【文章內(nèi)容簡介】 封固段德固井作業(yè)可以免除分級注水泥的麻煩。粉煤灰的使用屬于三廢利用，因此成本低廉、貨源廣，使用粉煤灰水泥具有良好的經(jīng)濟效益劑顯著的社會效益。 167。 1 低密度水泥 粉煤灰水泥 47 二、膨潤土低密度水泥 膨潤土密度為 ～ g/cm3，主要由含有粘土礦微晶的蒙脫石組成，經(jīng)干燥、磨細而成的粉狀物質(zhì)。膨潤土具有規(guī)則的層狀結構，層與層之間可以吸水 ，體積膨脹達 15倍以上，因此設計膨潤土低密度水泥漿時主要靠增大用水量來實現(xiàn)低密度。膨潤土的作用由兩個，一個是吸附水，另一個作用是靠其吸水后的自身分散，懸浮支撐沉降的水泥顆粒，保持水泥漿體系的穩(wěn)定性。從理論上講，膨潤土低密度水泥漿的設計密度可低于 g/cm3，但實際上低于這個密度，就失去了其使用價值，原因是，隨著水灰比增大，膨潤土摻量也增大，而水泥石的強度降低，滲透性增加。 167。 1 低密度水泥 膨潤土低密度水泥 48 膨潤土低密度水泥能與大多數(shù)水泥外加劑相容，但由于膨潤土具有較強的吸附性，有些外加劑可能被吸附，因此外加劑的摻量應根據(jù)需要按有關標準進行試驗后確定。由于膨潤土具有良好的保水性，添加膨潤土的水泥漿游離液及失水量減少。密度為 ～ g/cm3的膨潤土水泥漿，使用溫度范圍為 40～ 100oC，其 24h抗壓強度為 ～，膨潤土的層狀結構在溫度高于 100oC時，發(fā)生結構錯動或偏扭，強度急劇下降。 167。 1 低密度水泥 膨潤土低密度水泥 49 167。 1 低密度水泥 膨潤土低密度水泥 膨潤土是最經(jīng)濟的一種材料，可將膨潤土與水泥按比例預先干混，也可用預水化法加入到混合水中。由于其主要是靠增加用水量來降低密度的，膨潤土僅起到增加漿體的穩(wěn)定性，因此這種水泥抗壓強度較低。另外，膨潤土具有極強的吸附性，通常不采用外加劑來改善水泥漿性能。其實用溫度也有一定限制。這類水泥用于分級注水泥的領漿，作填充水泥。它具有貨源廣，成本低，使用方便等優(yōu)點。 50 三、水玻璃（液體硅酸鈉）低密度水泥 水玻璃又稱泡花堿，是一種溶于水的粘滯性溶液，其組成范圍變化較大，物理性質(zhì)取決于溶液中 SiO2與 Na2O的含量以及它們之間的比值，即模數(shù)和密度。模數(shù)就是 SiO2的摩爾數(shù)與 Na2O的摩爾數(shù)之比。 水玻璃低密度水泥也是因為水玻璃具有良好的保水性，可以增加配置水泥漿的用水量而達到降低水泥漿密度的目的。通?？山抵? g/cm3，實際上應用水泥密度約為 。水玻璃還具有促凝作用，模數(shù)高，密度小的促凝效果好。 167。 1 低密度水泥 —水玻璃低密度水泥 51 水玻璃的摻量可以增加，但會造成水泥漿稠度很高，影響流動性能。水玻璃低密度水泥的溫度范圍是 40～ 90oC，并且僅用于分級注水泥的領漿，做充填水泥。水玻璃可以直接加入混合水中混合，使用尤其方便，成本稍高于膨潤土水泥漿。水玻璃低密度水泥除了用于領漿起到降低液柱靜壓力作用外，由于水玻璃具有促凝作用，在地層發(fā)生井塌的地方，常用水玻璃配置一定密度的速凝水泥固井。對于表層套管固井，為贏得二次開鉆的時間，也常選用水玻璃低密度水泥。 167。 1 低密度水泥 —水玻璃低密度水泥 52 167。 1 低密度水泥 —微珠低密度水泥 四、微珠低密度水泥 微珠低密度水泥是由一種玻璃質(zhì)密閉的、粒細的、質(zhì)輕的、壁薄的、活性的微珠混拌進入基本水泥中構成。微珠密度僅為 g/cm3，且是封閉的內(nèi)充空氣的玻璃珠，配置水泥漿時不吸水。秩序少量的水潤濕微珠的表面，使水泥具有一定的流動性即可。因起減輕作用的主要成分是微珠而不是水，所以隨著微珠摻量的增加，可配置出一般減輕劑達不到的低密度，而且其低水灰比決定了它的高強特性，滲透性很低。 53 1. 微珠在液壓下的行為 在實驗室用高速攪拌機制水泥漿時，要損壞許多漂珠，從而提高漿體的密度。為此需用剪切速率混合器，這是無庸置疑的，其次漂珠低密度水泥漿在珠水泥施工時由于液柱壓力的作用，水泥體積有較大減縮，其原因這方面國內(nèi)外有兩種觀點，一為微珠進水說；一為微珠破碎說。 167。 1 低密度水泥 —微珠低密度水泥 54 2. 微珠水泥漿體系的穩(wěn)定性 微珠與水泥密度差異很大，分別為 g/cm3。將它們混拌在一起穩(wěn)定性較差，微珠上浮，水泥下沉。運送水泥干灰時，應特別注意，最好在現(xiàn)場重混一次，使水泥中微珠分均勻。此外減少用水量和加入適量的外加劑，使水泥和微珠形成均勻穩(wěn)定的體系。 167。 1 低密度水泥 —微珠低密度水泥 3. 微珠低密度水泥的外加劑 配制微珠低密度水泥所采用的外加劑包括：降失水劑（主要承擔控制失水，減少水泥漿的離析分析），縮短侯凝時間降低水泥漿有效密度的早強劑，消泡劑等。 55 4. 微珠低密度水泥漿性能 表 微珠低密度水泥漿的稠化性能 表 微珠低密度水泥漿的失水和強度性能 167。 1 低密度水泥 —微珠低密度水泥 56 167。 1 低密度水泥 —微珠低密度水泥 此外，耐高溫低密度水泥也越來越受到固井界的重視，即通過加石英粉提高微珠水泥中二氧化硅含量使其 C/S比接近于 1，篩除對高溫強度不利的外加劑。這類水泥在遼河高升地區(qū)廣泛應用。 57 167。 2 泡沫水泥 泡沫水泥是一種超低密度水泥。它是在水泥漿中充入氣體（氮氣或空氣），并加入表面活性劑以穩(wěn)定泡沫。 制造泡沫水泥的方法有兩種：一種是機械充氣法，這種方法可根據(jù)需要在水泥漿中充入人以設計量的氣體，并通過人工干預形成均勻細小的泡沫。但所需設備龐大，工藝設計和施工較為復雜。另一種是化學充氣法。它是利用化學劑在水泥漿中反應產(chǎn)生氮氣而形成泡沫水泥，由于發(fā)氣量較小，需要在水泥基漿中加入微珠以降低基漿密度。但無需添加任何輔助設備，設計簡單，施工方便。 泡沫水泥最突出的優(yōu)點是在較低密度的條件下，仍能保持較高的強度。前蘇聯(lián)、美國、加拿大等國的油田及一些深水區(qū)的海上油田，多次使用泡沫水泥固井，獲得了良好的效果。 58 一、泡沫水泥的基本性能 1. 泡沫水泥的穩(wěn)定性 眾所周知，泡沫液是一種熱力學不穩(wěn)定體系。泡沫破壞主要是由于泡沫的液膜排液變薄和泡沫內(nèi)氣體的擴散，以及外界對膜的擾動作用造成。 167。 2 泡沫水泥 59 1）表面張力與粘度 現(xiàn)列出幾種表面活性劑的表面張力、表面粘度和泡沫壽命的有關數(shù)據(jù)。見表 。 表 表面活性劑的張力、表面粘度和泡沫壽命 由上表可見，表面粘度比較高的體系，所形成的泡沫壽命比較長，而表面張力低的體系不一定能形成泡沫穩(wěn)定劑。 167。 2 泡沫水泥 60 2）液膜表面電性質(zhì) 離子型表面活性基的分子在泡沫中定向排列，形成擴散雙電層。當液面靠近一定程度時帶相同電荷的離子就會起排斥作用，防止液膜進一步變薄，阻礙排液進行，使泡沫穩(wěn)定。液膜雙電層受電解質(zhì)濃度影響，液膜厚度往往隨電解質(zhì)的濃度升高而變薄。 167。 2 泡沫水泥 61 3）表面活性劑結構 有利于泡沫穩(wěn)定的結構應是疏水基、直鏈且長度適中(可提高吸收率）、親水基小、非離子型的親水基表面活性劑。因此，選擇好表面活性劑，是泡沫水泥穩(wěn)定的關鍵。 一般來說，利用化學劑發(fā)氣劑制備泡沫水泥，由于發(fā)氣劑和發(fā)泡劑分別預先混勻于水泥和水中，泡沫比較均勻。如果配方合理，制備方法準確，就可以得到非常細小均勻的泡沫水泥。 167。 2 泡沫水泥 62 4）抗壓強度 泡沫水泥在不控制水的條件下，抗壓強度較高。加入降失水劑后，失水控制較好，強度降低較大（表 ）。 表 泡沫水泥的抗壓強度 167。 2 泡沫水泥 63 5）滲透率 泡沫水泥的滲透率受密度影響最大，而且是隨著密度的增加滲透率變?。患訅吼B(yǎng)護比常壓養(yǎng)護的泡沫水泥的滲透率小的多，接近于常規(guī)密度水泥石 的滲透率。這主要是因為，在加壓條件下，增加了水泥石的孔隙壓力，比常壓養(yǎng)護的水泥石結構致密，從而啊滲透率變小。泡沫水泥是一種低滲透性水泥，它可以有效的防止地層腐蝕性流體對套管的侵蝕。 167。 2 泡沫水泥 64 6）導熱性 雖然影響井內(nèi)流體熱損失的因素很多，但由于油管和套管受井深結構影響，其尺寸及鋼質(zhì)型號難于按保溫條件選取，加之管垢沉積和地層因素影響，實際上人為控制油管內(nèi)熱量損失是有限的，主要取決于： （ 1）在油管外加絕熱層；（ 2）在油管絕熱層和套管之間的環(huán)空充入空氣；（ 3）降低水泥環(huán)的導熱系數(shù)。 因此，稠油開采保溫技術應全面考慮，綜合治理，根據(jù)井況不同，使用不同重點的保溫技術。泡沫水泥導熱系數(shù)低，具有一定的保溫性能，是由于稠油井固井和開采的較好方法。 167。 2 泡沫水泥 65 二、泡沫水泥在井筒內(nèi)的密度和漿柱壓力 由于氣體的可壓縮性，泡沫水泥漿在井筒內(nèi)的不同位置，其密度是不完全相同的。即井深的增加，氣體體積不斷減少，泡沫水泥漿的密度也隨之增大。因此，采用地面泡沫水泥漿的密度乘以井深來計算漿柱壓力，將會破壞與地層壓力的平衡關系，直接影響水泥漿的封固位置和固井質(zhì)量。 167。 2 泡沫水泥 66 1. 泡沫水泥漿密度的變化 圖 泡沫水泥漿密度與井深的關系曲線 為保證泡沫水泥漿的質(zhì)量，氣體必須均勻的分布在水泥漿中，即使在上返流動時也不會出現(xiàn)滑脫現(xiàn)象。從圖 ： 167。 2 泡沫水泥 67 （ 1）泡沫水泥漿的密度隨井深的增加而急劇增大，低密度范圍所適應的井深較小。當井深超過 200m后，泡沫水泥漿的密度已接近于基漿的密度，而井深在 120m以內(nèi)，泡沫水泥漿的密度較??； （ 2）泡沫水泥漿中氣體含越多，即地面泡沫水泥漿密度和 a值愈小，適應低密度井深范圍愈大； （ 3）泡沫水泥漿返至井口時的壓力愈高，泡沫水泥漿低密度范圍適應的井深愈大。 167。 2 泡沫水泥 68 2. 泡沫水泥漿在井筒內(nèi)的漿柱壓力 表 泡沫水泥漿柱平均壓力和平均當量密度與井深關系 167。 2 泡沫水泥 69 3. 壓力對泡沫水泥漿的影響 圖 壓力對泡沫水泥漿密度的影響 當壓力增加至 2MPa以后，泡沫水泥漿的密度已接近增大至基漿的密度，而只有壓力在 ，泡沫水泥漿才能保持低密度的特性； 167。 2 泡沫水泥 70 4. 溫度對泡沫水泥漿的影響 圖 溫度對泡沫水泥漿密度的影響 由圖 ，溫度增加氣體膨脹，有利于泡沫水泥漿密度的減小，相應的提高了漿體的承壓能力。 167。 2 泡沫水泥 71 三、泡沫水泥漿固井施工工藝技術 1. 充氣泡沫水泥固井施工工藝技術 充氣泡沫水泥漿固井技術，由于采用了在地面向水泥漿中充氣，使得其施工工藝與其它固井施工方法有很大的差異，且需要很高的技術和相應的專用設備與儀器。除了常用固井設備與設施外，它還需要增加： （ 1）一套供氣源裝置以實現(xiàn)充氣； （ 2）泡沫發(fā)生器裝置使 氣體在水泥漿中達到充分的分散并形成細小的獨立氣泡； （ 3）水泥漿流動狀態(tài)的監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集和調(diào)控系統(tǒng)，以使入井的泡沫水泥漿達到設計要求； （ 4）其它如動態(tài)加堯裝置，井口控制裝置等滿足一些滿足施工的特種工具及裝置 167。 2 泡沫水泥 72 1）施工工藝方法 充氣泡沫水泥固井施工方法可以采用地面恒氣量注入，井筒水泥漿變密度方法；也可以采用地面變氣量注入，井筒水泥漿恒密度的方法，這兩種方法各有其特點。井下變密度