邱國良　趙軍　邱匯洋

【摘 要】本文綜合對比不同廠家生產(chǎn)的、不同品質(zhì)等級的硅粉和鐵礦粉，利用XRD、激光粒度和SEM分析進(jìn)行樣品測試，并通過對比配制出的高密度水泥漿性能，篩選出較優(yōu)的樣品，并為后期建立硅粉和鐵礦粉的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)提供依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】高密度水泥漿；硅粉；鐵礦粉；流變性能；粒徑分布

加重劑是配制高密度水泥漿的必需材料，而鐵礦粉又是加重劑中最為常見的種類。鐵礦粉自身密度大，顆粒細(xì)小，與水泥漿體系不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，按不同比例添加后可大幅度提高漿體密度，但是同時(shí)又會對漿體的流變、強(qiáng)度、沉降穩(wěn)定性等主要性能產(chǎn)生影響。硅粉是油田固井常用的熱穩(wěn)定材料，當(dāng)井底靜止溫度大于110℃時(shí)，通常在水泥漿配方中要加入35%～45%的硅粉，起到防止水泥石高溫強(qiáng)度衰退的作用[1]。不同粒徑和質(zhì)量的硅粉也會對水泥漿的流變、沉降穩(wěn)定性等性能產(chǎn)生影響。因此，如何在保證性能優(yōu)異的情況下，獲得高密度乃至超高密度的水泥漿是研究的熱點(diǎn)和難題。

緊密堆積模型是在一系列假設(shè)的理想情況下建立的，多數(shù)情況下與實(shí)際不符[2]。因此本文基于實(shí)驗(yàn)，選用國內(nèi)的常見材料，包括不同標(biāo)號的硅粉、鐵礦粉，進(jìn)行對比試驗(yàn)，優(yōu)選出較好的樣品，提升高密度水泥漿的綜合性能。

1 實(shí)驗(yàn)原料和方法

實(shí)驗(yàn)中用到的原料見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)用材料

對于水泥、硅粉和鐵礦粉，前期分別進(jìn)行了X射線衍射成分分析，激光粒度分析，SEM掃描電鏡觀察，得到了材料的基本指標(biāo)。

本次實(shí)驗(yàn)主要集中研究2.10g/cm3密度水泥漿體系，配比如下。

表2 2.10g/cm3密度水泥漿實(shí)驗(yàn)配比

在固定配比的情況下，分別進(jìn)行了硅粉和鐵礦粉的優(yōu)選工作，評價(jià)方法如下。

表3 實(shí)驗(yàn)評價(jià)方法

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 硅粉優(yōu)選

針對A廠家的120目、200目、300目三種硅粉，分別與B廠家不同目數(shù)、不同比例摻量的鐵礦粉進(jìn)行水泥漿配制實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表4、表5、表6。

從以上結(jié)果可以看出：

（1）水泥漿性能：120目硅粉：沉降穩(wěn)定性差，抗壓強(qiáng)度低；

200目硅粉：沉降穩(wěn)定性好，抗壓強(qiáng)度高；

300目硅粉：沉降穩(wěn)定性好，流變性差，混灰時(shí)間較長。

（2）因此在2.10g/cm3水泥漿體系中，選擇200目硅粉配制的水泥漿性能最優(yōu)。

2.2 鐵礦粉優(yōu)選

固定選用A廠家的200目硅粉，對比不同廠家、不同目數(shù)鐵礦粉的性能。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表7。

可以看出，B廠家和D廠家在強(qiáng)度上優(yōu)于C廠家的鐵礦粉配制的水泥漿。

固定A廠家200目硅粉，摻量35%，鐵礦粉摻量40%，將B廠家80目、200目、400目、1200目和D廠家800目鐵礦粉配制的水泥漿養(yǎng)護(hù)后的強(qiáng)度做圖。

表7 鐵礦粉優(yōu)選實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖1 鐵礦粉粒度與抗壓強(qiáng)度關(guān)系圖

隨著鐵礦粉顆粒變細(xì)，水泥石抗壓強(qiáng)度呈明顯的上升趨勢，但是總體上的變化不大，波動在15%以內(nèi)，而且都滿足大于14MPa的強(qiáng)度要求。這說明鐵礦粉粒度不是影響水泥石強(qiáng)度的主要因素，鐵礦粉在體系中并不反應(yīng)，但會起到一定的填充和密實(shí)作用，因此顆粒變細(xì)，填充效應(yīng)更明顯，強(qiáng)度會有小幅度的提高。但是強(qiáng)度還是主要由水泥種類和水灰比決定的。但是不同廠家的鐵礦粉效果有差別，C廠家鐵礦粉的強(qiáng)度較低。此外，配制不同密度的漿體時(shí)，鐵礦粉的摻量會對強(qiáng)度產(chǎn)生較大影響。

固定A廠家200目硅粉，摻量35%，鐵礦粉摻量40%，將B廠家80目、200目、400目、1200目和D廠家800目配制的水泥漿在300轉(zhuǎn)下的流變讀數(shù)做圖。

圖2 鐵礦粉粒度與水泥漿流變性能關(guān)系圖

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，B廠家80目、200目、400目鐵礦粉配制的水泥漿較稠，300轉(zhuǎn)讀數(shù)大于300；而D廠家800目的鐵礦粉效果最優(yōu)，流變性能最好；B廠家1200目次之。

3 結(jié)論與建議

通過上述實(shí)驗(yàn)，初步得到以下結(jié)論：

（1）在2.10g/cm3密度的水泥漿體系中，200目硅粉的效果最好，優(yōu)于120目和300目硅粉，也因此選用200目硅粉作為后續(xù)實(shí)驗(yàn)材料。

（2）鐵礦粉粒度對強(qiáng)度的影響不大，強(qiáng)度主要是受水泥種類和水灰比的控制，但一般粒度越細(xì)，強(qiáng)度稍有提高，與鐵礦粉的填充作用有關(guān)。

（3）鐵礦粉粒度對流變的影響較大，單獨(dú)使用400目以下的鐵礦粉，水泥漿較稠，并通常伴隨有沉淀產(chǎn)生；800目和1200目鐵礦粉效果較好，因?yàn)槠淞６燃?xì)，顆粒較為均一，水泥漿流動需要克服的阻力小。

（4）根據(jù)優(yōu)選結(jié)果，可得到鐵礦粉粒度的選擇標(biāo)準(zhǔn)，即單獨(dú)使用時(shí)，鐵礦粉的粒度不得小于400目。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，可進(jìn)一步確定硅粉和鐵礦粉的密度、主要成分含量、粒徑分布等指標(biāo)，從而建立內(nèi)部的質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]劉崇建，黃柏宗，等.油氣井注水泥理論與應(yīng)用[M].北京：石油工業(yè)出版社，2001，9.

[2]米貴東，朱江林，等.高密度水泥漿的硬化漿體結(jié)構(gòu)對其流變性能的影響[J].硅酸鹽學(xué)報(bào)，2013（4）.

[責(zé)任編輯：薛俊歌]