【正文】 飽和鹽水所配的漿體各階段的抗壓強(qiáng)度仍然低于其它含鹽量的水泥漿抗壓強(qiáng)度。含 10%鹽的水泥漿抗壓強(qiáng)度 14 天達(dá)到峰值 MPa，強(qiáng)度增長(zhǎng)速度為、強(qiáng)度最低值為 。 0510152025300 10 20 30時(shí)間（D）抗壓強(qiáng)度（MPa）淡水水泥石含5%鹽水泥石含10%鹽水泥石含18%鹽水泥石含36%鹽水泥石 圖 32 90℃鹽水浸泡不同含鹽量（鐵礦粉）水泥石抗壓強(qiáng)度 從圖 32 中，可以清晰地看出：隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，不同含鹽量水泥漿的抗壓強(qiáng)度都有一個(gè)上升過程然后逐漸降低，但是淡水水泥漿一 直處于遞增狀態(tài)。 設(shè)抗壓強(qiáng)度為 t 時(shí)間、 T 溫度、 P 壓力的函數(shù)。 從圖中看出淡水水泥漿抗壓強(qiáng)度幾乎處于直線遞增的狀態(tài)。含鹽10%水泥漿初始抗壓強(qiáng)度 90℃時(shí)最高，峰值 90℃時(shí)最大，第 28 天 130℃時(shí)強(qiáng)度最低。由于溫度高于 110℃強(qiáng)度衰退幅度很大，所以本章在高溫 130℃養(yǎng)護(hù)過程中采用加砂和不加砂兩種技術(shù)措施，以研究鹽水和淡水水泥漿的抗壓強(qiáng)度發(fā)展變化規(guī)律。圖 2 29 是未受腐蝕的凈漿水泥石微觀結(jié)構(gòu)特征圖 [15]。 AFt： C3A+3CSH2+26H→ C6AS3H32 (25) AFm： C6AS3H32+C3A+4H→ 4C3ASH12 (26) 對(duì)于這種理論也 提出了 2 種假說： 一種是 離子交換假說 ，另一種是 吸收沉淀假說 [15]。膠凝材料中的 C3A跟 水反應(yīng)生成水化鋁酸化合物，如 C4AH13，及其衍生物。 CaCl2 機(jī)理分析 氯離子對(duì)水泥石晶體結(jié)構(gòu)的影響 氯離子 主要以 兩種存在形式 存在于在水泥石中 ：一 種 是 以 游 離 狀態(tài)存在水泥石孔隙溶液中 ；西南石油大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 13 二是 與水泥中的物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或結(jié)合，成為水泥石中的一部分 。含 10%鹽的水泥漿抗壓強(qiáng)度 7 天達(dá)到峰值 MPa，強(qiáng)度增長(zhǎng)速度為 、強(qiáng)度最低值為 。 將 用鐵礦粉 配制好的淡水、含 5%鹽量、含 10%鹽量、含 18%鹽量及飽和鹽水的水泥漿進(jìn)行50℃水浴養(yǎng)護(hù)，測(cè)其抗壓強(qiáng) 度如表 22。使用飽和鹽水水泥漿施工、配漿較為復(fù)雜，但成功實(shí)例也多。 因此，有必要 對(duì)不同含鹽量的水泥漿抗壓強(qiáng)度作一定研究，弄清強(qiáng)度變化規(guī)律，為現(xiàn)場(chǎng)鹽水 水泥漿鹽含量的選擇提供便利。 自 70 年代以來，人們?cè)谝恢毖芯亢褪褂酶吆}水泥漿或飽和鹽水水泥漿封固鹽層，以抑制或防止鹽巖的溶解。試驗(yàn)用 A 級(jí)水泥，用標(biāo)準(zhǔn)海水配漿，密度為 。 ②水泥漿的凝固時(shí)間大大推遲，稠化時(shí)間難以調(diào)節(jié)，特別是在加有降失水劑和降摩阻劑的情況下。 1982 年， Ford 等人提出一種折衷的方法， 即采用 18%（ BWOW） NaCl 半飽和鹽水水泥漿體系，并對(duì)套管施加拉應(yīng)力來提高固井施工的成功率。因 圖 12 氯化鈉對(duì)含有一種降失水劑 圖 13 氯化鈉對(duì)含有降失水劑和分 的 G 級(jí)水泥 漿稠 化 時(shí)間的影響 散劑的 G 級(jí)水泥漿稠化時(shí)間的影響 此，當(dāng)鹽在后期溶解在水泥漿中時(shí)，能顯著地減少鹽的緩 凝作用。 Western 公司在注水泥手冊(cè)中，就明確提出，穿過鹽層注水泥宜采用加入 3%KCI（ BWOW）和纖維素降失水劑的水泥漿。經(jīng)調(diào)查研究和試驗(yàn)結(jié)果表明，無鹽水泥漿雖然要溶解地層中的鹽，但是，除了非常厚的鹽層或水泥漿流經(jīng)長(zhǎng)距離的環(huán)空外，水泥漿的最終食鹽量將遠(yuǎn)遠(yuǎn)地低于 20%（ BWOW）， 所以在巨大的鹽層構(gòu)造中，在很長(zhǎng)的環(huán)空內(nèi)，水泥漿也不會(huì)失控。當(dāng)水泥漿的氯離子濃度與地層不 相匹配時(shí)，水泥石的長(zhǎng)期穩(wěn)定性產(chǎn)生明顯衰退，失去平衡會(huì)導(dǎo)致離子擴(kuò)散，并且水泥膠結(jié)面會(huì)出現(xiàn)破裂。 如果 沒特殊說明，在固井中使用的鹽水水泥漿或飽和鹽水水泥漿，都是用食鹽配制的。 本文 考察 了 不同鹽濃度 高密度水泥漿 在低溫 50℃和中溫 90℃ 條件下， 水泥石的 抗壓 強(qiáng)度 發(fā)展 規(guī)律。 泥巖和頁巖地層固井 [4] 使用鹽水 水泥漿的最大益處在于鹽對(duì)粘土礦物，諸如蒙脫石、伊利石、綠泥石和高嶺土等的保護(hù)作用，而這些礦物恰恰又是鉆井經(jīng)常遇到的水敏性頁巖和泥巖的主要成分。這是由于鹽巖的高度水溶性和可塑性所致。 （ 2）塑性鹽層。而用飽和鹽水水泥漿固井，易發(fā)生套管損壞事故。將水泥漿 A 和水泥漿 B分別按 CEMSET 試驗(yàn)和 API 規(guī)范測(cè)出初凝時(shí)間、終凝時(shí)間和稠化時(shí)間隨含鹽量的變化情況。 此外， Rac 和 Broun（ 1988 年）發(fā)現(xiàn)，被只 有 10%的鹽污染的淡水水泥漿，其稠化時(shí)間縮短30%，粘度提高 100%，而失水量提高近 500%。 ⑥高含鹽水泥漿與某些地層不相容，比如堿金屬要與二氧化硅發(fā)生反應(yīng)，生成可膨脹的堿性硅酸鹽，從而破壞地層，甚至破壞水泥本身。結(jié)果表明，在 38℃下，淡水水泥漿 48h 的剪切固結(jié)強(qiáng)度是 。 這里 以兩個(gè) 油田為例來分別論述 ： 1 江漢油田鹽層固井技術(shù) [37] 江漢油田屬于內(nèi)陸鹽湖沉積相斷塊油田 ， 潛江凹陷鹽巖 的 分布面積達(dá) 200km2。然而，對(duì)于外部鹽影響含鹽水泥石的強(qiáng)度研究相對(duì)較少。 鹽濃度對(duì)中低溫高密度水泥石抗壓強(qiáng)度的影響 鐵礦粉 配 研究采取單一變量的原則， 在相同水泥量、相同加重劑量、相同外加劑量的情況下，只改變水中含鹽量的高低 來 分析和比較固化后的抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律。含10%鹽的水泥漿抗壓強(qiáng)度 28 天達(dá)到峰值 MPa，強(qiáng)度增長(zhǎng)速度為 、強(qiáng)度最低值為 。 表 24 50℃不同含鹽量（重晶石）水泥漿抗壓強(qiáng)度 時(shí) 間（ D） 強(qiáng) 度（ Mpa) 1 2 7 14 21 28 35 42 淡 水 高密度含鹽水泥漿體系抗壓強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律研究 12 含 5% 鹽 含 10% 鹽 含 18% 鹽 12 飽和鹽水 0 其水泥漿配方為： 350gG 級(jí)水泥 +200ml 溶液 +140g重晶石 +2%G33S 為便于分析研究，將表 24 中 1 到 42 天抗壓強(qiáng)度隨時(shí)間的變化規(guī)律表示成曲線繪于圖 24中。在 常 溫條件下，含 有 C3A (其化學(xué)式為 3CaO （ 1） Cl與 C3A 直接反應(yīng)生成的 Friedel 鹽 C3S 水化產(chǎn)生 物 CH 與 Cl反應(yīng)生成 CaCl2， 生成的 CaCl2 再與 C3A 水化反應(yīng)生成 Friedel鹽。 假如 溶液中 有氯離子， 氯離子就會(huì)與 C3A 反應(yīng)生成 F 鹽。 這樣 Na+就 必須被清除出孔溶液 以保持電平衡， 如被固相 CSH 凝膠 所 吸附等。m)， 伴隨著 有層柱狀結(jié)構(gòu) [15]。含 5%鹽的水泥漿抗壓強(qiáng)度隨時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸減小， 28 天的西南石油大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 17 抗壓強(qiáng)度 值為 。飽和鹽水水泥漿在高溫養(yǎng)護(hù)下，抗壓強(qiáng)度衰退最為劇烈。 H2O]。 （ 2）在高溫 130℃條件下，加砂對(duì)淡水水泥漿抗壓強(qiáng)度有很好的提高；對(duì)含鹽水泥漿抗壓強(qiáng)度也有一定的改善作用，后期強(qiáng)度值較高。飽和鹽水水泥漿抗壓強(qiáng)度 14 天達(dá) 到峰值 ，強(qiáng)度增長(zhǎng)速度為 、強(qiáng)度最低值為 。結(jié)果顯示，在淡水浸泡下，不同含鹽量的水泥漿抗壓強(qiáng)度略有降低。 表 34 90℃淡水浸泡下不同含鹽量（重晶石）水泥石抗壓強(qiáng)度 時(shí) 間（ D） 強(qiáng) 度（ Mpa) 1 7 14 21 28 淡 水 含 5% 鹽 含 10% 鹽 含 18% 鹽 飽和鹽水 為便于分析研究，將表 34 中 1 到 28 天抗壓強(qiáng)度隨時(shí)間的變化規(guī)律表示成曲線繪于圖 35中。含 5%鹽的水泥漿抗壓強(qiáng)度 28 天達(dá)到峰值 MPa，強(qiáng)度增長(zhǎng)速度為 、強(qiáng)度最低值為 。 水泥漿配方： 350gG 級(jí)水泥 +200ml溶液 +115g鐵礦粉 +2%G33S 將用鐵礦粉配制好的淡水、含 5%鹽量、含 10%鹽量、含 18%鹽量及飽和鹽水的水泥漿進(jìn)行90℃水浴養(yǎng)護(hù)，待起強(qiáng)度之后將其置于淡水中，測(cè)其抗壓強(qiáng)度如表 31。因此，本章實(shí)驗(yàn)以飽和鹽水浸泡水泥石來模擬水泥環(huán)在鹽層中的情況，從而研究其西南石油大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 21 抗壓強(qiáng)度的發(fā)展規(guī)律。 在加砂情況下， 130℃養(yǎng)護(hù)的水泥石的抗壓強(qiáng)度有一定的改善。 05101520250 10 20 30時(shí)間（D）抗壓強(qiáng)度（MPa）淡水含鹽5%含鹽10%含鹽18%含鹽36% 圖 214 130℃不同含鹽量加砂水泥漿抗壓強(qiáng)度趨勢(shì)圖 從圖 214 中，可以清晰地看出：淡水水泥漿抗壓強(qiáng)度一直處于遞增狀態(tài)第 28 天強(qiáng)度值為。 將表 2 22 及 25 的數(shù)據(jù)繪于圖 213 中，圖為不同溫度、不同時(shí) 間、不同含鹽量水泥漿抗壓強(qiáng)度三維曲線圖。 （ 2）淡水、含鹽 5%、含鹽 10%的水泥漿較含鹽 18%和飽和鹽水水泥漿有很快的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)速度，且強(qiáng)度峰值和最低抗壓強(qiáng)度也相對(duì)較高。 Cl離子也 可以置換出 C4AH13 內(nèi)層的氫氧根，生成 F 鹽。m，分部 較密集，可明顯辨別 (如圖 2 2 27) [15]。 32H2O (23) C3A+3CaC12+10H20→ 3CaO普通硅酸鹽水泥主要由 :Si02， A1203，CaO， Fe2O3， S03 這 5種成分所組成 。飽和鹽水水泥漿抗壓強(qiáng)度 35 天達(dá)到峰值 ，強(qiáng)度增長(zhǎng)速度為 、強(qiáng)度最低值 為 。 將用重晶石配制好的淡水、含 5%鹽量、含 10%鹽量、含 18%鹽量及飽和鹽水的水泥漿進(jìn)行90℃水浴養(yǎng)護(hù)，測(cè)其抗壓強(qiáng) 度如表 23。含 5%鹽的水泥漿抗壓強(qiáng)度 2天達(dá)到峰值 MPa，強(qiáng)度增長(zhǎng)速度為 、 強(qiáng)度最低值為 。 研究的技術(shù)路線及思路 本文自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，對(duì)含鹽濃度、養(yǎng)護(hù)溫度、 內(nèi)摻鹽與外部鹽影響 等因素進(jìn)行研究分析，找出 各種因素對(duì)高密度 水泥石抗壓強(qiáng)度發(fā)展的影響 。 從 1997 到 1999 年 間 ， 該地區(qū)固井施工成功率 只有 %。這說明低排量未必能 防止大量的鹽溶解。 原中國(guó)石油天然氣總公司頒布的“ 固 井技術(shù)規(guī)定”中，對(duì)鹽巖層固井作了如下規(guī)定，凡有較厚層的鹽巖層、鉀鹽層或石膏鹽層固井應(yīng)做到； ①配漿水加鹽量至飽和，達(dá)到結(jié)晶鹽開始沉降，其密 度在 ； ②控制飽和鹽水水泥漿密度在 g/cm3 之間； ③飽和鹽水水泥漿注水泥，宜使用油基隔離液，而水泥漿返高至少超過鹽巖層頂部150200m。保護(hù)地層完整，并在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)度，防止套管被擠壓變形。而且水泥漿 B的稠化時(shí)間比半靜態(tài) CEMSET 凝固時(shí)間短得多。之所以選擇 5%作為初始含鹽量，旨在防止鹽產(chǎn)生進(jìn)一步的促凝影響。還應(yīng)該注意的是，如果該地區(qū)的鹽巖蠕動(dòng)不足以閉合初凝后由于鹽的溶解而造成的微環(huán)隙，應(yīng)考慮使用飽和鹽水水泥漿。而用飽和鹽水配制的水泥漿，事故率 為 20%。 對(duì)粘土地層，在試驗(yàn)了浸入不同含鹽量水泥漿之后，從外觀的完整性發(fā)現(xiàn)，飽和鹽水配制的水泥漿與含有蒙脫石、伊 利 石和綠泥石的地層最配伍。 通過對(duì)常規(guī)加重劑與特殊加重劑抗壓強(qiáng)度規(guī)律的比較，說明能夠配制超高密度 g/cm3 以上的 密度 為 g/cm3 的 特殊 加重劑 性能 比 常規(guī)加重劑 要好 。結(jié)果顯示，水泥漿自身含鹽量是影響水泥石強(qiáng)度的主要因素，外來源鹽對(duì)強(qiáng)度影響甚微。 然 而鹽就能改善水泥與水敏性砂巖、頁巖層的膠結(jié)強(qiáng)度，阻止流體進(jìn)入頁巖地層。據(jù)介紹，這種水泥漿已成功地應(yīng)用于 Williston 盆地，沒有發(fā)現(xiàn)套管擠毀現(xiàn)象。而加入 5%的 NaCl之后，在注水泥過程中，溶解進(jìn)入的鹽，僅僅造成這種水泥漿緩凝或保持原稠化時(shí)間不變，益于施工，但是一定要使用飽和鹽水基的前置液。在常壓稠化儀中攪拌， 1h 后額外的鹽就溶解而進(jìn)入水泥漿中。由圖 12 還可看出，其分散劑除了起很大的緩凝作用外，它的凝固特性與僅含降失水劑的水泥漿 A并沒有根本性的區(qū)別。 自 70 年代以來，人們?cè)谝恢毖芯亢褪褂酶吆}水泥漿或飽和鹽水水泥漿封固鹽 層，以抑制或防止鹽巖的溶解。然而，這些外加劑會(huì)影響水泥的水化過程。 1987 年， Drecq 將三個(gè)尺寸相同的 NaCl鹽塊沉人含鹽量不同的水泥漿中，在溫度 60℃和輕微攪動(dòng)下，經(jīng)過 60min 發(fā)現(xiàn)，除用飽和鹽水配制的水泥漿外，其它的都被明顯地溶蝕。 2 吐哈油田鹽層固井技術(shù) 吐哈油田的鹽膏層集中分布在神泉、雁林西、勝南構(gòu)造的第三系、白堊系地層 ， 其 鉆井液礦化度在 14000~16000mg/L 之間 ， 由于鹽膏層的蠕變和礦物特征 ， 嚴(yán)重影響 著 固井施工的安全和固井質(zhì)量。 （ 3）研究不同加重劑配制高密度鹽水水泥石后期抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律，了解加重劑在鹽水環(huán)境下是否會(huì)發(fā)生機(jī)械性能的變化 ，從而影響水泥石的抗壓強(qiáng)度。 淡水水泥漿抗壓強(qiáng)度 14 天達(dá)到峰值 ， 強(qiáng)度增長(zhǎng)速度為 、強(qiáng)度 最低值為 MPa。因此，本節(jié)采用重晶石粉加重，配制與 節(jié)相同密度的水泥漿，以分析其加重劑類型所帶來的差異。含 18%鹽的水泥漿抗壓強(qiáng)度 14天達(dá)到峰值 MPa，強(qiáng)度增長(zhǎng)速度為 、強(qiáng)度最低值為 。 早在 1962年， 就報(bào)道了水泥石中水化產(chǎn)物結(jié)合氯離子性能的情況，但對(duì)于水泥結(jié)合氯化物能力的深入研究還