粉煤灰低密度水泥漿體系

1、Dingle粉煤灰低密度水泥漿體系隨著勘探領(lǐng)域不斷向復(fù)雜、深部油氣藏拓展，固井遭遇的特殊井、疑難并越來越多。其中低壓易漏是比較突出的問題針對低壓易漏地層的固井，能否開發(fā)出一種兼有多種特性的低密度水泥漿體系來適合復(fù)雜井的固井要求是非常必要的。目前，低密度水泥漿多采用添加低密度材料和增加水灰比來降低水泥漿密度。最常用的低密度材料有粉煤灰、膨潤土、硅藻土、膨脹珍珠巖、膨脹蛭石、瀝青、礦渣、塑料粉、核桃殼粉、空心微珠、實心微珠、3M微珠等。采用這類減輕劑的優(yōu)點是，水泥漿密度可降至1.60g/cm3,用漂珠、微珠可降至1.45g/cm3,缺點是配成的水泥漿體流動性較差，稠化時間波動大，個別減輕劑（例如空

2、心微珠）價格較高、漂珠不適合高壓等。粉煤灰低密度水泥漿同樣存在著強(qiáng)度發(fā)展慢、密度下限受到限制、體系不穩(wěn)定等難點，、但粉煤灰存在著價格低，具有較好的抗?jié)B透性、抗硫酸鹽腐蝕以及良好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益等特點，于是我們開展了粉煤灰低密度水泥漿體系攻關(guān)研究。粉煤灰是燃煤火力發(fā)電廠煤粉燃燒熔融后排出的粉末狀晶體廢物，年排放粉煤灰量上億噸，多年來未被利用的粉煤灰量累計近6億噸。粉煤灰是具有火山灰特性的微細(xì)灰，主要化學(xué)成分為SiO2和ALQ,次要成分為CaO和FeO以及少量的Mg流，其粒徑范圍為300仙m密度在2.5g/cm3之間。由于粉煤灰的多孔結(jié)構(gòu)、球形粒徑的特性，在松散狀態(tài)下具有良好的滲透性，其滲透系

3、數(shù)比粘性土的滲透系數(shù)大數(shù)百倍。早在20世紀(jì)40年代，美國開始用粉煤灰作油井水泥的減輕劑，至1965年在周井工程中已有年用粉煤灰13萬T的記錄。其時，水泥漿體采用絕對體積比，粉煤灰與水泥之比一般為1:1,如改為質(zhì)量比，則為37:47。20世紀(jì)80年代末，大港油田將粉煤灰添加進(jìn)G級水泥中，使?jié){體密度降至1.60g/cm3。/目前，許多科研單位對粉煤灰低密度水泥漿體系進(jìn)行了研究，并且進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用，對粉煤灰低密度水泥漿體系主要針對低溫強(qiáng)度、水泥漿漿穩(wěn)定性以及水泥漿密度進(jìn)行了研究。1、激活劑的研究/目前常用的粉煤灰激發(fā)劑有：堿性激發(fā)劑（NaOHNaSQ等）、硫酸鹽（CazSO、NaSO等）、純堿（Na

4、zCQ、鹵化物（NaCl、CaCL等），常用的改性劑為生石灰。一股加石灰主要是為了提高體系中的CaO/SiQ從而提高粉煤灰的活化效率。但是，堿性激發(fā)劑的強(qiáng)堿性可能會增加發(fā)生過度反應(yīng)的危險，氯化物會引起混凝土的鋼筋銹蝕。2、水泥漿密度的研究粉煤灰的加量一般最高達(dá)到水泥的，100%漿體密度降至1.60g/cm3左右，在這種情況下即使粉煤灰加量增加，漿體密度也不會有明顯的降低。對于密度低于1.50g/cm3的穩(wěn)定成熟的粉煤灰低密度水泥漿體系相對難以調(diào)整。3、低密度水泥漿的沉降穩(wěn)定性研究由于粉煤灰加量、水灰比比較大，同時粉煤灰中有80%勺實心珠，從而造成漿體出現(xiàn)沉淀，目前為了解決漿體沉降問題一般采用添

5、加微硅、蛭石、海泡石等提粘和增加觸變性，但容易造成漿體增粘，流動性能差能問題，導(dǎo)致現(xiàn)場不容易控制密度。/針對粉煤灰低密度水泥漿存在的一些問題，我們公司進(jìn)行了攻關(guān)研究，開發(fā)了一套性能優(yōu)良的低密度水泥漿體系，該體系主要從粉煤灰的優(yōu)選、早強(qiáng)劑、增粘劑的開發(fā)進(jìn)行了研究。1、粉煤灰的優(yōu)選研究不同粒度和密度的灰粒具有顯著的化學(xué)和礦物學(xué)方面的特征差別，小顆粒一般比大顆粒更具玻璃性和化學(xué)活性。最后形成的粉煤灰（其中80%-90靖飛灰，10%-20靖爐底灰）是外觀相似，顆粒較細(xì)而不均勻的復(fù)雜多變的多相物質(zhì)。飛灰是進(jìn)入煙道氣灰塵中最細(xì)的部分，爐底灰是分離出來的比較粗的顆粒，或是爐渣。這些東西有足夠的重量，將會影響

6、粉煤灰的活性、強(qiáng)度以及水泥漿的密度。由于煤的灰量變化范圍很廣，而且這一變化不僅發(fā)生在來自世界各地或同一地區(qū)不同煤層的煤中，甚至也發(fā)生在同一煤礦不同的部分的煤中。因此，構(gòu)成粉煤灰的具體化學(xué)成分含量，也就因煤的產(chǎn)地、煤的燃燒方式和程度等不同而有所不同。粉煤灰的活性主要來自活性SiO2（玻璃體SiO2）和活性A%Q（玻璃體AI2Q）在一定堿性條件下的水化作用。因此，粉煤灰中活性SiO2、活性A%Q和f-CaO（游離氧化鈣）都是活性的的有利成分，硫在粉煤灰中一部分以可溶性石膏（CaSO）的形式存在，它對粉煤灰早期強(qiáng)度的發(fā)揮有一定作用，因此粉煤灰中的硫?qū)Ψ勖夯一钚砸彩怯欣M成。粉煤灰中少量的MgONaQ

7、&O等生成較多玻璃體，在水化反應(yīng)中會促進(jìn)堿硅反應(yīng)。但MgOt量過高時，對安定性帶來不利影響。粉煤灰中的未燃炭粒疏松多孔，是一種惰性物質(zhì)不僅對粉煤灰的活性有害，而且對粉煤灰的壓實也不利。過量的FeQ對粉煤灰的活性也不利。根據(jù)試驗分析：粉煤灰中的鈣含量在3位右，它對膠凝體的形成是有利的。國外把Cag量超過10%勺粉煤灰稱為C類灰，而低與10%勺粉煤灰稱為F類灰。C類灰其本身具有一定的水硬性，可作水泥混合材。于是我們根據(jù)粉煤灰自身存在的不足，對粉煤灰的質(zhì)量進(jìn)行了篩選和控制。同時，對粉煤灰的顆粒細(xì)度進(jìn)行了優(yōu)選/根據(jù)試驗證明，在一定密度下最劣粉煤灰的需水量比高達(dá)120%；上，特優(yōu)粉煤灰則可能在90%Z下

8、。通過優(yōu)選我們選擇了細(xì)度適中、活性含量高的粉煤灰，可以通過增加水灰比降低一定的水泥漿密度。2、早強(qiáng)劑的開發(fā)研究粉煤灰中含有活性組分SiO2、A%Q,常采用在堿或硫酸鹽激活下使粉煤灰玻璃體結(jié)構(gòu)較快解體，活性組分SiO2、AI2O在石灰-CaSQNazSO復(fù)合體系作用下加快粉煤灰反應(yīng)，激活粉煤灰活性，提高粉煤灰水泥石抗壓強(qiáng)度，但與其它類型的低密度水泥體系相比仍顯得強(qiáng)度較低。根據(jù)粉煤灰化學(xué)反應(yīng)理論，粉煤灰中玻璃體的水化包括誘導(dǎo)期和水化反應(yīng)期兩個階段。進(jìn)一步結(jié)合對粉煤灰水泥體系的實驗研究結(jié)果，認(rèn)為在誘導(dǎo)期中增大玻璃體對堿性離子的物理收附較快、較多地破壞玻璃體表面的Si-O-Si和Si-O-Al網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

9、的雙保護(hù)層，使內(nèi)部可溶性SiO2、AI2O的活性釋放，應(yīng)是提高粉煤灰水泥漿體系抗壓強(qiáng)度的關(guān)鍵因素。按照這一思路，通過大量的試驗，優(yōu)選出一種極性很強(qiáng)呈弱堿性的低分子量有機(jī)物鈉鹽，并結(jié)合無機(jī)早強(qiáng)劑開發(fā)得到早強(qiáng)激活劑TFA-18。通過加入該早強(qiáng)激活劑TFA-18,漿體水化反應(yīng)使早期釋放更多的C1和OH,引發(fā)了粉煤灰反應(yīng)，從而促進(jìn)了粉煤灰水泥早期強(qiáng)度的發(fā)展。3A增粘劑的開發(fā)研究粉煤灰作為減輕劑其水泥漿密度大小主要取決于水灰比大小，既能保證在高水灰比下體系具有良好的穩(wěn)定性，又能使其強(qiáng)度降低最小，是增粘劑選擇的關(guān)鍵。經(jīng)過對大量具有比表面大又有一定活性成分的物質(zhì)如海泡石、蛭石、微硅、CMC硅藻土等多種材料進(jìn)

10、行評價，開發(fā)出了性能穩(wěn)定的增粘劑TSP-77L增粘齊IJTSP-77LH高比表面纖維狀物質(zhì)為主，它加入到水泥體系中，將發(fā)揮纖維在界面上的交聯(lián)作用/保證水泥漿具有良好的沉降穩(wěn)定性。同時具有強(qiáng)化作用，提高水泥石的抗壓強(qiáng)度和使水泥漿具有一定的觸變性。增粘劑TSP-77U勺加入使水泥漿的析水率有明顯減少，保證粉煤灰體系在高水灰比下的穩(wěn)定性。大量實驗結(jié)果證明，水泥漿具有許多更優(yōu)良的性能，同時還有耐高溫、抗鹽的性能。通過對粉煤灰的優(yōu)選、早強(qiáng)劑、增粘劑的開發(fā)，配合降失水劑、緩凝劑、分散劑，開發(fā)了粉煤灰低密度水泥漿體系。水泥漿體系外加劑組成為：降失水劑：TF-63/早強(qiáng)劑：TFA-18/增粘劑：TSP-77L緩凝劑：TR-15L（高溫）、TR-12L分散劑：TD-31L粉煤灰低密度水泥漿綜合性能： TOC o 1-5 h z /1、密度/水泥漿密度通過添加增粘劑，最低達(dá)到1.35g/cm3。2、適用環(huán)境適合于低溫和高溫，通過改變早強(qiáng)劑的加量以