在低密度高強(qiáng)度水泥漿體系中的漂珠重要性

一、低密度高強(qiáng)度水泥漿的設(shè)計(jì)
低密度高強(qiáng)度水泥漿是根據(jù)以下的原理來進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)的：
1、隨著人們對微觀力學(xué)與宏觀力學(xué)進(jìn)一步研究，建立了膠凝材料的微觀模型，提出了通過緊密堆積理論和材料顆粒大小分布提高材料的宏觀力學(xué)性能的技術(shù)思路。低密度高強(qiáng)度水泥漿技術(shù)通過調(diào)節(jié)混合物固相的不同顆粒尺寸分布，進(jìn)行合理級配和加工，使水泥漿體系實(shí)現(xiàn)良好的孔隙充填，使多種尺寸顆粒分布的混合物緊密堆積即單位體積水泥漿中含有更多的固相，從而得到適合固井技術(shù)要求的性能指標(biāo)的水泥漿。
2、低密度高強(qiáng)度水泥漿的組成是根據(jù)組成物料間的物理化學(xué)作用來確定的。為提高低密度水泥漿的性能，研究并確定具有一定顆粒分布的充填性好、比表面積相對較低、表面光滑致密、本身化學(xué)活性高的礦物活性材料，不僅能夠發(fā)生自身的凝固性，而且還可與水泥中的堿性物質(zhì)發(fā)生膠凝反應(yīng)，完全水泥物料的化學(xué)反應(yīng)，提高水泥漿的整體性能。
3、根據(jù)以上思想設(shè)計(jì)的低密度增強(qiáng)劑，能夠有效提高并改善水泥漿的整體性能，減小水泥漿的游離液、失水量和水泥石的體積收縮、縮短候凝時間、提高水泥石早期抗壓強(qiáng)度、抗腐蝕和防氣竄的能力且不受使用溫度和環(huán)境水質(zhì)的限制。二、低密度高強(qiáng)度水泥漿體系的組成
低密度高強(qiáng)度水泥漿主要由油井水泥、減輕劑BSG-2、早強(qiáng)劑TC-2（降失水型PZW-B）以及相應(yīng)配套的外加劑如降失水劑、增強(qiáng)劑、緩凝劑、消泡劑、分散劑等組成可根據(jù)固井要求，選擇不同的外加劑體系，設(shè)計(jì)不同密度的水泥漿配方，如：在低溫下配合適當(dāng)?shù)脑鐝?qiáng)劑，高溫下配合適當(dāng)?shù)木從齽┮詽M足不同條件的水泥漿綜合性能要求，組成低密度高強(qiáng)度水泥漿體系的外加劑主要為：
1、BSG-2減輕劑是一種具有水化活性的外摻料，表觀性狀為灰色固體粉末，摻量為水泥量的20~100%（視水泥漿密度大小而定），適宜于干混。
2、與體系配套使用的降失水劑主要有：BS100-2（低溫）、BS100（中高溫）。
3、可與體系配套使用的促凝早強(qiáng)劑主要有：TC-1、TC-2等。
4、可與體系配套使用的緩凝劑主要有：BS200。
5、可與體系配套使用的分散劑主要有：SXY-1、SXY-2、BS300。
三、低密度高強(qiáng)度水泥漿技術(shù)的性能特點(diǎn)
1、水泥漿性能穩(wěn)定
低密度高強(qiáng)度水泥漿體積及沉降穩(wěn)定性性能良好，這是由于體系增強(qiáng)劑中的部分超細(xì)顆粒是一種助劑懸浮水泥組成中的其它材料，這些顆粒可以充填在物料中其它較大和較重的物料顆粒之間，如：水泥顆粒、赤鐵礦顆粒、硅粉顆粒等物料顆粒之間，連接懸浮物料；這些超細(xì)顆粒周圍還能吸附大量的水分子，水分子之間通過氫鍵相互連接，使微細(xì)顆粒之間形成均勻致密的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，并與水泥組成中其它顆粒吸附的水分子通過氫鍵連接，使水泥漿形成具有致密網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的懸浮體系；此外早強(qiáng)劑發(fā)生水硬性反應(yīng)以及與水泥發(fā)生的膠凝反應(yīng)，保證了水泥漿具有良好的穩(wěn)定性。
對低密度高強(qiáng)水泥漿進(jìn)行水泥漿流變性能試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果表明，低密高強(qiáng)水泥漿流變性能符合漢賓模式，水泥漿塑性粘度低，屈服值穩(wěn)定。
低密高強(qiáng)水泥漿在低的剪切速率下動切應(yīng)力（屈服值）高于漂珠低密度水泥凈漿，說明低密高強(qiáng)水泥漿在低的剪切速率下，水泥、BSG-2和穩(wěn)定劑之間能形成穩(wěn)定的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，可以阻止水泥漿體系中易沉降顆粒的沉降，使水泥漿能夠保持良好的穩(wěn)定性。隨著剪切速率的提高，低密高強(qiáng)水泥漿的動切應(yīng)力比漂珠低密度水泥凈漿低，表明低密高溫水泥漿還具有良好的剪切特性，經(jīng)高速剪切后，低密高強(qiáng)水泥漿的流動性優(yōu)于漂珠低密度水泥漿，可有效降低流動阻力，減小摩阻，提高頂替效率。
2、水泥石抗壓強(qiáng)度高
低密度高強(qiáng)度水泥漿與相同密度的普通漂珠低密度水泥漿相比，相同條件下，水泥石抗壓強(qiáng)度大大提高，這是由于體系中的低密度早強(qiáng)劑能夠有效提高體系水泥石的抗壓強(qiáng)度。這是由于早強(qiáng)劑由大量活性材料組成，能夠產(chǎn)生大量水硬性反應(yīng)，提高水泥顆粒之間的膠結(jié)和水泥石強(qiáng)度；此外，增強(qiáng)劑中的超細(xì)顆粒還可以很好地堆積和充填在其它顆粒形成的孔隙中，提高混合物充填比例，形成更加致密的水泥石，進(jìn)一步增強(qiáng)水泥石的強(qiáng)度。相同條件下，不同密度的低密度高強(qiáng)度水泥漿與漂珠低密度水泥漿的強(qiáng)度對比如下：
3、水泥漿綜合性能優(yōu)良
低密度高強(qiáng)度水泥漿綜合性能優(yōu)良，密度易調(diào)節(jié)，失水易控制，無游離水，稠化時間可調(diào)，抗壓強(qiáng)度高。通常不受使用溫度和水質(zhì)的限制，能夠適用于高、低溫及各種環(huán)境條件下的低密度水泥漿固井。
4、具有抗腐蝕性能
低密度高強(qiáng)度水泥漿體系具有良好的抗腐蝕能力。水泥石腐蝕機(jī)理研究表明，在腐蝕性溶液中，影響水泥石耐久性的主要因素是：水泥漿凝結(jié)硬化形成的水泥石物相組成中Ca(OH)2晶體的相對含量和水泥石的致密性。增強(qiáng)劑的設(shè)計(jì)完全可以滿足以上的抗腐蝕要求，增強(qiáng)劑能與水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2反應(yīng)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的C-S-H凝膠而消耗水泥石中的腐蝕源Ca(OH)2，提高水泥石耐腐蝕的能力；其中不參與反應(yīng)的增強(qiáng)劑中的其它物料，可與水泥漿中的固相顆粒形成良好的級配和充填，形成非滲透性、致密、連通性差的硬結(jié)水泥石，從而阻止腐蝕性離子的侵蝕，提高水泥石的耐腐蝕性能  四、低密高強(qiáng)水泥漿體系的水泥漿綜合性能
低密度高強(qiáng)度水泥漿利用以上組成，通過合理調(diào)整各組成物料的摻量和水灰比，根據(jù)具體的實(shí)驗(yàn)條件選用不同的外加劑，可配置出性能優(yōu)良、不同密度的低密度高強(qiáng)度水泥漿；不同實(shí)驗(yàn)條件下，不同密度的低密度高強(qiáng)度水泥漿的水泥漿綜合性能可見表1~5。                                                                                    五、低密度高強(qiáng)度水泥漿的應(yīng)用
1、低密度高強(qiáng)度水泥漿已成功應(yīng)用于四川石油局、西南地質(zhì)局的欠平衡鉆井的固井，固井用水泥漿的密度為1.3g/cm3，抗壓強(qiáng)度大于14Mpa，漿體穩(wěn)定性好，游離液低，完全滿足目的層的封固需要，有效保證了封固質(zhì)量。
2、低密度高強(qiáng)度水泥漿技術(shù)已成功應(yīng)用于四川石油局、西南地質(zhì)局50余井次的固井施工作業(yè)，固井施工安全順利，固井質(zhì)量優(yōu)良。
六、不同低密度水泥漿體系性能比較
在水泥物料中加入減輕材料，可根據(jù)需要配制出不同性能、不同密度的低密度水泥漿，但根據(jù)加入的減輕材料的不同、物料組成的不同，其降低水泥漿密度的作用形式也有所不同，配制的水泥漿性能也有很大差異下面就充填型低密度水泥漿、普通漂珠低密度水泥漿和低密度高強(qiáng)度漂珠水泥漿三種低密度水泥漿體系進(jìn)行性能比較，結(jié)果見表7：
 由表7所示，低密度高強(qiáng)度水泥漿與漂珠低密度、充填類低密度水泥漿體系相比，具有抗壓強(qiáng)度高、滲透率低、漿體穩(wěn)定、零游離液、失水量低、強(qiáng)度高等特點(diǎn)，由它配置的密度為1.20以上的水泥漿均能滿足油層固井的需要，其整體性能大大優(yōu)于漂珠低密度和充填類低密度水泥漿。                                                              七、低密度高強(qiáng)度水泥漿技術(shù)的使用前景                                                                   1、低密度高強(qiáng)度水泥漿可用于淺層氣井固井。低密度高強(qiáng)度水泥漿可形成良好的顆粒充填和級配，具有更緊密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可形成更為致密的水泥石，填塞氣體運(yùn)移通道，達(dá)到防氣竄的目的。利用增強(qiáng)劑還能減少防氣竄劑的用量，進(jìn)一步降低固井成本。                                                                                      2、低密度高強(qiáng)度水泥漿可應(yīng)用于定向井、水平井的固井。定向井、水平井對水泥環(huán)的整體均一、穩(wěn)定性要求嚴(yán)格，水泥漿必須具有良好的穩(wěn)定性和零游離液才能保證水泥環(huán)在各個方向都具有良好的抗壓強(qiáng)度和密封性能。可適用于定向井和水平井的固井施工。                                                                                   3、低密度高強(qiáng)度水泥漿可用于低壓易漏井的固井。低密高強(qiáng)水泥漿與同等密度的漂珠低密度水泥漿相比，具有穩(wěn)定性好、強(qiáng)度高、常壓下體積不收縮、候凝時間短等特點(diǎn)，能夠很好地防止井漏的發(fā)生，取得更好的固井效果。