粒90% 以上大于53m, 相當(dāng)一部分大于90m,所以極難進(jìn)入微小縫孔。超細(xì)水泥的最大粒徑為20m,且50% 以上的粒徑小于6m,它能夠進(jìn)入0. 15mm 以上的微細(xì)縫孔,從而達(dá)到封堵的目的。此外, 油井水泥還具有遇油不凝固的特性,所以它還具有選擇性堵水的功能。超細(xì)水泥用于油田堵水技術(shù)摘要: 對(duì)超細(xì)水泥的粒度分布及在45 下的初、終凝時(shí)間和抗壓強(qiáng)度、變性、穩(wěn)定性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,指出超細(xì)水泥粒度小、穩(wěn)定性高、塑性粘度及動(dòng)切力低, 可用于現(xiàn)場(chǎng)堵水、報(bào)廢油層作業(yè); 為滿足現(xiàn)場(chǎng)要求,必須加入相配伍的緩凝劑, 并控制初、終凝時(shí)間在4 10 h 之內(nèi); 超細(xì)水泥用于堵水作業(yè)的最佳配

48、比為1.3: 1.0 的水泥漿+ 2%的添加劑。最后,介紹了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況。G 級(jí)油井水泥用于油田作業(yè)已有近百年的歷史, 但由于其顆粒粒徑較大 ( 100 150 m),限制了它在油田生產(chǎn)中需要的油井堵水、封串、報(bào)廢油層以及鉆井時(shí)套管固井質(zhì)量不好井的封漏、封串等特殊作業(yè)中的應(yīng)用, 例如不能穿透04 mm 的裂縫和小于20 目的礫石充填層。通過(guò)調(diào)整G 級(jí)水泥熟料的化學(xué)組成和物理性能, 可以生產(chǎn)出一種新型的油井水泥! 超細(xì)水泥。超細(xì)水泥平均粒徑小于5m, 最大不超過(guò)10m,能夠滲入到常規(guī)水泥達(dá)不到的區(qū)域。應(yīng)用超細(xì)水泥進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)堵水作業(yè),效果較好。1 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)1.1 主要試劑、儀器及方法試劑: 超細(xì)水泥

49、,添加劑 ( 中國(guó)建筑材料研究院水泥所提供)。儀器: 高速攪拌器, 恒溫?cái)嚢杵? 恒應(yīng)力加荷全自動(dòng)壓力試驗(yàn)機(jī), 高溫、高壓流動(dòng)實(shí)驗(yàn)儀,增壓養(yǎng)護(hù)釜,高溫、高壓失水儀,六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)等。方法:性能測(cè)試按API Spec10 “油井水泥漿材料和試驗(yàn)規(guī)范”進(jìn)行。測(cè)定超細(xì)水泥顆粒、不同水灰比下流動(dòng)度與析水量的變化、流變性、不同添加劑下水泥漿性能、溫度對(duì)初凝時(shí)間的影響。1.2 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析1.2.1 超細(xì)水泥粒度分析分別用天平稱取20 g超細(xì)水泥倒入10 m和5m的篩子內(nèi),振動(dòng)并用水緩沖,取篩中剩余物烘干,稱重,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。從中可見,超細(xì)水泥中81% 的顆粒直徑小于5m, 91%的顆粒直徑小于1

50、0 m,粒度分布范圍比較窄，主要集中在5m一下。表1 超細(xì)水泥粒度分析粒徑m105105重量g1.82.016.2含量910811.2.2 不同水灰比下流動(dòng)度與析水量的變化按API 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定超細(xì)水泥在45下的流動(dòng)度及析水量如表2 所示。當(dāng)水灰比小于15 ：10 時(shí), 析水量較少, 超細(xì)水泥具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。同時(shí),超細(xì)水泥流動(dòng)度較高,流動(dòng)性能較好,可以滿足現(xiàn)場(chǎng)施工的要求。表2 不同水灰比下流動(dòng)度與析水量水灰比0.71.01.31.51.72.0流動(dòng)度cm25.426.327.528.930.036.7析水量ml002.54.99.515.51.2.3 流變性超細(xì)水泥流變性用旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)按API 標(biāo)

51、準(zhǔn)進(jìn)行。按照賓漢模式 計(jì)算在不同水灰比下水泥漿的塑性粘度和動(dòng)切力( 表3) 。當(dāng)水灰比大于10 時(shí),超細(xì)水泥漿塑性粘度小、動(dòng)切力小。表3 超細(xì)水泥漿流變性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)水灰比600格300格塑性粘度(MPa·s)動(dòng)切力Pa0.762548231.0251966.51.59.55.54.00.72.08.54.44.10.2綜上所述,超細(xì)水泥漿水灰比一般可控制在13 ：10。此時(shí),水泥漿具有較高的穩(wěn)定性和較好的流變性。1.2.4 不同添加劑下水泥漿性能的測(cè)定確定水泥漿的水灰比為13：10, 養(yǎng)護(hù)溫度為45 。加入不同的添加劑后,按照API 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定水泥漿的初、終凝時(shí)間, 養(yǎng)護(hù)24 h 后的抗

52、壓強(qiáng)度如表4所示。從中可見, 所用的添加劑為一種緩凝劑,隨添加劑添加量的增加,初、終凝時(shí)間可明顯延長(zhǎng)。當(dāng)添加量為20%時(shí), 初凝時(shí)間約為5h,可以滿足現(xiàn)場(chǎng)注入要求。表4 超細(xì)水泥初、終凝時(shí)間和抗壓強(qiáng)度添加劑00.51.01.52.0初凝時(shí)間min70105159226300終凝時(shí)間min125157201267334抗壓強(qiáng)度MPa4.724.594.484.374.211.2.5 溫度對(duì)初凝時(shí)間的影響在不同的溫度下考察了超細(xì)水泥漿的初凝時(shí)間,結(jié)果見表5。實(shí)驗(yàn)條件是水灰比為13：10,添加劑添加量為20%。表5 溫度對(duì)初凝時(shí)間的影響溫度3540455055初凝時(shí)間min7204803002401

53、80溫度越高,初凝時(shí)間越短。對(duì)于不同的溫度點(diǎn), 可通過(guò)調(diào)節(jié)添加劑的添加量來(lái)控制初凝時(shí)間。硅酸鹽類的凝結(jié)時(shí)間與溫度之間的關(guān)系可以用Arrhenius 方程描述為ln( ts ) = A + Ea(RT) ( 1)式中 ts 凝結(jié)時(shí)間; A 常數(shù);Ea 活化能; R氣體常數(shù); T 溫度。由式( 1)可以看出,ln ( ts )與1T呈線性關(guān)系,利用表5 數(shù)據(jù)進(jìn)行直線擬合可以計(jì)算出常數(shù)A為000302及活化能 Ea為479 kJmol。根據(jù)這一關(guān)系, 可以計(jì)算出不同溫度下的凝結(jié)時(shí)間。2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)1999年5月,在薩中地區(qū)北3-1-18井進(jìn)行了超細(xì)水泥堵水報(bào)廢作業(yè), 封堵層位為葡I 32、葡I 33

54、主力產(chǎn)層。油層有效厚度為29 m,滲透率為0482 m 2, 設(shè)計(jì)用超細(xì)水泥7t,水灰比為13 :10, 添加劑添加量為2%, 控制初凝時(shí)間為5 h?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試流動(dòng)度為281mm, 水泥漿密度為145 gcm2 。施工時(shí)間為3 h, 關(guān)井候凝48h。開井, 測(cè)試葡I 32 、葡I 33 兩個(gè)層位產(chǎn)液量為0, 達(dá)到了堵水并報(bào)廢這兩個(gè)層位的目的。3 結(jié)論及認(rèn)識(shí)( 1) 超細(xì)水泥粒度小,穩(wěn)定性高, 塑性粘度及動(dòng)切力低,可用于現(xiàn)場(chǎng)堵水、報(bào)廢油層作業(yè)。(2) 超細(xì)水泥初、終凝時(shí)間短,必須加入相配伍的緩凝劑,控制初、終凝時(shí)間在4 10 h 之內(nèi),以滿足現(xiàn)場(chǎng)要求。(3) 超細(xì)水泥技術(shù)把提高微小顆粒的穿透性與適當(dāng)?shù)姆稚⒓夹g(shù)結(jié)合起來(lái)。超細(xì)水泥顆粒要比普通水泥顆粒小100 倍。在施加擠注壓力時(shí), 普通水泥顆粒只透窄到196× 10- 3 in ( 1in= 254 cm) 的開口, 封堵巖石地層、礫石填充以及減少漏失危險(xiǎn), 封堵任何靠近井眼的裂縫或溝槽。(4) 擠水泥堵水工藝,對(duì)油井不具破壞性, 施工風(fēng)險(xiǎn)不大,一次作業(yè)總費(fèi)用僅相當(dāng)于一次化學(xué)堵水作業(yè)投資的25%左右。因堵水效果好, 能封得死,固得住,有效期幾乎是永久的,對(duì)油井套管