【正文】 。通過(guò)液態(tài)混凝土原理，調(diào)整顆粒大小分布可以使水泥漿的密度、抗壓強(qiáng)度、流變性能滿足實(shí)際井況 [9]。 西南石油大學(xué)工程碩士研究生學(xué)位論文 5 降穩(wěn)定性、可接受的流變性等性能 阿曼南部 3500～4800 95～ 120 ～ 窄安全窗口密度，高含鹽地層 使用顆粒分布優(yōu)化技術(shù)（ PSD）的水泥漿體系 國(guó)內(nèi)的高密度 水泥漿基本上還是采用普通加重劑的方法，比如通過(guò)鈦鐵礦石、赤鐵礦石、重晶石等手段來(lái)提高水泥漿的密度 [1, 3, 1217]。 長(zhǎng)慶油田鉆采院鉆井所以高爐水淬礦渣為水化材料，添加少量礦渣激活劑和少量水泥、膨潤(rùn)土，配制成 ~體系 [24]，用以封固油氣井油氣層部位的井段 [25]。前者是保證注水泥施工安全和均勻驅(qū)替環(huán)空泥漿的主要因素，后者則是保證水泥漿凝固質(zhì)量和密封質(zhì)量的主要因素。首先，通過(guò)對(duì)油井水泥材料、外加劑以及加重材料的優(yōu)選以進(jìn)行先期室內(nèi)實(shí)驗(yàn)；然后，通 過(guò)對(duì)混配工藝的模擬，以尋找到最佳的混配工藝；最后，通過(guò)固井前的室內(nèi)試驗(yàn)以及半大樣、大樣復(fù)核試驗(yàn)以配制最佳的超高密度水泥漿體系。 第三步：固井前的超高密度水泥 漿室內(nèi)實(shí)驗(yàn) 超高密度水泥漿 體系室內(nèi)研究及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用 8 包括對(duì)超高密度水泥漿小樣的室內(nèi)調(diào)整實(shí)驗(yàn)，以及混配好后進(jìn)行半大樣和大樣的復(fù)核實(shí)驗(yàn)。 顆粒級(jí)配實(shí)際上是一種“鉆空隙”理論。 設(shè)：大、小顆粒堆積的空隙率分別為 12??、 ，大小顆粒所占的體積分?jǐn)?shù)為 12??、 ， 則 11122121211(1 )1??????????????? （ 2 1） 大、小顆粒級(jí)配后，體系的空隙率為 1 21111 [1 ( 2 . 6 2 1 . 6 2 ) ]m KK?? ????? ?? （ 2 2） 式中， 21/K d d? 。 對(duì)于固液相懸浮體系，固相填料排列愈緊密，則相同固相含量下體系的粘度越小，為了消除干固體填料堆積與實(shí)際懸浮體系中排列的差異，我們將模型 （ 2 4）轉(zhuǎn)化為下面形式 31m in011i i iiiaa x bx??????≤ ≤ ≤ ≤ (2 5) 式中， a? 為懸浮體系的表觀粘度； ,iiab分別為第 i 粒級(jí)顆粒體積分?jǐn)?shù) ix 的上、下界。所以一般采取三級(jí)顆粒級(jí)配比較適宜。當(dāng)顆粒具有不同尺寸 (多分散相 )時(shí)，即由不同粒徑的顆粒組成時(shí)，其 PVF就高 [51]。最終通過(guò)空間立體幾何知識(shí)，算得 3 種球體的最佳半徑比例為 : r1:r2:r3=1:: 式中， : r1 為 1 級(jí)球體半徑， r2 為 2 級(jí)球體半徑， r3 為 3 級(jí)球體半徑。 3. 在緩凝劑使用上，起初考慮緩凝劑 DZH1與抗鹽降失水劑 DZJY的協(xié)同效應(yīng)，實(shí)驗(yàn)上也看出在稠化時(shí)間調(diào)整上可以滿足要求，但在低溫方面緩凝劑 DZH1有點(diǎn)超緩凝作用，水泥石低溫強(qiáng)度有的 3天并未起強(qiáng)度，水泥石低溫強(qiáng)度也不高，因此下次調(diào)整考慮優(yōu)選其他緩凝劑。 結(jié)合前期的實(shí)驗(yàn)情況，首先對(duì)高密度加重材料的級(jí)配比例進(jìn)行了優(yōu)化。 （ 2）該高密度水泥漿體系配方 93℃養(yǎng)護(hù)后漿體流動(dòng)性能良好，而且上下密度差為 。 同時(shí)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)通過(guò)額外附加 8%加重材料測(cè)試密度可以達(dá)到設(shè)計(jì)值 ，這同時(shí)也為以后進(jìn)行大樣混配提供參考。 水泥車下灰困難，施工中，氣壓難以保證 ，施工后，灰車上剩下大約 ； ，但是從灰罐車?yán)锶〕龅乃鄿y(cè)得密度分別是 ，與實(shí)驗(yàn)室半大樣灰測(cè)試結(jié)果差別不大。 ②考慮到袋裝加重材料的計(jì)量及混灰等損耗情況，混灰時(shí)相應(yīng)地附加總量的 5%～超高密度水泥漿 體系室內(nèi)研究及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用 28 8%加重 材料以補(bǔ)全損耗。采用車載空壓機(jī)供壓，這樣可確保供氣量和供氣壓力穩(wěn)定。 大樣灰完成混配后取樣進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下： 配方 1 1372g 大樣灰 +24g 降失水劑 DZJY+ 分散劑 DZS+ 緩凝劑DZHO+300g水 基本性能： 密度 g/cm3 流動(dòng)度 22cm 常溫流變性能： ＞ 300/＞ 300/242/133/10/6 93℃養(yǎng)護(hù)后流變性能： ＞ 300/256/183/102/11/7 沉降穩(wěn)定性（ 2h）： API 失水： 2=33ml 稠化實(shí)驗(yàn)： 96℃ 60min 85Mpa 超高密度水泥漿 體系室內(nèi)研究及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用 32 圖 36 DZS+DZHO=288min 圖 37 DZS+DZHO=214min 考慮本次現(xiàn)場(chǎng)試配密度為 g/cm3，而大樣灰是 g/cm3的配方，室內(nèi)用此灰樣配方配制 g/cm3水泥漿，測(cè)定其性能變化： 配方 2 1372g 大樣灰 +24g 降失水劑 DZJY+ 分散劑 DZS+ 緩凝劑DZHO+320g水 基本性能： 密度 g/cm3 流動(dòng)度 ＞ 23cm 常溫流變性能： ＞ 300/299/209/113/11/7 93℃ 養(yǎng)護(hù)流變性能： 269/145/97/49/4/3 沉降穩(wěn)定性（ 2h）： 實(shí)驗(yàn)分析說(shuō)明： 本次混灰由于總結(jié)以前經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，混灰一次成功，半大樣與前期室內(nèi)小樣完全一致，基本性能差別不大，而采用大樣灰配制 g/cm3密度水泥漿從在實(shí)驗(yàn)室條件下實(shí)驗(yàn)情況來(lái)看，高密度灰樣降 g/cm3流變 性能上有較大的改善，對(duì)高密度體系而言，水灰比的增加對(duì)沉降穩(wěn)定性影響較大，但從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，常溫配制后水泥漿靜置 2小時(shí)后上下密度差僅為 g/cm3，在允許范圍之內(nèi)。 表 3 5 序號(hào) 密度 流變參數(shù) API失水 稠化時(shí)間 沉降穩(wěn)定性 抗壓強(qiáng)度 流動(dòng)度 配方1 2.75g/cm3 常溫：/289/203/115/16/13 32ml 235min 75 ℃/48h MPa 22cm 93 ℃ ：/224/164/95/12/9 配方2 2.75g/cm3 常溫：/265/183/105/9/7 36ml 233min 75 ℃/48h Pa 23cm 93 ℃ ：/225/148/75/6/4 附： 配方 1 ：夾江 JJG+105%加重鐵粉 +45%氧化赤鐵礦 +90%超細(xì)鐵礦粉 +3%增強(qiáng)劑 +6%降失水劑 DZJY+2%分散劑 DZS+1%緩凝劑 DZHO+75%H2O 配方 2 ： 夾江 JJG+110%加重鐵粉 Fe+45%氧化赤鐵礦 +90%超細(xì)鐵礦粉 +3%增強(qiáng)劑 + 6%降失水劑 DZJY+ 2%分散劑 DZS+1%緩凝劑 DZHO+78%H2O 實(shí)驗(yàn)條件： 96℃ 94MPa60min 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析： 經(jīng)過(guò)調(diào)整后的密度為 ，配方 2 是嘗試增加水灰比改善流動(dòng)性能的嘗試，從結(jié)果上看水灰比增加了同時(shí)相應(yīng)地也必須加大加重材料的用量，與配方 1相比雖然在流動(dòng)性能上要好，但在沉降穩(wěn)定性和強(qiáng)度方面都要差些，因此 還是優(yōu)先采用配方 1后在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中調(diào)整。 后從灰罐車中上下兩點(diǎn)取樣，測(cè)試密度差，檢驗(yàn)大樣灰樣的沉降穩(wěn)定性。 分析認(rèn)為第一次試配沒(méi)有達(dá)到目的主要原因是加重水泥氣化不夠，導(dǎo)致高比重的加重材料吹不出來(lái)，且加重材料混配時(shí)沒(méi)有考慮袋裝加重材料的計(jì)量損耗，水泥漿半大樣密度也與室內(nèi) 小樣配方密度有些差距。 試混配結(jié)果： 水泥車上顯示最高密度為 ，但泵車接近嗆死，地面測(cè)量最高 g/cm3。 取混好的大樣灰進(jìn)行室內(nèi)復(fù)核實(shí)驗(yàn)，具體加量如下所示 西南石油大學(xué)工程碩士研究生學(xué)位論文 25 表 3 3現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)配方 項(xiàng)目 大樣灰 降失水劑 % 分散劑 % 緩凝劑 % 水 % 加量 1000g(含 400g 純水泥 ) 6 75 注：水樣為實(shí)驗(yàn)室自來(lái)水，大樣灰（取自 153基地灰罐）所有相關(guān)實(shí)驗(yàn)材料均取自固井 153基地，所有的加量均為純水泥的質(zhì)量百分比 實(shí)驗(yàn)考察結(jié)果如下： 密度： 流動(dòng)度：大于 22cm API失水： 34ml 自由水： % 常溫流變性（六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)讀值）： //285/155/16/10 高溫（ 93℃ )流變性（六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)讀值）： //235/130/13/8 沉降穩(wěn)定性： g/cm3 頂部強(qiáng)度 70℃ 48h= 稠化時(shí)間：初稠： 20BC， 242min/80BC ，稠化曲線，見(jiàn)圖 3 2 圖 3 2 半大樣稠化時(shí)間曲線（ ， 96℃ 94MPa 60min） 由于混灰密度未達(dá)到設(shè)計(jì)密度，室內(nèi)通過(guò)減少水灰比進(jìn)行了調(diào)整實(shí)驗(yàn)，配方如下： 表 3 4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)配方 項(xiàng)目 大樣灰 降失水劑 ,% 分散劑 ,% 緩凝劑 ,% 水 ,% 加量 1000g(含 400g 純水泥 ) 6 70 實(shí)驗(yàn)考察結(jié)果如下： 超高密度水泥漿 體系室內(nèi)研究及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用 26 密度： 流動(dòng)度： 21cm API失水： 30ml 自由水： % 常溫流變性（六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)讀值）： ///191/16/10 高溫（ 93℃ )流變性（六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)讀值）： //243/128/11/8 沉降穩(wěn)定性： g/cm3 頂部強(qiáng)度 70℃ 48h= 稠化時(shí)間：初稠： 25BC， 232min/80BC 圖 3 3 半大樣稠化時(shí)間曲線（ ， 96℃ 94MPa 60min） 大樣灰混配取了兩個(gè)點(diǎn)密度均為 ，與理論密度 ，分析主要原因認(rèn)為，由于加重材料均為袋裝，廠家在重量上與標(biāo)示有所差距，現(xiàn)場(chǎng)混灰確實(shí)沒(méi)考慮存在此類問(wèn)題，并沒(méi)有進(jìn)行附加，這樣就造成整體上加重材料加量不足，密度沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)值。考察配方如下表所示。對(duì)分散劑 DZS 和緩凝劑 DZH1 的效果進(jìn)行了考察，并對(duì)高密度水泥石在高溫高壓條件下的強(qiáng)度發(fā)展進(jìn)行了研究，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，液態(tài)分散劑 DZS對(duì)高固相的水泥漿分散效果不佳，應(yīng)改用固態(tài)分散劑效果更好。室內(nèi)主要進(jìn)行了 g/cm3～ g/cm3密度范圍的超高密度水泥漿性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)。由立體幾何可得到2級(jí)小球的半徑 r2與大球半徑 r1的關(guān)系，如 圖 2 3所示。 = 1 =PVF ? ??絕 對(duì) 體 積 / 堆 積 體 積 干 混 材 料 孔 隙 度 堆 積 密 度 / 絕 對(duì) 密 度 完全相同的球形顆粒最完美的堆積方式為正六角形堆積，其 PVF 可達(dá) 。理論上講，級(jí)配數(shù)越多，排列越緊密，則體系粘度越低。因此實(shí)踐中不可能分出那么多粒級(jí)來(lái)，且由于顆粒形狀不規(guī)則，級(jí)配數(shù) n太大時(shí)，干涉作用明顯。? = %，對(duì)應(yīng)固相顆粒的體積分?jǐn)?shù) V0 分別為 %和 %。后來(lái)提出了一些半經(jīng)驗(yàn)法 [46]，對(duì)理想模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚耘c實(shí)際情況有較大差異。由此可能造成配制的水泥漿性能達(dá)不到要求。另外，在國(guó)際投標(biāo)中，為了簡(jiǎn)便，一般很少準(zhǔn)備水泥干混裝置，而且國(guó)外對(duì)環(huán)保要求也較高，加重劑干混非常困難，因此研制一套簡(jiǎn)便的車載干混裝置非常必要。 羅宇維，張光超固井工程要求水泥漿具有良好的動(dòng)態(tài)特性和靜態(tài)特性。該體系適用溫度達(dá) 150℃；失水可控制在50mL以下；流變性好，漿體穩(wěn)定，上下密度差小于 ；強(qiáng)度發(fā)展迅速，在井下循環(huán)溫度下 24h后的抗壓強(qiáng)度大于 14MPa。 土水泥漿技術(shù) 科威特 4724～6096 侏羅系、三疊系、二疊系 190 ～ 235（ BHCT） — 高溫高壓地層、大尺寸的套管、油基泥漿、高含量的CO2/H2S，窄地層 /破裂壓力窗口 改進(jìn)的隔離液技術(shù)、合成的緩凝劑、降失水劑和防氣竄劑，自研的細(xì)粒度加重劑、使用高溫高壓流變儀等手段 沙特阿拉伯Ghawar油藏 3048～3352 83～ 124 很高的地層壓力，泥漿密度高（ ～）、窄安全窗口密度 (地層孔隙壓力至地層破裂壓力 ) 使用基于優(yōu) 化堆積體積分?jǐn)?shù)的高密度高性能水泥漿體系(HDHPS) 意大利北部 5382