王美漫（中石化中原石油工程公司固井公司新疆項目部， 新疆 輪臺 841600）

超高密度水泥漿體系加重材料試驗優(yōu)選

王美漫
（中石化中原石油工程公司固井公司新疆項目部， 新疆 輪臺 841600）

加重劑的選擇是超高密度水泥漿體系研究的首要內(nèi)容，以緊密堆積理論為基礎(chǔ)，開展了加重材料優(yōu)選研究，綜合分析認(rèn)為還原鐵粉具有較好的加重效果。

加重劑；還原鐵粉；緊密堆積；超高密度

在四川、新疆、中原等區(qū)域，高密度水泥漿應(yīng)用于固井作業(yè)已進(jìn)行過較多的現(xiàn)場實踐。近年來，固井經(jīng)常遇到高孔隙壓力、井壁不穩(wěn)定和塑性流動地層以及鹽膏層等復(fù)雜地層條件，都要借助高液柱壓力予以控制，因而要提高水泥漿密度。配制高密度核心必須進(jìn)行加重，本文開展了加重材料優(yōu)選研究。

1 理論依據(jù)

一般使用的加重方法主要用單一粒度加重劑進(jìn)行混配，這樣配置的高密度水泥漿其密度不可能達(dá)到2.8g/cm3，同時水泥漿性能也較差。為了配置更高密度水泥漿，筆者結(jié)合緊密堆積理論，創(chuàng)造性的使用不同粒度加重材料，研究出性能好、效益好、易于推廣的高密度水泥漿體系。

（1）顆粒級配 眾所周知，粒徑相同的顆粒進(jìn)行混配，顆粒與顆粒間必然存在間隙，而這種間隙很大程度上影響到了顆粒填充率，若要實現(xiàn)最大限度的減小空隙，結(jié)合緊密堆積理論，需要選用不同的顆粒進(jìn)行級配。這里我們可以利用到堆積體積百分比（PVF），他指的是非空隙與總體積之比，即使用容器的實際體積與容器自身體積的比值，是衡量填沖率大小的重要指標(biāo)。一般認(rèn)為，同一顆粒的PVF為0.64。而本文采用的顆粒級配理論，利用不同顆粒進(jìn)行最大限度填充，PVF可接近于1。前人研究認(rèn)為：在混配過程中，將細(xì)顆粒和粗顆粒頻率分布曲線按照2個及其以上高峰組成，單獨的高峰寬度越窄，實際的PVF值越大，更容易接近于1。

（2）緊密堆積 如前所述，根據(jù)緊密堆積理論和顆粒級配技術(shù)對顆粒進(jìn)行配置的技術(shù)簡稱為PSD技術(shù)。將相對更細(xì)的顆粒填充于原有未充填空隙中，從而提高顆粒之間所謂的范德華力。利用不同的顆粒進(jìn)行合理的搭配，能最終實現(xiàn)增加充填空間的目的，從而有利于更高密度水泥漿的配制，直接減少自由水的含量大小。而該技術(shù)所用到的理論正是基于緊密堆積原理和PVF最大化原理所提出的，利用不同的顆粒加重材料進(jìn)行顆粒級配，讓配制水泥漿的單位體積內(nèi)固相顆粒/含量增加，降低水灰比，可最大限度的提高水泥石抗壓強度，然后降低水泥石的孔隙度與滲透率，實現(xiàn)高密度水泥漿的配制同時還增加其強度、優(yōu)化其性能。

（3）孔隙度變化分析 進(jìn)行顆粒級配時，孔隙度是在變化的，為了準(zhǔn)確的研究孔隙度變化規(guī)律，相關(guān)學(xué)者引入了次級粒度小球來開展級配。具體分析如下：首先將4個一級顆粒小球構(gòu)成一空隙空間，規(guī)則是所形成的空隙能填入最大的次級小球與一級粒徑小球可以相切，次級小球球心處于4個大球所構(gòu)成四面體的幾何中心處，該四面體的中心和頂點之間的距離為大球于小球的半徑之和，很顯然，次級小球半徑r1很容易求出?？梢钥闯鲈黾有∏蛞院?，實際的顆粒體積成為Vb+Vbr1。若相同級別大小的顆粒為圓形且大小也一致，同時需要達(dá)到一定密實狀態(tài)方可實現(xiàn)，而實際上不同顆粒材料在一定程度上是按照統(tǒng)計規(guī)律進(jìn)行分布的。一般情況下，水泥在松散狀態(tài)時其堆積比例最多為45%，而利用次級粒度小球理論進(jìn)行空隙的最大填充，其效果非常明顯。

2 水泥漿加重材料的優(yōu)選

（1）加重劑材料選擇 國內(nèi)外目前的水泥加重劑材料一般為鐵粉、鈦鐵礦石、赤鐵礦石、Micromax（氧化錳加重材料）、重晶石等，其中尤以重晶石最為普遍，筆者根據(jù)前有理論，對這些加重材料在G級水泥中分別進(jìn)行水泥漿加重試驗。實驗結(jié)果可知：重晶石密度低，只有4.2～4.6g/cm3，提高水泥漿的密度有限且增稠現(xiàn)象明顯，不選用；鈦鐵礦密度也較低，提高水泥漿密度有限，不選用；赤鐵礦為具有金屬光澤的黑色粉末，密度4.8～5.2g/cm3，在加工較細(xì)（500目以上）時呈紅色，加量較大時增粘效果明顯，因此也不選用；Micromax是比較理想的加重材料，但是目前國內(nèi)無法生產(chǎn)，只能從國外進(jìn)口，價格非常昂貴，即使其作為加重劑使用，漿體性能最為理想，但也很難推廣應(yīng)用；結(jié)合實際情況，多方面進(jìn)行考慮，本次決定使用自身密度相對較高的還原鐵粉作為配制超高密度水泥漿體系的加重劑。

（2）還原鐵粉相關(guān)參數(shù)確定 作為加重材料的還原鐵粉，其顆粒呈形狀不規(guī)則的多棱角體。使用這種還原鐵粉，往往水泥漿的流變性能較差，筆者通過使用專用設(shè)備將不規(guī)則形狀的還原鐵粉進(jìn)行磨圓處理。處理后的還原鐵粉對水泥漿流變性有重要的影響，其可以減少流動阻力，有利于實施提供頂替效率的工藝技術(shù)措施。磨圓后的還原鐵粉對水泥漿的流動度及流變性有明顯的改善。

粒徑分布優(yōu)化理論表明：至少選取3種不同粒徑的加重材料進(jìn)行級配，不斷調(diào)整固相粒徑分布，才能形成自由水少、低粘度和膠凝強度的水泥漿。室內(nèi)優(yōu)選了不同目數(shù)比重為7.50 g/cm3黑色顆粒狀的還原鐵粉，對不同級別的還原鐵粉，利用激光粒度儀開展顆粒分析，實測其顆粒粒徑。研究表明：G級水泥顆粒大小為20～100μm的占到60%～70%以上。100目還原鐵粉的同級粒度（20～150μm）達(dá)80%以上。為實現(xiàn)顆粒級配，選用了顆粒粒度較粗的與水泥相近的100目還原鐵粉作為主要加重劑。根據(jù)超高密度水泥漿加重劑粒徑和加量優(yōu)化模型的計算，計算出理想模型下合理的二級填充顆粒的粒度約為30μm左右，500目還原鐵粉的粒度與要求比較接近，因此選用100目和500目還原鐵粉進(jìn)行主要粒度級配。

［1］黃柏宗.緊密堆積理論的微觀機理及模型設(shè)計［J］.石油鉆探技術(shù)，2007，35（1）：5-12.

［2］李坤，徐孝思，黃柏宗.緊密堆積優(yōu)化水泥漿體系的優(yōu)勢與應(yīng)用［J］.鉆井液與完井液，2002，19（1）：1-6.

王美漫（1988-），女，漢族，助理師，主要從事固井試驗相關(guān)工作。