高密度水泥漿粒度級(jí)配對(duì)水泥漿抗壓強(qiáng)度和流變性的影響

覃 毅，徐梓剛，田寶振，楊 江，劉 鑫，吳晉波.

(渤海鉆探工程有限公司第一固井分公司，河北任丘 062552)

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高密度水泥漿粒度級(jí)配對(duì)水泥漿抗壓強(qiáng)度和流變性的影響

覃 毅，徐梓剛，田寶振，楊 江，劉 鑫，吳晉波.

(渤海鉆探工程有限公司第一固井分公司，河北任丘 062552)

我國(guó)在西部油田的一些區(qū)塊由于地質(zhì)構(gòu)造的特殊性，在鉆進(jìn)過(guò)程中經(jīng)常遭遇異常高壓氣層和高壓鹽水層，為了解決這些問(wèn)題，需要應(yīng)用高密度水泥漿。本文以顆粒粒度級(jí)配原理為理論依據(jù)，配制出了密度為2.40 g/cm3的高密度水泥漿，研究了加入不同級(jí)配、目數(shù)鐵礦粉后對(duì)該水泥漿抗壓強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明：三級(jí)顆粒粒度級(jí)配所配制的水泥漿抗壓強(qiáng)度值明顯大于一級(jí)或二級(jí)顆粒粒度級(jí)配，按照顆粒粒度級(jí)配計(jì)算的目數(shù)所配制的水泥漿的強(qiáng)度值明顯大于其他配方，理論加量對(duì)于粒度配比具有指導(dǎo)意義，采用一定比例的三級(jí)粒度級(jí)配可以改善高密度水泥漿體的強(qiáng)度值；三級(jí)顆粒粒度級(jí)配所配制的水泥漿流動(dòng)性比二級(jí)、一級(jí)顆粒粒度級(jí)配的流動(dòng)性差，按照顆粒粒度級(jí)配計(jì)算的目數(shù)所配制的水泥漿的流動(dòng)性能明顯好于其他配方。根據(jù)緊密堆積理論的顆粒級(jí)配原理，可以開(kāi)發(fā)出抗壓強(qiáng)度高、流變性能好的高密度水泥漿體系，具有比較廣泛的應(yīng)用前景。

高密度水泥漿；鐵礦粉；粒度級(jí)配；抗壓強(qiáng)度；流變性能

目前我國(guó)淺層油氣資源儲(chǔ)量因多年開(kāi)發(fā)而日益枯竭，迫使人們將勘探目標(biāo)轉(zhuǎn)向深部地層資源。隨著鉆井深度的加大，鉆井過(guò)程中會(huì)鉆遇各種復(fù)雜地層，如在塔里木油田克拉地區(qū)的高壓油氣田、青海油田柴達(dá)木盆地的牛東區(qū)塊等區(qū)塊中，經(jīng)常鉆遇高壓氣層、高壓鹽水層，有時(shí)還同時(shí)鉆遇鹽堿層等復(fù)雜地層，需要使用高性能、高密度水泥漿固井[1-3]。

通常提高水泥漿密度的方法有以下4種：①減少水灰比；②提高固體材料的堆積密度；③提高配漿水的密度；④外摻加重材料。在水泥漿密度要求很高時(shí)，可能同時(shí)采用這4 種方法或其中的幾種。但是由于水固比的限制，配制的高密度水泥漿密度越高，干水泥加量減少越大，直接影響水泥漿的抗壓強(qiáng)度。[4-5]

以國(guó)內(nèi)常規(guī)材料為原料，以顆粒粒度級(jí)配原理為理論依據(jù)，通過(guò)改變鐵礦粉的目數(shù)、級(jí)配，對(duì)高密度水泥漿抗壓強(qiáng)度的影響進(jìn)行了探討，并通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。為直觀觀察鐵礦粉級(jí)配的效果，本文做了未級(jí)配鐵礦粉與級(jí)配后鐵礦粉作加重劑形成水泥石的電鏡圖片，并進(jìn)行分析說(shuō)明。

圖1 未級(jí)配鐵礦粉作加重劑形成水泥石Fig.1 Not graded iron ore as a weighting agent to form cement stone

圖1、圖2均為放大500倍的掃描電鏡。從圖1中可以看到，顆粒之間存在著較大的孔隙，水泥水化產(chǎn)物也不能很好地填補(bǔ)到這些縫隙當(dāng)中。而圖2中細(xì)顆粒分布在粗顆粒周?chē)?，填補(bǔ)了粗顆粒之間留下的大縫隙，水泥的水化產(chǎn)物又進(jìn)一步填充顆粒間的孔隙，使得水泥石的致密性得到提高、抗壓強(qiáng)度增大?？梢?jiàn)，級(jí)配后的鐵礦粉是配置高密度水泥漿的優(yōu)選加重材料。

圖2 級(jí)配后鐵礦粉作加重劑形成水泥石Fig.2 Graded iron ore as a weighting agent to form cement stone

1 顆粒粒度級(jí)配理論計(jì)算[6-8]

粉體顆粒大小被稱(chēng)為顆粒粒度。由于顆粒形狀很復(fù)雜，通常有篩分粒度、沉降粒度、等效體積粒度、等效表面積粒度等幾種表示方法。篩分粒度就是顆?？梢酝ㄟ^(guò)篩網(wǎng)的篩孔尺寸，以1英寸(25.4 mm)寬度的篩網(wǎng)內(nèi)的篩孔數(shù)表示，因而被稱(chēng)為“目數(shù)”。國(guó)內(nèi)常用標(biāo)準(zhǔn)篩見(jiàn)表1。目前在國(guó)內(nèi)外尚未有統(tǒng)一的粉體粒度技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，各個(gè)企業(yè)都有自己的粒度指標(biāo)定義和表示方法。在不同國(guó)家、不同行業(yè)，篩網(wǎng)規(guī)格有不同的標(biāo)準(zhǔn)，因此“目”的含義也難以統(tǒng)一。

表1 國(guó)內(nèi)常用標(biāo)準(zhǔn)篩

為了用數(shù)學(xué)方式定量地描述粒子的幾何形狀，習(xí)慣上將粒子的各種無(wú)因次組合稱(chēng)為形狀指數(shù)(Shape Index)，將立體幾何各變量的關(guān)系定義為形狀系數(shù)(Shape Factor)。

1.1 兩級(jí)顆粒粒徑匹配計(jì)算

因?yàn)榧又貏╊w粒沒(méi)有“黏結(jié)能力”，完井后環(huán)形水泥壁的抗壓強(qiáng)度與水泥壁任一截面上加重劑顆粒(同一類(lèi)物質(zhì))所占面積成反比。即：?jiǎn)挝幻娣e截面上的加重劑顆粒所占面積越多，水泥強(qiáng)度越低。而加重劑顆粒所占面積比率ΔS等于加重劑在水泥中的體積比率的2/3次冪：

(1)

式中S——水泥漿任一截面面積，m2;SFe——截面上加重劑顆粒所占總面積，m2;V——水泥漿體積，m3;VFe——水泥漿中加重劑顆粒所占總體積，m3。

5.0ΔV+1.9(1-ΔV)=2.4

(2)

解得

ΔV=0.161

于是

80目篩孔邊長(zhǎng)為180μm，對(duì)應(yīng)顆粒最大半徑r1=90 μm，而水泥井壁厚度是厘米級(jí)的，可以認(rèn)為粒徑相對(duì)于井壁厚度很小，滿足第一條要求。再加入第二級(jí)半徑為r2的顆粒以便在保證強(qiáng)度要求的前提下盡量增大密度，達(dá)到密度要求。設(shè)在充分?jǐn)嚢韬头稚┑淖饔孟?，水泥件任一截面上顆粒分布總體呈現(xiàn)形式如圖3所示。

圖3 Fe2O3顆粒在任一水泥截面上的分布Fig.3 Distribution of Fe2O3 particles on any cement cross section

圖中三角形ABC的三個(gè)頂點(diǎn)為相鄰的3個(gè)一級(jí)顆粒在截面上的3個(gè)圓心，陰影部分表示由原漿充滿，無(wú)陰影的大圓和中圓(次大圓)分別表示一、二級(jí)鐵礦顆粒在截面上的截面圓，半徑分別近似等于兩級(jí)顆粒的半徑。相鄰兩一級(jí)顆粒圓之間的表面距離記為d，每個(gè)一級(jí)顆粒被原漿包圍視為一個(gè)半徑為R的復(fù)合顆粒，R=r1+d/2。相鄰3個(gè)復(fù)合顆粒之間在此截面上形成3段圓弧圍成的曲邊三角形，其面積S為三角形ABC的面積減去3個(gè)半徑為R的π/3扇形面積，即減去半個(gè)圓面積πR2/2。

(3)

此曲邊三角形若用一等面積的二級(jí)顆粒的截面圓占據(jù)，此圓也有較厚的原漿包圍，即到其他顆粒的距離都較遠(yuǎn)，則二級(jí)顆粒半徑r2應(yīng)滿足：

(4)

所以

(5)

這樣一來(lái)，三角形內(nèi)一、二級(jí)鐵礦顆粒所占的總面積為：

(6)

前面已算出，對(duì)于質(zhì)量密度為2.40g/cm3的水泥漿，顆粒占整個(gè)截面面積的比率為 0.296，因此有

(7)

解得

R=2.112r1

考慮到鐵礦顆粒的加工篩選工藝方便，取一級(jí)顆粒對(duì)應(yīng)90目，即r1=80 μm，則R=169 μm，按(5)式，得r2=38 μm。200目篩孔邊長(zhǎng)為71 μm，恰與二級(jí)顆粒的直徑d2=38×2=76 μm相匹配，所以二級(jí)顆粒對(duì)應(yīng)200目。

一級(jí)與二級(jí)顆粒半徑比例為：

r1∶r2=80∶38=1∶0.475

1.2 三級(jí)顆粒匹配計(jì)算

前兩級(jí)顆粒粒徑比例r1∶r2=80∶38=1∶0.475得出后，再來(lái)考察三級(jí)顆粒的最佳半徑r3。從圖3容易算出，兩相鄰的二級(jí)鐵礦顆粒表面間距離為(單位μm)

兩一級(jí)顆粒表面距離

d=2(R-r1)=178

相鄰一級(jí)和二級(jí)顆粒的表面間距

假定普通水泥主體為325目球粒，篩孔邊長(zhǎng)為40μm。若兩二級(jí)顆粒之間再放一個(gè)三級(jí)顆粒，且鐵礦顆粒不直接接觸，而是被水泥顆粒隔開(kāi)，即被原漿包圍，則三級(jí)顆粒與兩二級(jí)顆粒之間至少應(yīng)填充由一個(gè)普通水泥粉粒與一個(gè)超細(xì)水泥小粉粒(直徑約為10μm)構(gòu)成的水泥粉粒組合，因此三級(jí)鐵礦顆粒半徑r3應(yīng)滿足：

2r3+2×(40+10)≤119

r3≤9.5

即三級(jí)顆粒直徑d=2 r3不超過(guò)19μm。650目篩孔邊長(zhǎng)為21μm，因此三級(jí)顆粒應(yīng)通過(guò)650目篩孔?？蓪?shí)際取三級(jí)顆粒半徑為9μm。因?yàn)閮上噜徱患?jí)鐵礦顆粒表面距離178μm大于兩相鄰二級(jí)顆粒表面距離119μm，這樣的三級(jí)顆粒存在于兩一級(jí)顆粒之間也能被水泥粉包圍，達(dá)到鐵礦顆粒分散于水泥之中。

由

(8)

解得

x=0.09

得到3級(jí)鐵礦顆粒半徑的最佳比例為r1∶r2∶r3=1∶0.475∶0.09，這當(dāng)然也是3級(jí)顆粒直徑的最佳比例。

1.3 三級(jí)顆粒加量計(jì)算

從圖3容易看出，0.5個(gè)一級(jí)顆粒對(duì)應(yīng)1個(gè)二級(jí)顆粒，1個(gè)二級(jí)顆粒又對(duì)應(yīng)3個(gè)三級(jí)顆粒，因此1個(gè)一級(jí)，2個(gè)二級(jí)與6個(gè)三級(jí)顆粒構(gòu)成一鐵礦顆粒組，其體積比為：

=117∶25∶1

這也是3級(jí)顆粒的質(zhì)量比例，即二級(jí)顆粒加量應(yīng)是三級(jí)顆粒加量的25倍，一級(jí)顆粒加量又是二級(jí)顆粒加量的4.7倍。

以上是假定水泥漿密度要求為2.40g/cm3進(jìn)行的分析計(jì)算。同理，同樣可計(jì)算加重劑顆粒的最佳半徑匹配和加量的最優(yōu)比例。

2 試驗(yàn)部分[9-12]

2.1 鐵礦粉加量對(duì)水泥石抗壓強(qiáng)度的影響

一般認(rèn)為，水泥石的抗壓強(qiáng)度與水泥漿的體系組成、養(yǎng)護(hù)條件、水泥漿體靜切力的大小及加重材料的物性和加量有著密切關(guān)系。固定前幾個(gè)因素，這里只討論鐵礦粉加量對(duì)水泥石抗壓強(qiáng)度的影響。通過(guò)調(diào)整鐵礦粉加量，配制密度為2.40g/cm3的水泥漿，48h后測(cè)試其抗壓強(qiáng)度并做出分析。

首先以顆粒粒度級(jí)配計(jì)算出的三級(jí)顆粒級(jí)配目數(shù)與其他一級(jí)、二級(jí)顆粒級(jí)配目數(shù)所配水泥漿抗壓強(qiáng)度做對(duì)比，見(jiàn)表2:

表2 不同加量外摻料顆粒對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響(粒度級(jí)配，48 h)

注：水泥漿密度為2.40 g/cm3。

數(shù)據(jù)表格完成后，為了較為方便地觀察不同配方的強(qiáng)度差異及變化情況，更加直觀地觀察與對(duì)比強(qiáng)度，繪制了柱狀的抗壓強(qiáng)度圖，如圖4所示：

圖4 不同加量外摻料顆粒對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響(48 h)Fig.4 Effect of different addition amount of admixture on compressive strength (48h)

結(jié)果顯示，三級(jí)顆粒粒度級(jí)配所配制的水泥漿抗壓強(qiáng)度值明顯大于一級(jí)或二級(jí)顆粒粒度級(jí)配，其原因是細(xì)小的顆粒填充到大顆粒的鐵礦粉中使其強(qiáng)度得到了提高。然而其他的3級(jí)顆粒粒度級(jí)配配方強(qiáng)度明顯相對(duì)較低，可能是因?yàn)榱６鹊呐浼?jí)不好，小顆粒不能進(jìn)入大顆粒的孔隙中，從而不能很好地形成致密堆積，所以抗壓強(qiáng)度略有下降。

其次我們驗(yàn)證同樣是3級(jí)顆粒比例，按照理論比例配置的水泥漿是否優(yōu)于其他比例的水泥漿。結(jié)果如表3、圖5所示；

表3 不同加量外摻料顆粒對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響(理論比例，48 h)Table 3 Effect of different addition amount of admixture on compressive strength (theoretical ratio, 48h)

注：水泥漿密度為2.40 g/cm3。

圖5 鐵礦粉三級(jí)粒度級(jí)配配方抗壓強(qiáng)度表Fig.5 Three grades iron ore powder particle gradation of compressive strength

由圖5可知，其中1～3號(hào)為在水泥漿密度為2.40 g/cm3下按照顆粒粒度級(jí)配原理計(jì)算出的3級(jí)顆粒目數(shù)所配制的水泥漿的抗壓強(qiáng)度，而4～9號(hào)則是在密度為2.40 g/cm3下隨機(jī)選取的3級(jí)顆粒目數(shù)按照相同比例所配置的水泥漿。結(jié)果顯示按照顆粒粒度級(jí)配計(jì)算的目數(shù)所配制的水泥漿的強(qiáng)度值明顯大于其他配方，原因同樣是其細(xì)小的顆粒填充到大顆粒的鐵礦粉中使其強(qiáng)度得到了提高。而其他粒度級(jí)配的水泥漿中，小顆粒不能進(jìn)入大顆粒的縫隙或填充不充分。

然而再分析1～3號(hào)立柱可以發(fā)現(xiàn)，1、3號(hào)配方都與理論加量的2號(hào)配方相接近，但1號(hào)配方略低于理論配方，而3號(hào)配方又略優(yōu)于理論配方，由此可見(jiàn)理論加量對(duì)于粒度級(jí)配具有指導(dǎo)意義。

2.2 鐵礦粉加量對(duì)水泥漿流變性的影響

水泥漿的流變性與水泥漿的體系組成、溫度、攪拌時(shí)間、外加劑和外摻料的加量有著密切關(guān)系。固定前幾個(gè)因素，討論鐵礦粉加量對(duì)水泥漿流變性的影響。通過(guò)調(diào)整鐵礦粉加量，配制密度為2.40 g/cm3水泥漿，測(cè)試其流變性并做出分析。

以顆粒粒度級(jí)配計(jì)算出的三級(jí)顆粒級(jí)配目數(shù)與其他一級(jí)、二級(jí)顆粒級(jí)配目數(shù)所配水泥漿流變性做對(duì)比，見(jiàn)表4：

表4 不同加量外摻料顆粒對(duì)流變性的影響(粒度級(jí)配)

注：水泥漿密度為2.40 g/cm3。

結(jié)果顯示，三級(jí)顆粒粒度級(jí)配所配制的水泥漿流變性不如二級(jí)顆粒粒度級(jí)配，二級(jí)顆粒粒度級(jí)配所配制的水泥漿流變性不如一級(jí)顆粒粒度級(jí)配。流動(dòng)度減少，n值減少，K值增大，其原因是當(dāng)顆粒級(jí)配數(shù)目多時(shí)，顆粒分布在有限的水泥漿空間內(nèi)流變性變差，并且級(jí)配數(shù)目越多，空間越小，流變性越差。

同樣是3級(jí)顆粒比例，按照理論比例配置的水泥漿流動(dòng)度是否優(yōu)于其他比例的水泥漿，結(jié)果見(jiàn)表5：

表5 不同加量外摻料顆粒對(duì)流變性的影響(理論比例)

結(jié)果顯示，按照顆粒粒度級(jí)配計(jì)算的目數(shù)所配制的水泥漿的流變性明顯好于其他配方，原因同樣是其細(xì)小的顆粒填充到大顆粒的鐵礦粉中使其均勻地分布到水泥漿中；而其他粒度級(jí)配的水泥漿中，小顆粒不能進(jìn)入大顆粒的縫隙或填充不充分導(dǎo)致雜亂無(wú)序，流變性變差。

3號(hào)配方與理論加量的2號(hào)配方流動(dòng)性能相近，但1號(hào)配方比理論配方略差，由此可見(jiàn)理論加量對(duì)于粒度級(jí)配具有指導(dǎo)意義。

3 結(jié)論

(1)根據(jù)粒度級(jí)配原理以及試驗(yàn)可知，在抗壓強(qiáng)度方面，三級(jí)粒度級(jí)配要優(yōu)于二級(jí)粒度級(jí)配及一級(jí)粒度級(jí)配。

(2)對(duì)密度為2.40 g/cm3的高密度水泥漿，一、二、三級(jí)顆粒的加入質(zhì)量比應(yīng)為117∶25∶1，顆粒粒徑比為r1∶r2∶r3=1∶0.475∶0.09，此可計(jì)算其他密度(不等于2.40 g/cm3)時(shí)鐵礦顆粒的粒徑匹配和加量比例。

(3)三級(jí)顆粒粒度級(jí)配所配制的水泥漿流變性比二級(jí)、一級(jí)顆粒粒度級(jí)配的流變性差，按照顆粒粒度級(jí)配計(jì)算的目數(shù)所配制的水泥漿的流變性明顯好于其他配方。

(4)根據(jù)緊密堆積理論的顆粒級(jí)配原理，開(kāi)發(fā)出抗壓強(qiáng)度高、流變性能好的高密度水泥漿體系，具有比較廣泛的應(yīng)用前景。

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Effect of High Density Cement Slurry Grading Size on CompressiveStrength and Rheology Properties of Cement

Qin Yi, Xu Zigang, Tian Baozhen, Yang Jiang, Liu Xin, Wu Jinbo

(No.1 Cementing Company of Bohai Drilling and Exploration Engineering Co., Ltd.,Renqiu, Hebei 062552, China)

Some blocks in the western oilfields in China due to the special nature of the geological structures, often encountered in the drilling process abnormal high-pressure gas reservoir and high-pressure salt water bearing reservoir. In order to solve these problems, need to use high density cement slurry. Based on the principles of particle size gradation, a high density cement slurry with a density of 2.40g/cm3was prepared. The effects of different gradation and mesh iron powder on the compressive strength of the slurry were studied. The results showed that the compressive strength of the slurry prepared by the three-stage particle size gradation was obviously larger than that of the primary or secondary particle size gradation. The strength of the cement slurry prepared according to the particle size gradation was obviously larger than that of the other formula, the theoretical dosage was instructive for the particle size ratio, and the ratio of the three-level particle size gradation can improve the strength value of the high density cement slurry. The fluidity of the three-stage particle size gradation was higher than that of the secondary, the flowability of the primary particle size gradation was poor, and the flowability of the cement slurry prepared according to the particle size gradation was significantly better than that of other formulations. According to the principle of compact packing, the high density cement slurry system with high compressive strength and good rheological properties can be developed, which has a wide application prospect.

high density cement slurry; iron ore powder; grading size; compressive strength; rheological properties

覃毅(1984—)，男，工程師，主要從事固井技術(shù)研究與安全管理工作。郵箱：896028085@qq.com.

TE256

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