在四川、新疆、中原等区域, 高密度水泥浆应用于固井作业已进行过较多的现场实践。近年来, 固井经常遇到高孔隙压力、井壁不稳定和塑性流动地层以及盐膏层等复杂地层条件, 都要借助高液柱压力予以控制, 因而要提高水泥浆密度。配制高密度核心必须进行加重, 本文开展了加重材料优选研究。
1 理论依据
一般使用的加重方法主要用单一粒度加重剂进行混配, 这样配置的高密度水泥浆其密度不可能达到2.8g/cm3, 同时水泥浆性能也较差。为了配置更高密度水泥浆, 笔者结合紧密堆积理论, 创造性的使用不同粒度加重材料, 研究出性能好、效益好、易于推广的高密度水泥浆体系。
(1) 颗粒级配众所周知, 粒径相同的颗粒进行混配, 颗粒与颗粒间必然存在间隙, 而这种间隙很大程度上影响到了颗粒填充率, 若要实现最大限度的减小空隙, 结合紧密堆积理论, 需要选用不同的颗粒进行级配。这里我们可以利用到堆积体积百分比 (PVF) , 他指的是非空隙与总体积之比, 即使用容器的实际体积与容器自身体积的比值, 是衡量填冲率大小的重要指标。一般认为, 同一颗粒的PVF为0.64。而本文采用的颗粒级配理论, 利用不同颗粒进行最大限度填充, PVF可接近于1。前人研究认为:在混配过程中, 将细颗粒和粗颗粒频率分布曲线按照2个及其以上高峰组成, 单独的高峰宽度越窄, 实际的PVF值越大, 更容易接近于1。
(2) 紧密堆积如前所述, 根据紧密堆积理论和颗粒级配技术对颗粒进行配置的技术简称为PSD技术。将相对更细的颗粒填充于原有未充填空隙中, 从而提高颗粒之间所谓的范德华力。利用不同的颗粒进行合理的搭配, 能最终实现增加充填空间的目的, 从而有利于更高密度水泥浆的配制, 直接减少自由水的含量大小。而该技术所用到的理论正是基于紧密堆积原理和PVF最大化原理所提出的, 利用不同的颗粒加重材料进行颗粒级配, 让配制水泥浆的单位体积内固相颗粒/含量增加, 降低水灰比, 可最大限度的提高水泥石抗压强度, 然后降低水泥石的孔隙度与渗透率, 实现高密度水泥浆的配制同时还增加其强度、优化其性能。
(3) 孔隙度变化分析进行颗粒级配时, 孔隙度是在变化的, 为了准确的研究孔隙度变化规律, 相关学者引入了次级粒度小球来开展级配。具体分析如下:首先将4个一级颗粒小球构成一空隙空间, 规则是所形成的空隙能填入最大的次级小球与一级粒径小球可以相切, 次级小球球心处于4个大球所构成四面体的几何中心处, 该四面体的中心和顶点之间的距离为大球于小球的半径之和, 很显然, 次级小球半径r1很容易求出。可以看出增加小球以后, 实际的颗粒体积成为Vb+Vbr1。若相同级别大小的颗粒为圆形且大小也一致, 同时需要达到一定密实状态方可实现, 而实际上不同颗粒材料在一定程度上是按照统计规律进行分布的。一般情况下, 水泥在松散状态时其堆积比例最多为45%, 而利用次级粒度小球理论进行空隙的最大填充, 其效果非常明显。
2 水泥浆加重材料的优选
(1) 加重剂材料选择国内外目前的水泥加重剂材料一般为铁粉、钛铁矿石、赤铁矿石、Micromax (氧化锰加重材料) 、重晶石等, 其中尤以重晶石最为普遍, 笔者根据前有理论, 对这些加重材料在G级水泥中分别进行水泥浆加重试验。实验结果可知:重晶石密度低, 只有4.2~4.6g/cm3, 提高水泥浆的密度有限且增稠现象明显, 不选用;钛铁矿密度也较低, 提高水泥浆密度有限, 不选用;赤铁矿为具有金属光泽的黑色粉末, 密度4.8~5.2g/cm3, 在加工较细 (500目以上) 时呈红色, 加量较大时增粘效果明显, 因此也不选用;Micromax是比较理想的加重材料, 但是目前国内无法生产, 只能从国外进口, 价格非常昂贵, 即使其作为加重剂使用, 浆体性能最为理想, 但也很难推广应用;结合实际情况, 多方面进行考虑, 本次决定使用自身密度相对较高的还原铁粉作为配制超高密度水泥浆体系的加重剂。
(2) 还原铁粉相关参数确定作为加重材料的还原铁粉, 其颗粒呈形状不规则的多棱角体。使用这种还原铁粉, 往往水泥浆的流变性能较差, 笔者通过使用专用设备将不规则形状的还原铁粉进行磨圆处理。处理后的还原铁粉对水泥浆流变性有重要的影响, 其可以减少流动阻力, 有利于实施提供顶替效率的工艺技术措施。磨圆后的还原铁粉对水泥浆的流动度及流变性有明显的改善。
粒径分布优化理论表明:至少选取3种不同粒径的加重材料进行级配, 不断调整固相粒径分布, 才能形成自由水少、低粘度和胶凝强度的水泥浆。室内优选了不同目数比重为7.50g/cm3黑色颗粒状的还原铁粉, 对不同级别的还原铁粉, 利用激光粒度仪开展颗粒分析, 实测其颗粒粒径。研究表明:G级水泥颗粒大小为20~100μm的占到60%~70%以上。100目还原铁粉的同级粒度 (20~150μm) 达80%以上。为实现颗粒级配, 选用了颗粒粒度较粗的与水泥相近的100目还原铁粉作为主要加重剂。根据超高密度水泥浆加重剂粒径和加量优化模型的计算, 计算出理想模型下合理的二级填充颗粒的粒度约为30μm左右, 500目还原铁粉的粒度与要求比较接近, 因此选用100目和500目还原铁粉进行主要粒度级配。
摘要：加重剂的选择是超高密度水泥浆体系研究的首要内容, 以紧密堆积理论为基础, 开展了加重材料优选研究, 综合分析认为还原铁粉具有较好的加重效果。
关键词：加重剂,还原铁粉,紧密堆积,超高密度
参考文献
[1] 黄柏宗.紧密堆积理论的微观机理及模型设计[J].石油钻探技术, 2007, 35 (1) :5-12.
[2] 李坤, 徐孝思, 黄柏宗.紧密堆积优化水泥浆体系的优势与应用[J].钻井液与完井液, 2002, 19 (1) :1-6.