緊密堆積提高高溫水泥沉降穩(wěn)定性的實(shí)驗(yàn)研究

緊密堆積提高高溫水泥沉降穩(wěn)定性的實(shí)驗(yàn)研究 楊勇
 摘要：利用緊密堆積理論，通過(guò)調(diào)節(jié)高溫水泥中固相含量的不同配比，使高溫水泥漿體系的干混堆積密度達(dá)到最大，所形成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)更加致密，束縛水能力增強(qiáng)，有效控制了濾失性和游離水，使水泥漿體系的高溫沉降穩(wěn)定性有了較大提高，基本滿足高溫固井的相關(guān)要求。
 關(guān)鍵詞：緊密堆積，高溫，沉降，穩(wěn)定性
1 引言
 隨著國(guó)內(nèi)外油氣田勘探開發(fā)力度的不斷加大，深層氣井?dāng)?shù)量不斷增加，而深層氣井的高溫高壓環(huán)境對(duì)其固井所用高溫水泥漿的性能要求也越來(lái)越高，尤其是高溫水泥的沉降穩(wěn)定性，是決定深層氣井固井質(zhì)量好壞的一個(gè)重要因素[1]。因?yàn)樵诟邷厮�泥候凝過(guò)程中，由于高溫緩凝劑和降失水劑對(duì)固相顆粒的吸附分散作用，使得水泥漿中出現(xiàn)顆粒聚集和橋塞，同時(shí)析出自由水還會(huì)形成水槽和水帶，促使氣體進(jìn)入環(huán)空發(fā)生竄流，破壞了膠結(jié)質(zhì)量。
 目前，已有多種改善高溫水泥漿沉降穩(wěn)定性的方法，本文主要研究在現(xiàn)有高溫水泥配方的基礎(chǔ)上，通過(guò)使用緊密堆積技術(shù)對(duì)現(xiàn)有高溫水泥配方中的固相顆粒進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得固相顆粒間的距離減小，所形成的致密網(wǎng)架結(jié)構(gòu)對(duì)水的束縛能力增大，有效地控制了高溫水泥漿的濾失性和游離水，達(dá)到了提高高溫水泥沉降穩(wěn)定性的目的[2-3]。
2 緊密堆積理論
2.1 堆積密度計(jì)算公式
 設(shè)單位體積的顆粒混合物由n種密度相等、形狀相似且不發(fā)生形變的顆粒組成。粒徑為di的第i粒組顆粒的等徑堆積密度為（di），單位體積的固相體積分?jǐn)?shù)為i（i = 1,，…，n），，其中：為所有顆粒組成的堆積物的堆積密度。粒組i的體積分?jǐn)?shù)比為i，i = i/，。假定di > di+1，粒徑為di的粒組是連續(xù)堆積的，則體系的堆積密度（di）可按式（1）計(jì)算。設(shè)每一個(gè)粒徑di的粒組為連續(xù)堆積時(shí)，都可計(jì)算得出一個(gè)堆積密度（di）值，則其中最小者則為該體系的最密堆積密度。
           （1）
其中：di的單位為m；（di）取決堆積方式和粒子的幾何形狀，可以測(cè)定或由計(jì)算獲得；f（i，j）反映由于小顆粒的存在而導(dǎo)致大顆粒堆積密度發(fā)生減小的松動(dòng)效應(yīng)；g（i，j）反映由于大顆粒的存在而導(dǎo)致小顆粒堆積密度發(fā)生減小的墻體效應(yīng)。
 水泥的粒徑是連續(xù)分布的，顆粒粒徑間的差距較小，同時(shí)顆粒間存在靜電力等凝聚和排斥力的相互作用。在現(xiàn)有已知數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)最小二乘法原理，不斷改變參數(shù)函數(shù)并重復(fù)上述過(guò)程，最終獲得計(jì)算（di），f（i，j）和g（i，j）的經(jīng)驗(yàn)公式如下：
                   （2）
        （3）
                       （4）
2.2 復(fù)合水泥體系粒徑分布與堆積密度的計(jì)算
 若已知復(fù)合水泥各組分的顆粒密度、粒徑分布和各組分的比例，可以換算出復(fù)合水泥體系的粒徑分布。設(shè)某一配比的復(fù)合水泥體系中有m個(gè)組分，各有n個(gè)粒組。組分j的顆粒密度為j，根據(jù)激光粒徑測(cè)定儀測(cè)得的第j個(gè)組分中粒徑為di的第i個(gè)粒組的體積比例為kji，。組分j的質(zhì)量比例為j，，則組分j中粒組i的體積比例為Vji = j kji / j。組分j中同一粒徑di的體積總和為：。全部組分的總體積，則該配比中粒徑為di的第i個(gè)粒組的體積比例為，。換算得出復(fù)合水泥體系的粒徑分布后，就可以按（1）～（4）式計(jì)算該復(fù)合水泥體系的堆積密度。
3 高溫水泥顆粒緊密堆積設(shè)計(jì)
 高溫水泥為防止發(fā)生強(qiáng)度衰退，需要加入石英砂或硅粉，這就打破了原有水泥的粒徑分布規(guī)律，形成了一種復(fù)合水泥顆粒體系。本文選用G級(jí)水泥、石英砂（粗）、石英砂（細(xì)）和微硅進(jìn)行復(fù)配設(shè)計(jì)，各種材料的主要粒徑分布及其等效粒徑見(jiàn)表1。石英砂的粒徑分布可通過(guò)篩分得到，水泥、微硅通過(guò)激光粒度儀測(cè)得，可將它們近似認(rèn)為是球形。
表1  復(fù)合高溫水泥體系顆粒材料主要粒徑分布范圍
組分 粒度分布/%
 110μm 75μm 45μm 25μm 15μm 5μm 1μm 0.7μm 0.5μm 0.3μm
G級(jí)水泥 2.11 11.07 23.05 38.48 16.51 8.78 0 0 0 0
石英砂（粗） 94.23 3.56 2.01 0.13 0.06 0.01 0 0 0 0
石英砂（細(xì)） 2.09 5.21 90.09 2.32 0.19 0.08 0.02 0 0 0
微硅 0 0 0 0 0 6.02 14.42 14.53 20.23 44.80

 將G級(jí)水泥、石英砂（粗）、石英砂（細(xì)）和微硅依照緊密堆積原理進(jìn)行復(fù)配優(yōu)化設(shè)計(jì)，其中G級(jí)水泥加量取為600 g，石英砂（粗）、石英砂（細(xì)）和微硅加量之和取為240 g，從而得到多種含有不同粒徑的多元復(fù)合高溫水泥顆粒體系，通過(guò)編程計(jì)算求得各種體系的最大堆積密度。如表2所示，體系能達(dá)到的最大堆積密度為0.6928。
表2  復(fù)合高溫水泥體系顆粒材料復(fù)配堆積密度
體系 含量/g 堆積密度
 G級(jí)水泥 石英砂（粗） 石英砂（細(xì)） 微硅 
1 600 240 0 0 0.6214
2 600 0 240 0 0.5594
3 600 178 62 0 0.6440
4 600 190 0 50 0.6753
5 600 0 180 60 0.6328
6 600 141 53 46 0.6928

 由表2可見(jiàn)，隨著顆粒種類的增加，體系堆積密實(shí)度均有不同程度提高。從堆積密度計(jì)算結(jié)果分析，堆積效果由優(yōu)至劣的順序?yàn)樗脑�體系>三元體系>二元體系。
4 高溫沉降穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

圖1  不同體系的沉降穩(wěn)定性能對(duì)比
 選擇表2中各種粒徑分布的復(fù)合高溫水泥顆粒體系試樣進(jìn)行高溫沉降穩(wěn)定性試驗(yàn)，試驗(yàn)條件為20.7 MPa、240 ℃條件下養(yǎng)護(hù)24 h，將養(yǎng)護(hù)后的試樣分成6段分別測(cè)試密度，結(jié)果如圖1所示。由圖1可見(jiàn)，以水泥顆粒、石英砂（粗）、石英砂（細(xì)）和微硅顆粒構(gòu)成的四元體級(jí)配體系，可獲得較好的沉降穩(wěn)定性能，有效地限制了液相和顆粒材料在漿體中的運(yùn)動(dòng)，使水泥石的均勻性得以提高。
5 結(jié)論
 （1）根據(jù)緊密堆積理論推導(dǎo)出含有多種固相顆粒的復(fù)合水泥體系堆積密度的計(jì)算方法，可用來(lái)預(yù)測(cè)沉降密度差，判斷體系中顆粒配比的合理性，為高溫水泥中固相顆粒的選配奠定了一定的理論基礎(chǔ)。
 （2）對(duì)高溫水泥中的固相顆粒進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算得出，含有石英砂（粗）、石英砂（細(xì)）和微硅的復(fù)合高溫水泥顆粒體系堆積密度能達(dá)到最大值0.6928。
 （3）高溫沉降穩(wěn)定性試驗(yàn)證實(shí)，具有最大堆積密度的復(fù)合高溫水泥顆粒體系的穩(wěn)定性最好，最大密度差達(dá)到0.0498 g/cm3左右。
 （4）高溫水泥顆粒體系密度堆積設(shè)計(jì)方法可改善高溫水泥漿在高溫下的沉降穩(wěn)定性能，即在同密度漿體中粗細(xì)顆粒的合理配比實(shí)現(xiàn)了沉降穩(wěn)定性能的最優(yōu)化。
參考文獻(xiàn)
 [1] 李坤，徐孝思，黃柏宗．緊密堆積理論優(yōu)化水泥漿體系的優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用．鉆井液與完井液，2002，19(1)：1—9
 [2] Bipin Jain, A.M.P Raiturkar, Chris Holmes and Andrew Dahlin: Using Particle-Size Distribution Technology for Designing High-Density, High-Performance Cement Slurries in Demanding Frontier Exploration Wells in South Oman．SPE 59134，2000
 [3] 黃柏宗．緊密堆積理論優(yōu)化的固井材料和工藝體系．鉆井液與完井液，2001，18(6)：1—9

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