1、超细水泥汇总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
2、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
3、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
4、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G 级水泥 通过多次
5、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. 2
6、01. 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
7、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2425668超细水泥+漂珠2118037超细水泥+微珠21178363. 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
8、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2402304422521640186177363. 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+SD1868252mm孔板2SD66+SD1868402mm缝板
9、2SD66+SD1859203mm孔板2SD66+SD1859203mm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
10、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
11、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
12、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
13、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 ,成本也显着
14、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
15、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
16、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着增大 ,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
17、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10220123002200012. 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,浆液稳定性有显着提高,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着提高,表 4为超细水泥灌浆料 MFC - GM 与硅酸盐水泥P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-
