短候凝防竄水泥漿體系作用機(jī)理與性能分析

摘 要：分析了短候凝防竄水泥漿體系作用機(jī)理與性能分析，以期為特殊環(huán)境、特殊條件、特殊地質(zhì)下的固井施工提供理論與實(shí)踐參考。

關(guān)鍵詞：水泥漿體系；作用機(jī)理；性能

油井水泥漿和水泥石性能與固井作業(yè)的質(zhì)量有著直接的關(guān)系，是固井設(shè)計(jì)、安全施工、保證固井質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)。短候凝防竄水泥漿體系在提高固井質(zhì)量的同時(shí)，可以有效縮短水泥漿候凝時(shí)間，從而有利于特殊環(huán)境、特殊條件、特殊地質(zhì)下的固井施工。

一、短候凝防竄水泥漿體系作用機(jī)理

短候凝防竄水泥漿體系是由分散劑（SG-JZJ）、降失水劑（SG-JSSJ）、早強(qiáng)劑（SG-ZQJ）、晶格膨脹劑（SG-PZJ）、增韌劑（SG-ZRJ）、低密增強(qiáng)劑（SG-DM）組成的泥漿體系。

分散劑（SG-JZJ）。它是由由甲醛、丙酮等原料聚合改性而成，為桔黃色或紅褐色粉末。它的作用機(jī)理是主要是吸附分散作用，通過調(diào)節(jié)水泥顆粒表面電荷以獲得合適的水泥漿流變性。當(dāng)減阻劑加入后，大部分陰離子分子就被吸附在水泥顆粒表面的正電荷位置上，使得水泥顆粒表面帶同性電荷，于是在靜電斥力的作用下抑制顆粒聚集，使水泥水化初期形成的絮狀聚集體系瓦解，把絮狀結(jié)構(gòu)內(nèi)包裹的水釋放出來，進(jìn)而改善水泥漿的流動性。

降失水劑（SG-JSSJ）。它是水溶性高分子及其它相關(guān)助劑組成，為灰色或淺灰色粉末。它的作用機(jī)理是在水泥漿中通過形成致密的聚合物薄膜及提高水相粘度來達(dá)到降低失水的目的。當(dāng)降失水劑加入水泥漿后，就會與水泥顆粒發(fā)生多點(diǎn)吸附并很快增長變大，從而改變水泥漿體系的結(jié)構(gòu)。使水在一定的壓差下本身流動速度減慢，進(jìn)而減少濾失量，當(dāng)失水開始發(fā)生以后，在滲透性地層的井壁上形成一層濾餅，并且在濾餅和孔隙過濾介質(zhì)之間界面形成不滲透膜，阻止水的繼續(xù)濾失。它不會使整個(gè)水泥漿體系變稠，易于紊流頂替。

早強(qiáng)劑（SG-ZQJ）。它是由無機(jī)早強(qiáng)材料改性而成，為白色或略帶灰色粉末。它的作用機(jī)理是通過改變水泥水化時(shí)的離子濃度，與水泥熟料水解出來的氫氧化鈣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，加速了水泥中石膏體系的水化速度，從而縮短水泥漿稠化時(shí)間。另外早強(qiáng)劑加速了C3A的反應(yīng)和鈣礬石的生成，使水泥石的結(jié)構(gòu)致密，達(dá)到早強(qiáng)的目的。在50攝氏度的條件下，早強(qiáng)劑的加入可以使水泥的稠化時(shí)間由152分鐘縮短至59分鐘，12小時(shí)的抗壓強(qiáng)度油5.9Mpa上升至17.9Mpa。

晶格膨脹劑（SG-PZJ）。它是由鎂、鈣的氧化物、硫酸鹽和碳酸鹽以適當(dāng)配比混合而成。為灰白色粉末，易溶于水。它的作用機(jī)理是Mg2+和Ca2+擴(kuò)散到大孔中結(jié)晶，起充填孔隙的作用，部分Mg2+和Ca2+就地形成細(xì)小的氫氧化物晶體。這些結(jié)晶態(tài)物質(zhì)在水化過程中生成水鎂石、羥鈣石和鈣礬石（AFt），并伴隨較大的體積膨脹，其膨脹量分別為水化反應(yīng)前固體體積的2.19倍、1.98倍和2.29倍。因此可以起到提高水泥石強(qiáng)度和降低滲透率的作用。

增韌劑（SG-ZRJ）。增韌纖維本身具有較高的抗拉、抗折強(qiáng)度及延伸性。水泥在摻入纖維后，由于表層材料中存在纖維材料，使得失水面積減少，水分子遷移困難，從而使毛細(xì)管失水收縮形成的毛細(xì)張力有所下降，纖維與水泥之間的界面的粘接力會增加水泥石抗收縮變形的能力，降低水泥石收縮變形值[2]。因此增韌纖維具有具有良好的抗?jié)B透性，同時(shí)降低了水泥石體積收縮。

纖維水泥為1.94Pa/min、無纖維水泥為1.655Pa/min，表明纖維水泥漿保持液態(tài)傳壓能力的時(shí)間長，能夠快速由液態(tài)形成具有一定承壓能力的膠凝結(jié)構(gòu)，起到有效防竄作用。

低密增強(qiáng)劑（SG-DM）。它是以微硅為主要成分的復(fù)合增強(qiáng)劑，以干混合組分的不同顆粒尺寸分布，進(jìn)行合理級配，使水泥漿體系實(shí)現(xiàn)良好的空隙填充，降低水泥漿體系中的充填水和吸附水層，增加單位水泥漿體系中的固相量，以提高低密度水泥石的抗壓強(qiáng)度[3]。通過圖3可以看出加入SG-DM的水泥漿漿體穩(wěn)定、水泥石致密，能夠有效地降低了滲透率，起到了防竄作用。

二、短候凝膨脹水泥漿體系性能分析

短候凝防竄水泥漿體系具有較短的候凝時(shí)間

短候凝防竄水泥漿靜膠凝曲線上升較快，過渡時(shí)間較短，具有較強(qiáng)防竄能力，從圖1動態(tài)強(qiáng)度曲線可以看出12小時(shí)強(qiáng)度為17.5MPa，能很好的滿足現(xiàn)場施工的要求。

（2）短候凝防竄水泥漿體系具有良好的防竄性能。

由圖2可以看出，短候凝防竄水泥漿漿壓力曲線保持較平直，反映水泥漿在較長時(shí)間保持液態(tài)，從而具有良好的傳壓性能。當(dāng)孔隙壓力低于氣源壓力時(shí)，仍未發(fā)生氣竄，這就說明短候凝防竄水泥漿有足夠的抗竄能力，因而能有效地防止氣竄的發(fā)生。

三、結(jié)論

短候凝防竄水泥漿體系具有在低溫條件下速凝、早強(qiáng)的特點(diǎn)，稠化時(shí)間短，水泥石早期強(qiáng)度大，并具有一定塑性能力，防止疏松地層漏失，具有較強(qiáng)防竄能力，可以很好地滿足特殊環(huán)境、特殊地質(zhì)條件下固井施工的要求。由于短候凝防竄水泥漿體系具有一定的微膨脹特性，可有效控制由于水泥體積收縮帶來的負(fù)面效應(yīng)，有利于有效封隔地層，防止層間竄流。

作者簡介：

李足平（1984—），男，江西吉安人，大學(xué)本科，工程師。