高密度水泥漿外摻料硅粉和鐵礦粉優選研究

邱國良　趙軍　邱匯洋

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

【關鍵詞】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，顆粒細小，與水泥漿體系不發生化學反應，物理化學性質穩定，按不同比例添加后可大幅度提高漿體密度，但是同時又會對漿體的流變、強度、沉降穩定性等主要性能產生影響。硅粉是油田固井常用的熱穩定材料，當井底靜止溫度大于110℃時，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度衰退的作用[1]。不同粒徑和質量的硅粉也會對水泥漿的流變、沉降穩定性等性能產生影響。因此，如何在保證性能優異的情況下，獲得高密度乃至超高密度的水泥漿是研究的熱點和難題。

緊密堆積模型是在一系列假設的理想情況下建立的，多數情況下與實際不符[2]。因此本文基于實驗，選用國內的常見材料，包括不同標號的硅粉、鐵礦粉，進行對比試驗，優選出較好的樣品，提升高密度水泥漿的綜合性能。

1 實驗原料和方法

實驗中用到的原料見表1。

表1 實驗用材料

對于水泥、硅粉和鐵礦粉，前期分別進行了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。

本次實驗主要集中研究2.10g/cm3密度水泥漿體系，配比如下。

表2 2.10g/cm3密度水泥漿實驗配比

在固定配比的情況下，分別進行了硅粉和鐵礦粉的優選工作，評價方法如下。

表3 實驗評價方法

2 實驗結果

2.1 硅粉優選

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、不同比例摻量的鐵礦粉進行水泥漿配制實驗，結果如表4、表5、表6。

從以上結果可以看出：

（1）水泥漿性能：120目硅粉：沉降穩定性差，抗壓強度低；

200目硅粉：沉降穩定性好，抗壓強度高；

300目硅粉：沉降穩定性好，流變性差，混灰時間較長。

（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。

2.2 鐵礦粉優選

固定選用A廠家的200目硅粉，對比不同廠家、不同目數鐵礦粉的性能。

實驗結果如表7。

可以看出，B廠家和D廠家在強度上優于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護后的強度做圖。

表7 鐵礦粉優選實驗結果

圖1 鐵礦粉粒度與抗壓強度關系圖

隨著鐵礦粉顆粒變細，水泥石抗壓強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，而且都滿足大于14MPa的強度要求。這說明鐵礦粉粒度不是影響水泥石強度的主要因素，鐵礦粉在體系中并不反應，但會起到一定的填充和密實作用，因此顆粒變細，填充效應更明顯，強度會有小幅度的提高。但是強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廠家鐵礦粉的強度較低。此外，配制不同密度的漿體時，鐵礦粉的摻量會對強度產生較大影響。

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轉下的流變讀數做圖。

圖2 鐵礦粉粒度與水泥漿流變性能關系圖

從實驗結果看，B廠家80目、200目、400目鐵礦粉配制的水泥漿較稠，300轉讀數大于300；而D廠家800目的鐵礦粉效果最優，流變性能最好；B廠家1200目次之。

3 結論與建議

通過上述實驗，初步得到以下結論：

（1）在2.10g/cm3密度的水泥漿體系中，200目硅粉的效果最好，優于120目和300目硅粉，也因此選用200目硅粉作為后續實驗材料。

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

（3）鐵礦粉粒度對流變的影響較大，單獨使用400目以下的鐵礦粉，水泥漿較稠，并通常伴隨有沉淀產生；800目和1200目鐵礦粉效果較好，因為其粒度細，顆粒較為均一，水泥漿流動需要克服的阻力小。

（4）根據優選結果，可得到鐵礦粉粒度的選擇標準，即單獨使用時，鐵礦粉的粒度不得小于400目。根據國家標準和行業標準，可進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，從而建立內部的質量控制標準。

【參考文獻】

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

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

[責任編輯：薛俊歌]