短候凝防竄水泥漿體系作用機理與性能分析

摘 要：分析了短候凝防竄水泥漿體系作用機理與性能分析，以期為特殊環(huán)境、特殊條件、特殊地質(zhì)下的固井施工提供理論與實踐參考。

關鍵詞：水泥漿體系；作用機理；性能

油井水泥漿和水泥石性能與固井作業(yè)的質(zhì)量有著直接的關系，是固井設計、安全施工、保證固井質(zhì)量的關鍵指標。短候凝防竄水泥漿體系在提高固井質(zhì)量的同時，可以有效縮短水泥漿候凝時間，從而有利于特殊環(huán)境、特殊條件、特殊地質(zhì)下的固井施工。

一、短候凝防竄水泥漿體系作用機理

短候凝防竄水泥漿體系是由分散劑（SG-JZJ）、降失水劑（SG-JSSJ）、早強劑（SG-ZQJ）、晶格膨脹劑（SG-PZJ）、增韌劑（SG-ZRJ）、低密增強劑（SG-DM）組成的泥漿體系。

分散劑（SG-JZJ）。它是由由甲醛、丙酮等原料聚合改性而成，為桔黃色或紅褐色粉末。它的作用機理是主要是吸附分散作用，通過調(diào)節(jié)水泥顆粒表面電荷以獲得合適的水泥漿流變性。當減阻劑加入后，大部分陰離子分子就被吸附在水泥顆粒表面的正電荷位置上，使得水泥顆粒表面帶同性電荷，于是在靜電斥力的作用下抑制顆粒聚集，使水泥水化初期形成的絮狀聚集體系瓦解，把絮狀結(jié)構內(nèi)包裹的水釋放出來，進而改善水泥漿的流動性。

降失水劑（SG-JSSJ）。它是水溶性高分子及其它相關助劑組成，為灰色或淺灰色粉末。它的作用機理是在水泥漿中通過形成致密的聚合物薄膜及提高水相粘度來達到降低失水的目的。當降失水劑加入水泥漿后，就會與水泥顆粒發(fā)生多點吸附并很快增長變大，從而改變水泥漿體系的結(jié)構。使水在一定的壓差下本身流動速度減慢，進而減少濾失量，當失水開始發(fā)生以后，在滲透性地層的井壁上形成一層濾餅，并且在濾餅和孔隙過濾介質(zhì)之間界面形成不滲透膜，阻止水的繼續(xù)濾失。它不會使整個水泥漿體系變稠，易于紊流頂替。

早強劑（SG-ZQJ）。它是由無機早強材料改性而成，為白色或略帶灰色粉末。它的作用機理是通過改變水泥水化時的離子濃度，與水泥熟料水解出來的氫氧化鈣發(fā)生化學反應，加速了水泥中石膏體系的水化速度，從而縮短水泥漿稠化時間。另外早強劑加速了C3A的反應和鈣礬石的生成，使水泥石的結(jié)構致密，達到早強的目的。在50攝氏度的條件下，早強劑的加入可以使水泥的稠化時間由152分鐘縮短至59分鐘，12小時的抗壓強度油5.9Mpa上升至17.9Mpa。

晶格膨脹劑（SG-PZJ）。它是由鎂、鈣的氧化物、硫酸鹽和碳酸鹽以適當配比混合而成。為灰白色粉末，易溶于水。它的作用機理是Mg2+和Ca2+擴散到大孔中結(jié)晶，起充填孔隙的作用，部分Mg2+和Ca2+就地形成細小的氫氧化物晶體。這些結(jié)晶態(tài)物質(zhì)在水化過程中生成水鎂石、羥鈣石和鈣礬石（AFt），并伴隨較大的體積膨脹，其膨脹量分別為水化反應前固體體積的2.19倍、1.98倍和2.29倍。因此可以起到提高水泥石強度和降低滲透率的作用。

增韌劑（SG-ZRJ）。增韌纖維本身具有較高的抗拉、抗折強度及延伸性。水泥在摻入纖維后，由于表層材料中存在纖維材料，使得失水面積減少，水分子遷移困難，從而使毛細管失水收縮形成的毛細張力有所下降，纖維與水泥之間的界面的粘接力會增加水泥石抗收縮變形的能力，降低水泥石收縮變形值[2]。因此增韌纖維具有具有良好的抗?jié)B透性，同時降低了水泥石體積收縮。

纖維水泥為1.94Pa/min、無纖維水泥為1.655Pa/min，表明纖維水泥漿保持液態(tài)傳壓能力的時間長，能夠快速由液態(tài)形成具有一定承壓能力的膠凝結(jié)構，起到有效防竄作用。

低密增強劑（SG-DM）。它是以微硅為主要成分的復合增強劑，以干混合組分的不同顆粒尺寸分布，進行合理級配，使水泥漿體系實現(xiàn)良好的空隙填充，降低水泥漿體系中的充填水和吸附水層，增加單位水泥漿體系中的固相量，以提高低密度水泥石的抗壓強度[3]。通過圖3可以看出加入SG-DM的水泥漿漿體穩(wěn)定、水泥石致密，能夠有效地降低了滲透率，起到了防竄作用。

二、短候凝膨脹水泥漿體系性能分析

短候凝防竄水泥漿體系具有較短的候凝時間

短候凝防竄水泥漿靜膠凝曲線上升較快，過渡時間較短，具有較強防竄能力，從圖1動態(tài)強度曲線可以看出12小時強度為17.5MPa，能很好的滿足現(xiàn)場施工的要求。

（2）短候凝防竄水泥漿體系具有良好的防竄性能。

由圖2可以看出，短候凝防竄水泥漿漿壓力曲線保持較平直，反映水泥漿在較長時間保持液態(tài)，從而具有良好的傳壓性能。當孔隙壓力低于氣源壓力時，仍未發(fā)生氣竄，這就說明短候凝防竄水泥漿有足夠的抗竄能力，因而能有效地防止氣竄的發(fā)生。

三、結(jié)論

短候凝防竄水泥漿體系具有在低溫條件下速凝、早強的特點，稠化時間短，水泥石早期強度大，并具有一定塑性能力，防止疏松地層漏失，具有較強防竄能力，可以很好地滿足特殊環(huán)境、特殊地質(zhì)條件下固井施工的要求。由于短候凝防竄水泥漿體系具有一定的微膨脹特性，可有效控制由于水泥體積收縮帶來的負面效應，有利于有效封隔地層，防止層間竄流。

作者簡介：

李足平（1984—），男，江西吉安人，大學本科，工程師。