馮建建　宋亞楠　石禮崗

【摘 要】本文分析引起水泥漿體系在高溫下穩(wěn)定性差的原因，總結(jié)目前常用的提高水泥漿高溫穩(wěn)定性的措施，并分析其優(yōu)缺點(diǎn)及適用條件。認(rèn)為提高水泥漿高溫穩(wěn)定性不能僅通過(guò)單一途徑，而需要多種措施協(xié)同解決。

【關(guān)鍵詞】水泥漿；高溫；沉降穩(wěn)定性；顆粒級(jí)配；穩(wěn)定劑

0 引言

在高溫水泥漿體系的研究中，體系的高溫穩(wěn)定性是一個(gè)重要指標(biāo)，這不僅關(guān)系到固井施工過(guò)程的安全性，而且影響固井質(zhì)量。低溫下，由于水泥漿懸浮穩(wěn)定性較強(qiáng)，沉降問(wèn)題并不顯著。但在高溫下，水泥漿體系中分子運(yùn)動(dòng)的加劇降低了分子間的粘滯力，體系懸浮穩(wěn)定性變差，密度較高且比表面積較小的水泥和外摻料顆粒沉降加快，造成水泥漿體系不穩(wěn)定[1]。本文討論引起水泥漿在高溫下不穩(wěn)定的原因，分析提高水泥漿高溫穩(wěn)定性的措施及優(yōu)缺點(diǎn)，認(rèn)為提高水泥漿高溫穩(wěn)定性需要多種措施協(xié)同解決。

1 引起水泥漿高溫下體系不穩(wěn)定的原因

1.1 材料密度差異

由于高溫水泥漿體系是一個(gè)由不同密度外摻料及外加劑組成的混合體系，各材料組分密度差異較大，如表1。

從表1中可以看出，水泥及硅粉等外摻料密度較大，配漿水及外加劑密度較小，由于重力作用，密度大的顆粒緩慢沉降，低溫下由于分子間粘滯力強(qiáng)，顆粒下降緩慢，水泥漿穩(wěn)定性相對(duì)較好。高溫下，水泥漿濃度變稀，水泥顆粒間膠結(jié)結(jié)構(gòu)遭到破壞，分子間粘滯力降低，使水泥及外摻料等顆粒下降速度變快，體系不穩(wěn)定性加劇。

1.2 高分子聚合物降解

目前高溫水泥漿體系中常用的降失水劑成分主要是聚丙烯酰胺類(lèi)聚合物，低溫下聚合物分子通過(guò)—COO-、—SO32-等基團(tuán)吸附在水泥顆粒表面，將不同水泥顆粒通過(guò)分子鏈聚集到一起，形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，提高了體系的懸浮穩(wěn)定性，減緩了水泥顆粒的沉降速度。高溫下，由于聚合物降解及分子運(yùn)動(dòng)加劇，聚合物分子從水泥漿顆粒表面脫附，使聚合物分子對(duì)水泥顆粒的束縛聚集作用減弱，空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)破壞，造成水泥漿變稀，沉降穩(wěn)定性變差[2]。

2 提高水泥漿高溫穩(wěn)定性的措施

2.1 顆粒級(jí)配

由于水泥漿體系是一個(gè)不穩(wěn)定的混合體系，水泥漿的沉降主要是體系中各組分密度差異造成的，因此采用顆粒級(jí)配技術(shù)，對(duì)水泥基外摻料粒徑及加量進(jìn)行合理優(yōu)化[3]，引入粒徑更小的微硅等超細(xì)材料，從而增大單位體積固相顆粒堆積率，增大體系對(duì)自由水的吸附，減小密度較大的水泥及外摻料顆粒的沉降速度，從而提高體系的沉降穩(wěn)定性。

表2中，在常規(guī)的水泥+硅粉的干混灰中加入粒度更小的超細(xì)加重材料及微硅，形成三級(jí)顆粒級(jí)配，通過(guò)對(duì)不同粒徑材料進(jìn)行合理搭配，提高單位體積水泥漿中固相含量，形成更加致密、穩(wěn)定的水泥體系。

超細(xì)加重材料一般為超細(xì)鐵礦粉及錳礦粉等，對(duì)于該類(lèi)材料，一方面，由于其密度高（4.8g/cm3-5.0g/cm3），需要增加混合水加量以平衡水泥漿密度，即增加水灰比，可以有效提高水泥漿的在低溫下的流動(dòng)性；另一方面，由于其顆粒粒徑小，比表面積大，懸浮能力強(qiáng)，且可填充大顆粒間空隙，提高顆粒間緊密堆積率。因此適量加入超細(xì)加重材料，可以在不影響水泥漿流變性能的情況下顯著提高體系的沉降穩(wěn)定性。由于該類(lèi)材料加量過(guò)大會(huì)增大體系水灰比，降低高溫下水泥石強(qiáng)度，因此推薦加量一般為10%-20%BWOC（相對(duì)純水泥的重量百分比）。

微硅具有粒徑小、比表面積大、絕對(duì)密度較低（2.4g/cm3）、高溫懸浮性強(qiáng)、防氣竄等優(yōu)點(diǎn)，且由于其主要組分為SiO2，可有效防止水泥石高溫下的衰退，因此加入微硅是提高高溫水泥漿體系穩(wěn)定性的一個(gè)重要途徑。但是由于微硅比表面積大，對(duì)自由水及緩凝劑等的吸附量也較大，一方面會(huì)造成水泥漿混配困難及增大水泥漿稠度，不利于施工過(guò)程的混配及泵送；另一方面，由于微硅對(duì)緩凝劑的吸附，降低了水泥漿中緩凝劑的有效含量，縮短稠化時(shí)間，為滿足施工要求，需要加大緩凝劑的加量以延長(zhǎng)稠化時(shí)間，又導(dǎo)致水泥硬化過(guò)程中強(qiáng)度發(fā)展緩慢。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于使用G級(jí)水泥的高溫水泥漿，微硅加量控制在3%-5%比較合適，對(duì)于使用H級(jí)水泥的高溫水泥漿，微硅加量3%-10%BWOC為宜。

2.2 降失水劑及膠乳

高溫水泥漿體系中使用的降失水劑一般為大分子聚合物類(lèi)，該類(lèi)降失水劑在中低溫下增稠作用明顯，但在高溫下由于分子鏈斷裂及對(duì)水泥顆粒吸附能力下降等特點(diǎn)，使其對(duì)提高水泥漿體系穩(wěn)定性的能力大大減弱。因此，應(yīng)選擇低溫下流變性能好且耐高溫的有機(jī)聚合物類(lèi)降失水劑，如聚丙烯酰胺類(lèi)。

膠乳，又稱(chēng)乳膠，是聚合物微粒分散于水中形成的膠乳乳液，具有優(yōu)良的控制失水及防氣竄能力。在常用固井水泥漿體系中，膠乳往往作為防氣竄劑使用，但由于膠乳本身為懸浮體系，具有粘度高、懸浮穩(wěn)穩(wěn)定性好、溫度敏感性小等特點(diǎn)，因此在高溫水泥漿體系中加入適量膠乳可顯著提高水泥漿體系的穩(wěn)定性，推薦加量為2%-5%。

2.3 高溫緩凝劑

通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，高溫緩凝劑對(duì)水泥漿的高溫穩(wěn)定性具有重要影響。表3通過(guò)沉降管實(shí)驗(yàn)法測(cè)定了兩種緩凝劑在同一水泥漿體系中在150℃下的沉降穩(wěn)定性。

表3 不同類(lèi)型緩凝劑對(duì)水泥漿高溫穩(wěn)定性的影響

表3中緩凝劑A由丙烯酰胺與不飽和酸共聚得到，緩凝劑B為木質(zhì)素磺酸鹽類(lèi)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，使用緩凝劑A的水泥漿上下密度差大，沉降嚴(yán)重，使用緩凝劑B的水泥漿上下密度差較小，沉降穩(wěn)定性較好，說(shuō)明木質(zhì)素磺酸鹽類(lèi)緩凝劑在高溫下對(duì)水泥漿沉降穩(wěn)定性的影響較小。因此，應(yīng)優(yōu)選高溫下對(duì)水泥漿沉降穩(wěn)定性影響小的緩凝劑作為高溫水泥漿體系的緩凝劑。

2.4 高溫穩(wěn)定劑

在水泥漿中加入穩(wěn)定劑可以有效提高水泥漿在高溫下的穩(wěn)定性。高溫穩(wěn)定劑包括有機(jī)類(lèi)和無(wú)機(jī)類(lèi)，有機(jī)類(lèi)主要是高分子聚合物類(lèi)，其作用原理類(lèi)似大分子聚合物類(lèi)降失水劑，能夠有效提高水泥漿的稠度，具有加量小、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，但在更高溫度（大于150℃）下，同樣存在分解失效問(wèn)題，因此有機(jī)類(lèi)穩(wěn)定劑適用溫度不能太高。

無(wú)機(jī)類(lèi)穩(wěn)定劑主要是超細(xì)無(wú)機(jī)材料，可以通過(guò)分子水化，減少自由水含量，提高水泥漿稠度，且不存在高溫下失效問(wèn)題，但是缺點(diǎn)是加量較大且水泥漿初始稠度高，因此在高溫水泥漿中考慮有機(jī)類(lèi)和無(wú)機(jī)類(lèi)穩(wěn)定劑復(fù)合適用，具有良好效果。

3 結(jié)論

（1）分析了引起水泥漿在高溫下體系不穩(wěn)定的原因：1）高溫加劇了由于水泥漿中各相密度差異引起的體系不穩(wěn)定；2）高分子聚合物的降解降低了水泥漿體系濃度，進(jìn)一步加劇了水泥漿顆粒的沉降。

（2）針對(duì)高溫下水泥漿穩(wěn)定性差的問(wèn)題，提出了如下解決方案：1）通過(guò)三級(jí)顆粒級(jí)配提高單位體積中固相顆粒堆積率；2）優(yōu)選耐高溫聚合物降失水劑及適量加入膠乳；3）選擇高溫下對(duì)水泥漿沉降穩(wěn)定性影響小的緩凝劑；4）選擇合適的穩(wěn)定劑，提高高溫下的懸浮能力。通過(guò)多種措施的協(xié)同作用，可有效提高水泥漿體系的高溫穩(wěn)定性，保證固井作業(yè)過(guò)程中的施工安全。

【參考文獻(xiàn)】

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]