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        偏高嶺土作為深水低溫水泥漿增強(qiáng)劑的研究

        2021-05-14 07:28:20宋茂林崔策馮穎韜中海油服油田化學(xué)研究院河北廊坊065201
        化工管理 2021年8期
        關(guān)鍵詞:水泥石高嶺土水泥漿

        宋茂林,崔策,馮穎韜(中海油服油田化學(xué)研究院,河北 廊坊 065201)

        0 引言

        隨著國家“海洋戰(zhàn)略”的提出,我國加強(qiáng)了深水油氣資源的勘探開發(fā)力度[1-2]。低溫環(huán)境是深水固井區(qū)別于淺水固井以及傳統(tǒng)的陸地固井最顯著的特征之一。低溫造成水泥漿強(qiáng)度發(fā)展的減緩,使水泥漿無法較快地完成達(dá)到現(xiàn)場繼續(xù)鉆井的要求。長時間的候凝會大幅增加鉆完井作業(yè)成本,降低作業(yè)時效。探究高效能固體增強(qiáng)材料是解決深水低溫固井難題的有效途徑之一。偏高嶺土具有水化活性高、細(xì)度細(xì)的優(yōu)勢[3-5],因此文章探究了在低溫環(huán)境下,偏高嶺土對水泥漿的增強(qiáng)效果。

        1 偏高嶺土結(jié)構(gòu)分析

        考慮實(shí)際應(yīng)用,文章所使用的偏高嶺土(metakaolin,簡稱MK)為工業(yè)生產(chǎn)原料,由安徽雪納非金屬材料有限公司生產(chǎn)。

        偏高嶺土是以高嶺土(Al2O3·2SiO2·2H2O,AS2H2)為原料,在適當(dāng)溫度下(700~900 ℃) 經(jīng)脫水形成的無水硅酸鋁(Al2O3·2SiO2,AS2)。偏高嶺土中Al2O3和SiO2含量在90%以上,特別是Al2O3含量較高,在30%~45%之間。偏高嶺土的X射線衍射的結(jié)果如圖1 所示。

        圖1 偏高嶺土XRD圖譜

        如圖1 所示,偏高嶺土中只有一個大的“尖銳峰”,其它全為彌散狀的小峰,可以判斷其結(jié)構(gòu)基本為無定形化合物,大部分是以非晶體形式存在,其余小部分是以Al2O3和SiO2化合物形式存在的非晶體伴隨微量的鈣、鉀與鋁、硅形成的結(jié)合體。去羥基化導(dǎo)致偏高嶺土在化學(xué)上變得具有活性,分子排列變得不規(guī)則,呈現(xiàn)熱力學(xué)介穩(wěn)狀態(tài),在適當(dāng)激發(fā)下具有膠凝性。大多數(shù)偏高嶺土顆粒是通過對原生高嶺土的結(jié)晶體進(jìn)行燒結(jié)而形成的粒料,這些結(jié)晶體的大小為直徑0.5 μm,厚度為0.1 μm 左右,呈不規(guī)則碎片狀。典型的偏高嶺土顆粒分布是小于2 μm 等效球體直徑的占20%~80%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。

        2 偏高嶺土對水泥漿凝結(jié)時間和流動度的影響

        偏高嶺土的過量加入會造成水泥漿固相含量過多,喪失水泥漿流動度,從而無法實(shí)際應(yīng)用。因此,本文首先探究了偏高嶺土的加入對水泥漿凝結(jié)時間和流動度的影響。

        如表1 所示,摻入不同配比偏高嶺土到G 級水泥在10 ℃下的凝結(jié)時間和流動度測定結(jié)果。從結(jié)果看,在流動度基本保持不變的混合體系中,凝結(jié)時間隨著偏高嶺土摻量的變化表現(xiàn)出一定的規(guī)律性,隨著偏高嶺土的增加,縮短了水泥漿體的初、終凝時間。這是由于偏高嶺土的加入,G 級水泥激發(fā)偏高嶺土的火山灰活性,增加了復(fù)合體系早期水化較快礦物的水化含量,使得體系溶液中離子濃度較快地達(dá)到水化產(chǎn)物的飽和濃度,大量水化產(chǎn)物從溶液中析出導(dǎo)致凝結(jié)加快。

        本試驗(yàn)以5%作為遞增加量把偏高嶺土加入到G 級水泥中。從試驗(yàn)結(jié)果看,隨著偏高嶺土量的增加,導(dǎo)致體系中單位體積固相含量增加,減小了體系流動度。摻量在5%時,對水泥漿流動度影響很小,基本不影響水泥流動性;當(dāng)摻量在10%~15%時,流動度有所減小,只需要增加少量水和分散劑便能使流動度保持在基本要求流動范圍;大于15%時,則需要適當(dāng)增加用水量才能保持較好流動度,但用水的增加減小了體系抗壓強(qiáng)度,這使得低溫下強(qiáng)度發(fā)展受很大影響。

        表1 G級水泥和MK配比及性能

        3 偏高嶺土對水泥石抗壓強(qiáng)度的影響

        抗壓強(qiáng)度是水泥石最重要的性能之一,水泥石的抗壓強(qiáng)度與水化產(chǎn)物的組成和結(jié)構(gòu)有關(guān)。按照水化時間不同,強(qiáng)度分為不同齡期。如表2 所示,試驗(yàn)條件為10 ℃/常壓條件下養(yǎng)護(hù)的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。從表1 中可知,純G 級水泥強(qiáng)度低于加了任何比例的偏高嶺土后復(fù)合水泥體系的強(qiáng)度。隨著偏高嶺土量的增加,偏高嶺土提高了水泥漿體系的抗壓強(qiáng)度,但并不是隨加量增加而呈現(xiàn)遞增規(guī)律,而是存在一個最佳摻量范圍。偏高嶺土加量為15%在24 h 和48h 對體系抗壓強(qiáng)度均最大,加15%偏高嶺土的24 h 抗壓強(qiáng)度提高了71.9%,48 h 抗壓強(qiáng)度提高了38.9%,分別達(dá)到了4.95 MPa和8.78 MPa。因此,選擇此加量作為偏高嶺土對G 級水泥的最優(yōu)摻量。

        表2 不同摻量MK對體系抗壓強(qiáng)度影響

        偏高嶺土對水泥石的強(qiáng)度效應(yīng)是通過化學(xué)和物理兩個方面的增強(qiáng)效果實(shí)現(xiàn)的。一是偏高嶺土水化活性高,與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生火山灰效應(yīng),二次水化充分進(jìn)行,生成更多的水化產(chǎn)物;二是偏高嶺土細(xì)度細(xì),起到填充密實(shí)作用。另外,偏高嶺土內(nèi)部的晶格扭曲、缺陷多,也有利于發(fā)生二次水化。具有不同級配的微細(xì)礦物摻合料,能夠產(chǎn)生微集料的充填效應(yīng),使水泥基材料趨于密實(shí),孔隙率大大下降,強(qiáng)度得以提高。

        低溫下抗壓強(qiáng)度的發(fā)展是本文重點(diǎn),因此,本文以抗壓強(qiáng)度為優(yōu)先選擇條件,綜合考慮流動度和凝結(jié)時間對G 級水泥影響下,選取偏高嶺土為15%加量作為后續(xù)試驗(yàn)基準(zhǔn)摻量并進(jìn)行體系評價試驗(yàn),水泥漿體系簡稱為MK/G 水泥。

        4 pH 值對偏高嶺土增強(qiáng)效果的影響

        因?yàn)槠邘X土是一種具有火山灰活性物質(zhì),堿性物質(zhì)能夠激發(fā)偏高嶺土的活性,而且激發(fā)效果明顯。堿對含火山灰水泥強(qiáng)度的影響是復(fù)雜的,它可以產(chǎn)生兩種不同的效應(yīng):(1)通過激發(fā)偏高嶺土的活性和催化硅酸鈣的形成來提高M(jìn)K/G 水泥的強(qiáng)度;(2)通過改變C-S-H 凝膠的組成、誘發(fā)堿集料反應(yīng)和減少水泥的拌合水量而造成MK/G 水泥強(qiáng)度的降低。

        試驗(yàn)通過加入不同量的NaOH 和10%質(zhì)量濃度的HCl 調(diào)節(jié)體系中的pH 值,在總的水灰比不變情況下,考察10 ℃/常壓養(yǎng)護(hù)24 h 抗壓強(qiáng)度的變化,結(jié)果如表3 和圖2 所示。

        表3 pH值對MK/G水泥抗壓強(qiáng)度影響

        圖2 pH值對MK/G水泥抗壓強(qiáng)度影響

        可以看出pH 值在12 時,體系抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大。這說明堿對偏高嶺土水泥體系具有活性激發(fā)作用,加快了體系抗壓強(qiáng)度發(fā)展,這與其它火山灰材料在堿性環(huán)境下被激活情況類似,試驗(yàn)結(jié)果與理論分析結(jié)論一致。

        5 偏高嶺土對水泥石長期穩(wěn)定性影響

        水泥漿體在一定時間上保持其性能不變的能力被稱作“耐久性”。通常這個性質(zhì)是由其工作環(huán)境和自身含有的活性物質(zhì)所決定的。低溫環(huán)境下,偏高嶺土的加入是否會對G 級水泥長期力學(xué)性能和體積變化產(chǎn)生負(fù)面影響是工程應(yīng)用上的一個重要問題,很有必要進(jìn)行研究。如圖3、圖4 所示,圖3 和圖4 分別為 G 級水泥和MK/G 水泥在10 ℃/常壓條件下的長期抗壓強(qiáng)度發(fā)展和體積變化情況。結(jié)果表明隨著水化時間延長,兩者抗壓強(qiáng)度始終保持一定差距,特別是在水化后期,摻偏高嶺土水泥抗壓強(qiáng)度發(fā)展更快。二者抗壓強(qiáng)度都表現(xiàn)為連續(xù)增長,但加了偏高嶺土的G 級水泥體積有細(xì)微膨脹,且長期水泥石體積膨脹率不變的規(guī)律,證實(shí)偏高嶺土對G 級水泥無負(fù)面作用,有利于G 級水泥長期穩(wěn)定性。

        圖3 水泥石長期抗壓強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律比較

        圖4 MK/G水泥石體積長期變化規(guī)律

        6 結(jié)語

        文章探究了偏高嶺土作為水泥漿增強(qiáng)劑的作用效果,當(dāng)偏高嶺土在G 級水泥漿中的加量為15%時,其在10 ℃的環(huán)境條件下,增強(qiáng)效果表現(xiàn)最為優(yōu)異,24 h 抗壓強(qiáng)度提高了71.9%,48 h 抗壓強(qiáng)度提高了38.9%,分別達(dá)到了4.75 MPa 和8.78 MPa。水泥漿的酸堿度對偏高嶺土的增強(qiáng)效果有影響,當(dāng)pH 為12 時,體系強(qiáng)度最高。偏高嶺土的加入對G 級水泥長期抗壓強(qiáng)度和體積膨脹無不良影響,不會引起水泥石的后期強(qiáng)度衰退。偏高嶺土作為低溫水泥漿體系增效劑,具有較好的效果和較高的實(shí)際應(yīng)用價值。

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