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緊密堆積提高高溫水泥沉降穩定性的實驗研究
緊密堆積提高高溫水泥沉降穩定性的實驗研究 楊勇
摘要：利用緊密堆積理論，通過調節高溫水泥中固相含量的不同配比，使高溫水泥漿體系的干混堆積密度達到最大，所形成的網架結構更加致密，束縛水能力增強，有效控制了濾失性和游離水，使水泥漿體系的高溫沉降穩定性有了較大提高，基本滿足高溫固井的相關要求。
關鍵詞：緊密堆積，高溫，沉降，穩定性
1 引言
隨著國內外油氣田勘探開發力度的不斷加大，深層氣井數量不斷增加，而深層氣井的高溫高壓環境對其固井所用高溫水泥漿的性能要求也越來越高，尤其是高溫水泥的沉降穩定性，是決定深層氣井固井質量好壞的一個重要因素[1]。因為在高溫水泥候凝過程中，由于高溫緩凝劑和降失水劑對固相顆粒的吸附分散作用，使得水泥漿中出現顆粒聚集和橋塞，同時析出自由水還會形成水槽和水帶，促使氣體進入環空發生竄流，破壞了膠結質量。
目前，已有多種改善高溫水泥漿沉降穩定性的方法，本文主要研究在現有高溫水泥配方的基礎上，通過使用緊密堆積技術對現有高溫水泥配方中的固相顆粒進行優化設計，使得固相顆粒間的距離減小，所形成的致密網架結構對水的束縛能力增大，有效地控制了高溫水泥漿的濾失性和游離水，達到了提高高溫水泥沉降穩定性的目的[2-3]。
2 緊密堆積理論
2.1 堆積密度計算公式
設單位體積的顆粒混合物由n種密度相等、形狀相似且不發生形變的顆粒組成。粒徑為di的第i粒組顆粒的等徑堆積密度為（di），單位體積的固相體積分數為i（i = 1,，…，n），，其中：為所有顆粒組成的堆積物的堆積密度。粒組i的體積分數比為i，i = i/，。假定di > di+1，粒徑為di的粒組是連續堆積的，則體系的堆積密度（di）可按式（1）計算。設每一個粒徑di的粒組為連續堆積時，都可計算得出一個堆積密度（di）值，則其中最小者則為該體系的最密堆積密度。
（1）
其中：di的單位為m；（di）取決堆積方式和粒子的幾何形狀，可以測定或由計算獲得；f（i，j）反映由于小顆粒的存在而導致大顆粒堆積密度發生減小的松動效應；g（i，j）反映由于大顆粒的存在而導致小顆粒堆積密度發生減小的墻體效應。
水泥的粒徑是連續分布的，顆粒粒徑間的差距較小，同時顆粒間存在靜電力等凝聚和排斥力的相互作用。在現有已知數據的基礎上，根據最小二乘法原理，不斷改變參數函數并重復上述過程，最終獲得計算（di），f（i，j）和g（i，j）的經驗公式如下：
（2）
（3）
（4）
2.2 復合水泥體系粒徑分布與堆積密度的計算
若已知復合水泥各組分的顆粒密度、粒徑分布和各組分的比例，可以換算出復合水泥體系的粒徑分布。設某一配比的復合水泥體系中有m個組分，各有n個粒組。組分j的顆粒密度為j，根據激光粒徑測定儀測得的第j個組分中粒徑為di的第i個粒組的體積比例為kji，。組分j的質量比例為j，，則組分j中粒組i的體積比例為Vji = j kji / j。組分j中同一粒徑di的體積總和為：。全部組分的總體積，則該配比中粒徑為di的第i個粒組的體積比例為，。換算得出復合水泥體系的粒徑分布后，就可以按（1）～（4）式計算該復合水泥體系的堆積密度。
3 高溫水泥顆粒緊密堆積設計
高溫水泥為防止發生強度衰退，需要加入石英砂或硅粉，這就打破了原有水泥的粒徑分布規律，形成了一種復合水泥顆粒體系。本文選用G級水泥、石英砂（粗）、石英砂（細）和微硅進行復配設計，各種材料的主要粒徑分布及其等效粒徑見表1。石英砂的粒徑分布可通過篩分得到，水泥、微硅通過激光粒度儀測得，可將它們近似認為是球形。
表1 復合高溫水泥體系顆粒材料主要粒徑分布范圍
組分 粒度分布/%
110μm 75μm 45μm 25μm 15μm 5μm 1μm 0.7μm 0.5μm 0.3μm
G級水泥 2.11 11.07 23.05 38.48 16.51 8.78 0 0 0 0
石英砂（粗） 94.23 3.56 2.01 0.13 0.06 0.01 0 0 0 0
石英砂（細） 2.09 5.21 90.09 2.32 0.19 0.08 0.02 0 0 0
微硅 0 0 0 0 0 6.02 14.42 14.53 20.23 44.80
將G級水泥、石英砂（粗）、石英砂（細）和微硅依照緊密堆積原理進行復配優化設計，其中G級水泥加量取為600 g，石英砂（粗）、石英砂（細）和微硅加量之和取為240 g，從而得到多種含有不同粒徑的多元復合高溫水泥顆粒體系，通過編程計算求得各種體系的最大堆積密度。如表2所示，體系能達到的最大堆積密度為0.6928。
表2 復合高溫水泥體系顆粒材料復配堆積密度
體系 含量/g 堆積密度
G級水泥 石英砂（粗） 石英砂（細） 微硅
1 600 240 0 0 0.6214
2 600 0 240 0 0.5594
3 600 178 62 0 0.6440
4 600 190 0 50 0.6753
5 600 0 180 60 0.6328
6 600 141 53 46 0.6928
由表2可見，隨著顆粒種類的增加，體系堆積密實度均有不同程度提高。從堆積密度計算結果分析，堆積效果由優至劣的順序為四元體系>三元體系>二元體系。
4 高溫沉降穩定性實驗
圖1 不同體系的沉降穩定性能對比
選擇表2中各種粒徑分布的復合高溫水泥顆粒體系試樣進行高溫沉降穩定性試驗，試驗條件為20.7 MPa、240 ℃條件下養護24 h，將養護后的試樣分成6段分別測試密度，結果如圖1所示。由圖1可見，以水泥顆粒、石英砂（粗）、石英砂（細）和微硅顆粒構成的四元體級配體系，可獲得較好的沉降穩定性能，有效地限制了液相和顆粒材料在漿體中的運動，使水泥石的均勻性得以提高。
5 結論
（1）根據緊密堆積理論推導出含有多種固相顆粒的復合水泥體系堆積密度的計算方法，可用來預測沉降密度差，判斷體系中顆粒配比的合理性，為高溫水泥中固相顆粒的選配奠定了一定的理論基礎。
（2）對高溫水泥中的固相顆粒進行優化設計計算得出，含有石英砂（粗）、石英砂（細）和微硅的復合高溫水泥顆粒體系堆積密度能達到最大值0.6928。
（3）高溫沉降穩定性試驗證實，具有最大堆積密度的復合高溫水泥顆粒體系的穩定性最好，最大密度差達到0.0498 g/cm3左右。
（4）高溫水泥顆粒體系密度堆積設計方法可改善高溫水泥漿在高溫下的沉降穩定性能，即在同密度漿體中粗細顆粒的合理配比實現了沉降穩定性能的最優化。
參考文獻
[1] 李坤，徐孝思，黃柏宗．緊密堆積理論優化水泥漿體系的優勢與應用．鉆井液與完井液，2002，19(1)：1—9
[2] Bipin Jain, A.M.P Raiturkar, Chris Holmes and Andrew Dahlin: Using Particle-Size Distribution Technology for Designing High-Density, High-Performance Cement Slurries in Demanding Frontier Exploration Wells in South Oman．SPE 59134，2000
[3] 黃柏宗．緊密堆積理論優化的固井材料和工藝體系．鉆井液與完井液，2001，18(6)：1—9
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