一種大比重充填固井用水泥砂漿的研制與應用

魏紅兵，付新鵬，亓燕秋

（中煤特殊鑿井有限責任公司，安徽 合肥 230001）

1 概 述

為提高壁后充填層的強度和密實度，降低井壁產生破壞的危險性，加大井筒長期使用的安全性，試驗研制出一種加入特殊添加劑的水泥砂漿代替原有的壁后充填材料，彌補原材料充填飽和度的不足[2]。

2 水泥砂漿試驗

2.1 水泥砂漿試驗備料

作為壁后充填材料的水泥砂漿的主要原材料為：水泥（P.O 42.5）、粉煤灰、黃砂及泵送劑。砂過細，混凝土用水量將會加大，強度降低，容易起砂、開裂；砂過粗，混凝土容易泌水，粘聚性差。試驗中要選擇砂的骨料形態及3個特征分量，即角狀（angularity）、表面粗糙度（surface texture）、整體形態（shape）較好的。有角狀的砂能夠與水泥漿有較好的咬合力，顆粒的移動需要克服相互之間的阻力；有一定表面粗糙的砂能夠的與水泥漿結合起來；整體形狀是橢圓形的砂能有較好的和易性。故，3種特征分量均較好的中粗砂是水泥砂漿配制中的首選。

2.2 水泥砂漿物理性能試驗

試驗時配制了4種類別的水泥砂漿（KB、SR、SB及ZB）分別進行了試驗，測出4種類別的水泥砂漿的初凝、終凝時間、新拌比重、塌落度、擴展度、結實率等，試驗數據見表1。

通過表1的對比，選擇SR類型水泥砂漿作為砂選擇試驗的水泥漿，進行流變性及泌水性試驗，將1#和2#不同顆粒形態的砂加入水泥漿后比重、流動時間、30min泌水情況及率數據見表2。

流變性及泌水性 表2

從表2中可以看出：3個特征分量較好的砂是對水泥砂漿的比重、結實率及泌水時間等有較大的影響。

2.3 水泥砂漿力學性能試驗

1#和2#形態的砂加入水泥漿后3d抗折強度和3d抗壓強度數據見表3。

水泥砂漿的力學性能 表3

從表3中可以看出：2#形態砂顆粒級配較好，其配制的水泥砂漿的3d抗折強度和3d抗壓強度較1#形態砂的高。

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從表1～3中可以看出：SR型摻和級配較好的中粗砂的水泥砂漿的強度、塌落度、擴展度及結實率符合要求，且其比重（2.10～23）g/cm3大于水泥漿比重（1.65g/cm3～1.75g/cm3），充填材料的比重越大，置換泥漿時的擴散角就越大，充填質量越好。

2.4 水泥砂漿泵送試驗

經過反復的試驗最終確定水泥砂漿建議配合比為：水泥：粉煤灰：砂：水=1：0.2：1.5：0.35，泵送劑摻量為膠凝材料總量的1.2%。試驗材料為：P.O42.5水泥，中砂，粉煤灰，泵送劑。泵送試驗設備為：1套HZS40攪拌站，1臺HBT60G混凝土輸送泵，4根 Φ125mm、L=3m的輸送泵專用管，錐形管（Φ175→Φ150mm、Φ150→Φ125mm）各1根，Φ108×6mm外注漿管累長55m。試驗過程如下。

①HBT60G輸送泵的輸出口與錐形管連接，錐形管與Φ12mm管連接，Φ108mm管通過法蘭盤變徑的方式與Φ12mm管連接，Φ108管之間用法蘭盤連接。管路總長約70m。

②先泵送清水，檢查管路的密封和暢通并濕潤管路。按配合比報告進行配料攪拌，經過60s攪拌的砂漿；用塌落度筒測量砂漿塌落度，3次測量結果：270mm、270mm、285mm，取均值后砂漿的塌落度值為275mm。

四種試驗類別的水泥砂漿數據分析表表1

③啟動HBT60G輸送泵，開始緩緩泵送砂漿，3min后在Φ108mm管出口處有砂漿流出，再經2min的正常頻率（24次/min）泵送，此時輸送泵的泵送壓力勻速增長至5MPa后停止增長，此時Φ108mm管出口處有砂漿流動正常。

④繼續攪拌砂漿并泵送，HBT60G泵運轉正常，Φ108mm管中砂漿正常向前蠕動，Φ108mm管出口處砂漿量正常。

⑤選取4個點用卷尺量取砂漿的擴散尺寸為5000mm～5500mm。

泵送試驗結論如下：

①設備的實際生產能力和工程實際需求有差別，需要選擇與實際施工能力匹配的攪拌，泵送設備；

②砂漿（水泥砂漿建議配合比為：水泥：粉煤灰：砂：水=1：0.2：1.5：0.35）擴散在地面上的擴散程度達到了預期效果，滿足實際施工對砂漿的流變性需求，可用于充填固井。

3 工程驗證

采用研制的大比重的水泥砂漿充填材料對信湖煤礦風井鉆井井筒壁后進行固井充填。水泥：粉煤灰：砂：水=1：0.2：1.5：0.35，泵送劑摻量為膠凝材料總量的1.2%。拌合砂漿的材料：含泥量低和細度模數在2.6～2.9的中粗砂、P.O42.5普通硅酸鹽水泥、I級粉煤灰、ZF系列泵送劑。

3.1 充填設備及其布置

布置4座水泥砂漿“攪拌-輸送”站，5臺輸送設備采用HBT60G型混凝土輸送泵。每座攪拌站分別配套安裝1臺PL1200型一字三斗式配料機和3座容量100t水泥倉（2座裝散水泥，1座裝粉煤灰）。根據現場場地具體狀況，2臺攪拌站布置在龍門道北側，分別距井口的距離約120m（原有施工井壁用的攪拌站）和70m。另2座攪拌站布置在龍門道南側，分別距井口約20m和30m。

地面水平輸送管路采用Φ125×4mm專用泵送鋼管，管與管之間通過專用管箍連接。井下注漿管路采用Φ108×6mm無縫鋼管，管與管之間通過帶螺紋的管箍連接。Φ108mm與Φ12mm管之間用帶K型快速接頭與Φ8mm×2SP高壓鉆探膠管柔性連接[3]。

3.2 充填固井試驗

對信湖煤礦風井共進行9個段高的壁后充填固井，歷時19d，充填高度為472m。各段高的充填過程及充填用量如表4所示。

信湖煤礦風井9個段高的壁后充填固井取得了較好的效果，固井作業過程安全順利，水泥砂漿密度控制均勻，泵送順暢，實測充填結實率為97.8%。經壁后充填質量檢查，成井偏值48mm，偏斜率0.102‰，有效圓直徑Ф6.91m，符合設計要求，成井質量優良。

信湖煤礦風井各段高壁后充填大比重水泥砂漿的量 表4

4 結論及建議

大比重充填用水泥砂漿的研制及應用，提高了鉆井井筒壁后充填質量、井壁耐久性、和施工的安全性，節約了建設資金。

①采用大比重填充用水泥砂漿進行壁后充填，不僅比水泥漿與碎石間隔分段充填的充填質量好，而且比單獨采用水泥漿充填的成本低。

②摻和級配較好的中粗砂的水泥砂漿的強度、塌落度、擴展度及結實率符合要求，且其比重（2.10～23）g/cm3大于水泥漿比重（1.65g/cm3～1.75g/cm3），充填材料的比重越大，置換泥漿時的擴散角就越大，充填質量越好。

③采用混凝土攪拌機攪拌水泥砂漿，混凝土輸送泵輸送水泥砂漿及井下用Φ108×6mm的鋼管作注漿管的“一管一泵”制注漿工藝技術上是可行的。

④水泥砂漿的配合比：水泥：砂：粉煤灰：水=1：1.5：0.2：0.35，泵送劑摻量為膠凝材料總量的1.2%，也可根據實際進一步調整，以適當提高砂漿的流動性能和延長初凝時間。

[1]洪伯潛.煤礦井筒大直徑鉆井法鑿井技術[A].2006年鉆井基礎理論研究與前沿技術開發新進展學術研討會論文集[C].2006.

[2]嚴海兵，張成金，冷永紅.精鐵礦粉加重水泥漿體系研究與應用[J].鉆井液與完井液，2009(6).

[3]沙林浩，高永會，燕平，等.河南油田新莊、楊樓區塊稠油熱采井固井水泥漿[J].鉆井液與完井液，2007(5).