高溫水泥漿體系穩(wěn)定性研究

馮建建　宋亞楠　石禮崗

【摘 要】本文分析引起水泥漿體系在高溫下穩(wěn)定性差的原因，總結目前常用的提高水泥漿高溫穩(wěn)定性的措施，并分析其優(yōu)缺點及適用條件。認為提高水泥漿高溫穩(wěn)定性不能僅通過單一途徑，而需要多種措施協(xié)同解決。

【關鍵詞】水泥漿；高溫；沉降穩(wěn)定性；顆粒級配；穩(wěn)定劑

0 引言

在高溫水泥漿體系的研究中，體系的高溫穩(wěn)定性是一個重要指標，這不僅關系到固井施工過程的安全性，而且影響固井質量。低溫下，由于水泥漿懸浮穩(wěn)定性較強，沉降問題并不顯著。但在高溫下，水泥漿體系中分子運動的加劇降低了分子間的粘滯力，體系懸浮穩(wěn)定性變差，密度較高且比表面積較小的水泥和外摻料顆粒沉降加快，造成水泥漿體系不穩(wěn)定[1]。本文討論引起水泥漿在高溫下不穩(wěn)定的原因，分析提高水泥漿高溫穩(wěn)定性的措施及優(yōu)缺點，認為提高水泥漿高溫穩(wěn)定性需要多種措施協(xié)同解決。

1 引起水泥漿高溫下體系不穩(wěn)定的原因

1.1 材料密度差異

由于高溫水泥漿體系是一個由不同密度外摻料及外加劑組成的混合體系，各材料組分密度差異較大，如表1。

從表1中可以看出，水泥及硅粉等外摻料密度較大，配漿水及外加劑密度較小，由于重力作用，密度大的顆粒緩慢沉降，低溫下由于分子間粘滯力強，顆粒下降緩慢，水泥漿穩(wěn)定性相對較好。高溫下，水泥漿濃度變稀，水泥顆粒間膠結結構遭到破壞，分子間粘滯力降低，使水泥及外摻料等顆粒下降速度變快，體系不穩(wěn)定性加劇。

1.2 高分子聚合物降解

目前高溫水泥漿體系中常用的降失水劑成分主要是聚丙烯酰胺類聚合物，低溫下聚合物分子通過—COO-、—SO32-等基團吸附在水泥顆粒表面，將不同水泥顆粒通過分子鏈聚集到一起，形成空間網(wǎng)狀結構，提高了體系的懸浮穩(wěn)定性，減緩了水泥顆粒的沉降速度。高溫下，由于聚合物降解及分子運動加劇，聚合物分子從水泥漿顆粒表面脫附，使聚合物分子對水泥顆粒的束縛聚集作用減弱，空間網(wǎng)狀結構破壞，造成水泥漿變稀，沉降穩(wěn)定性變差[2]。

2 提高水泥漿高溫穩(wěn)定性的措施

2.1 顆粒級配

由于水泥漿體系是一個不穩(wěn)定的混合體系，水泥漿的沉降主要是體系中各組分密度差異造成的，因此采用顆粒級配技術，對水泥基外摻料粒徑及加量進行合理優(yōu)化[3]，引入粒徑更小的微硅等超細材料，從而增大單位體積固相顆粒堆積率，增大體系對自由水的吸附，減小密度較大的水泥及外摻料顆粒的沉降速度，從而提高體系的沉降穩(wěn)定性。

表2中，在常規(guī)的水泥+硅粉的干混灰中加入粒度更小的超細加重材料及微硅，形成三級顆粒級配，通過對不同粒徑材料進行合理搭配，提高單位體積水泥漿中固相含量，形成更加致密、穩(wěn)定的水泥體系。

超細加重材料一般為超細鐵礦粉及錳礦粉等，對于該類材料，一方面，由于其密度高（4.8g/cm3-5.0g/cm3），需要增加混合水加量以平衡水泥漿密度，即增加水灰比，可以有效提高水泥漿的在低溫下的流動性；另一方面，由于其顆粒粒徑小，比表面積大，懸浮能力強，且可填充大顆粒間空隙，提高顆粒間緊密堆積率。因此適量加入超細加重材料，可以在不影響水泥漿流變性能的情況下顯著提高體系的沉降穩(wěn)定性。由于該類材料加量過大會增大體系水灰比，降低高溫下水泥石強度，因此推薦加量一般為10%-20%BWOC（相對純水泥的重量百分比）。

微硅具有粒徑小、比表面積大、絕對密度較低（2.4g/cm3）、高溫懸浮性強、防氣竄等優(yōu)點，且由于其主要組分為SiO2，可有效防止水泥石高溫下的衰退，因此加入微硅是提高高溫水泥漿體系穩(wěn)定性的一個重要途徑。但是由于微硅比表面積大，對自由水及緩凝劑等的吸附量也較大，一方面會造成水泥漿混配困難及增大水泥漿稠度，不利于施工過程的混配及泵送；另一方面，由于微硅對緩凝劑的吸附，降低了水泥漿中緩凝劑的有效含量，縮短稠化時間，為滿足施工要求，需要加大緩凝劑的加量以延長稠化時間，又導致水泥硬化過程中強度發(fā)展緩慢。通過實驗發(fā)現(xiàn)，對于使用G級水泥的高溫水泥漿，微硅加量控制在3%-5%比較合適，對于使用H級水泥的高溫水泥漿，微硅加量3%-10%BWOC為宜。

2.2 降失水劑及膠乳

高溫水泥漿體系中使用的降失水劑一般為大分子聚合物類，該類降失水劑在中低溫下增稠作用明顯，但在高溫下由于分子鏈斷裂及對水泥顆粒吸附能力下降等特點，使其對提高水泥漿體系穩(wěn)定性的能力大大減弱。因此，應選擇低溫下流變性能好且耐高溫的有機聚合物類降失水劑，如聚丙烯酰胺類。

膠乳，又稱乳膠，是聚合物微粒分散于水中形成的膠乳乳液，具有優(yōu)良的控制失水及防氣竄能力。在常用固井水泥漿體系中，膠乳往往作為防氣竄劑使用，但由于膠乳本身為懸浮體系，具有粘度高、懸浮穩(wěn)穩(wěn)定性好、溫度敏感性小等特點，因此在高溫水泥漿體系中加入適量膠乳可顯著提高水泥漿體系的穩(wěn)定性，推薦加量為2%-5%。

2.3 高溫緩凝劑

通過大量實驗發(fā)現(xiàn)，高溫緩凝劑對水泥漿的高溫穩(wěn)定性具有重要影響。表3通過沉降管實驗法測定了兩種緩凝劑在同一水泥漿體系中在150℃下的沉降穩(wěn)定性。

表3 不同類型緩凝劑對水泥漿高溫穩(wěn)定性的影響

表3中緩凝劑A由丙烯酰胺與不飽和酸共聚得到，緩凝劑B為木質素磺酸鹽類。通過實驗發(fā)現(xiàn)，使用緩凝劑A的水泥漿上下密度差大，沉降嚴重，使用緩凝劑B的水泥漿上下密度差較小，沉降穩(wěn)定性較好，說明木質素磺酸鹽類緩凝劑在高溫下對水泥漿沉降穩(wěn)定性的影響較小。因此，應優(yōu)選高溫下對水泥漿沉降穩(wěn)定性影響小的緩凝劑作為高溫水泥漿體系的緩凝劑。

2.4 高溫穩(wěn)定劑

在水泥漿中加入穩(wěn)定劑可以有效提高水泥漿在高溫下的穩(wěn)定性。高溫穩(wěn)定劑包括有機類和無機類，有機類主要是高分子聚合物類，其作用原理類似大分子聚合物類降失水劑，能夠有效提高水泥漿的稠度，具有加量小、穩(wěn)定性好等特點，但在更高溫度（大于150℃）下，同樣存在分解失效問題，因此有機類穩(wěn)定劑適用溫度不能太高。

無機類穩(wěn)定劑主要是超細無機材料，可以通過分子水化，減少自由水含量，提高水泥漿稠度，且不存在高溫下失效問題，但是缺點是加量較大且水泥漿初始稠度高，因此在高溫水泥漿中考慮有機類和無機類穩(wěn)定劑復合適用，具有良好效果。

3 結論

（1）分析了引起水泥漿在高溫下體系不穩(wěn)定的原因：1）高溫加劇了由于水泥漿中各相密度差異引起的體系不穩(wěn)定；2）高分子聚合物的降解降低了水泥漿體系濃度，進一步加劇了水泥漿顆粒的沉降。

（2）針對高溫下水泥漿穩(wěn)定性差的問題，提出了如下解決方案：1）通過三級顆粒級配提高單位體積中固相顆粒堆積率；2）優(yōu)選耐高溫聚合物降失水劑及適量加入膠乳；3）選擇高溫下對水泥漿沉降穩(wěn)定性影響小的緩凝劑；4）選擇合適的穩(wěn)定劑，提高高溫下的懸浮能力。通過多種措施的協(xié)同作用，可有效提高水泥漿體系的高溫穩(wěn)定性，保證固井作業(yè)過程中的施工安全。

【參考文獻】

[1]黃柏宗，李寶貴，李希珍，等.模擬井下溫度壓力條件的水泥漿沉降穩(wěn)定性研究[J].鉆井液與完井液，2000，17（2）：1-7.

[2]楊勇，戴建文，林榮壯，等.高溫水泥漿沉降穩(wěn)定性[J].鉆井液與完井液，2010，27（6）：55-56.

[3]周明芳，倪紅堅.顆粒級配增強低密度油井水泥的研究[J].鉆采工藝，2006，29（6）：104-105.

[責任編輯：楊玉潔]