第19卷 第2期1997年 5月
西南石油学院学报
JournalofSouthwestPetroleumInstitute
Vol.19 No.2May 1997
硅灰耐高温低密度水泥浆的研究
廖刚 陈大钧
(化学工程系)
摘要 用硅灰作高温稳定剂,漂珠为减轻剂,与G113水泥浆的特点是:①密度低,用水量小;②变性好,能满足施工工艺的要求;③℃3强度达
12MPa。,;热稳定性;固井 6Ξ
前 言
在稠油的开采过程中,注入地层的过热蒸气温度高达300℃以上。在如此高的温度下,
普通硅酸盐油井水泥的强度会急剧衰退,结果水泥石变疏松,强度大幅度下降,不能有效地封隔地层,层间流体互相窜通,注蒸汽时井口冒气,缩短了油井的寿命,降低生产效率和采收率。因此,稠油热采井需用耐高温的水泥浆进行封固。在水泥中加入硅粉(石英砂)可有效
2]
地提高水泥石的热稳定性[1、,用加硅粉的正常密度耐高温水泥浆进行固井施工已在国内各油田得到应用。
但由于一般稠油井深度较浅,且随稠油的不断开采,地层压力较低,用正常密度的水泥浆固井,容易造成地层漏失,水泥浆返不出地面,达不到全井封固的目的。同时水泥浆密度过高,还将引起地层伤害,降低产能。因此,油田迫切需要耐高温的低度水泥
浆。目前能耐300℃高温的低密度水泥浆还未见报导。文中阐述用硅灰和漂珠配制出能承受350℃高温且在低温下各性能均满足施工要求的低密度水泥浆。
1 硅灰及其作用机理
硅灰是冶炼硅铁合金或硅金属过程中得到的副产品,是以SiO2为主要成份的比表面极大、活性很高的硅质材料。硅灰又叫微硅、硅尘、硅雾、超细硅粉、活性二氧化硅等,在1983年的蒙特贝洛国际工业副产品综合利用会议后,统一命名为硅灰(Silicafume)。硅灰的工业利用始于六十年代,当时用作水泥外掺料的主要目的是为了节约水泥,后来发现掺入硅灰可改善水泥的特性,因此引起了人们的极大兴趣。目有,硅灰在国外已得到较为广泛的利用。在国内,随着硅铁工业的发展和硅灰回收技术的提高,硅灰的应用也逐渐增多,其作为油井
4]
水泥的减轻剂以及用以提高油井水泥的热稳定性已见报导[3、。
Ξ1996—09—17收稿
廖刚,男,1954年生,讲师,现从事教学和采油化学剂方面的研究工作
硅灰能提高油井水泥的热稳定性是由于硅灰含有85%以上的SiO2,它的加入改变了水泥的C/S比,使水泥的水化产物C—S—H的组成和结构发生了变化。实验证明[5],在硅灰的存在下,C3S粒子周围存在着三层不同C/S的C—S—H疑胶,最内层C/S为115左右,最外层C/S小于1。C/S不同,产物的结构不同,其性能也不相同。Eilers等人[6]认为,在加入硅灰的水泥中,随加量和环境温度不同,可得到一系列热稳定性好、强度高、渗透率低的水化产物。当硅灰加量在35%左右,水泥体系C/S接近于1时,如温度高于120℃,主要形成雪硅钙石,当温度高于150℃时,则主要形成硬硅钙石和少量白钙沸石,它们在400℃以内均稳定存在。除此之外,产物中少量白钙镁沸石,针钠钙石、片柱钙石等对水泥的热稳定性也有一定作用,因此提高了水泥的耐高温性能。
2 实验部分
(1)材料
嘉华G,1
2图(2)试验步骤将水泥、漂珠、硅灰按不同比例配制成一定密度的水泥浆,成型后,首先在高温高压下考察其热稳定性,选择热稳定性好的配方,再调整其低温性能,使其满足施工要求,最后再在高温下检验,确定出好的配方。
图1 硅灰的粒度分布
表1 漂珠的化学组成
组分含量%
SiO255～65
Al2O325～35
Fe2O33～5
CaO1～3
MgO
烧失量
表2 硅灰的化学组成
组分
SiO2
Al2O30112
Fe2O30155
CaO3192
MgO0165
Na0185
K0.34
P0.13
S0.01
C0.01
烧失量
1.55
含量%89107
3 结果与讨论
3.1 耐高温低密度水泥浆的基础配方
实验证明,用漂珠作减轻剂可减少低密度水泥浆的用水量,并且漂珠对水泥石的热稳定性无明显不良影响。但用不同比例的各个组分和水固比都可配制同一密度的水泥浆。硅灰或硅粉的加量在35%左右,水泥浆的热稳定性最好[7],因此将硅灰加量控制在35%左右。水泥浆中用水量越小,对水泥石的热稳定性越有利,因此在满足浆体流变性的前提下
,尽量
降低水固化。通过反复试验,得到表3所示几个基本配方。
表3 耐高温低密度水泥浆的基础配方
编号
1234密度
11601.501.501.51水泥
[1**********]0硅灰
35303540漂珠
10151515水固化
01580.650.650.653.2 基础配方水泥浆的热稳定性
该水泥浆的主要组分是水泥、漂珠和硅灰,它们的比例。,,加入少量其它,。所得115的水泥浆的热稳定性。从表中数据可以看出,随硅灰加量增大,,4#配方硅灰加量40%,热稳定性最好,达1317MPa。5#配方密度为114,漂珠和水的比例都较高,高温强度只有412MPa。
表4 基础配方水泥浆的热稳定性
编号强度(MPa)
2816
31017
41317
5412
养护条件 60℃、常压2天,300℃、18MPa3天
3.3 水泥浆的低温性能
作为实用型耐高温低密度水泥浆,除能耐高温外,还应在低温下满足施工的要求。根据辽河油田的具体情况,对耐高温低密度水泥浆的要求是:
密度
滤失量(45℃,7MPa,30min)流动度
45℃,常压2天强度
300—350℃,20MPa,72小时强度
1145—1155g/cm320cm>1010MPa>810MPa
将前述水泥浆加入适量外加剂进行调整,得到水泥浆的低温性能如表5所示。从表5数据可知,在45℃下,密度为116的水泥浆强度易达到施工要求,但该水泥浆密度偏高,因此其它性能未作进一步调试。密度为115的2#浆,在高温下强度最低,调整低温性能无意义。3#、4#浆,在60℃下强度还较高,但在45℃下强度均小于10MPa,凝结时间也较长,并有随硅灰加量增大性能变差的趋势。当在水泥浆中加入适量分散剂,早强剂等外加剂后,在45℃下,包括密度为114的水泥浆,其强度、滤失量、流动度、流变性等均满足施工
要求,且浆体稳定,析水为零。在表4中,硅灰加量为40%的4#配方热稳定性最好。为进一步考察其对水泥石热定性的影响,将硅灰加量提高到45%,即表5中6#配方,调配后的低温性能仍符合要求。
表5 水泥浆的低温性能
编号
1
密度
1.60
温度℃
4560
早强剂
%
凝结时间初凝 终凝
6:50 1:106:00 1:007:30 1:104:40 06506:30 1:004:30 0:40
强度(MPa)
1天 2天612 13137.0 16.34.9.88.718.14608.1 17.44.3 11.17.5 15.0
流动度
cm2124523.5222322
———
3
31.50454560
——
344
41.51456
51
45
(表中各配方均加有分散剂和降失水剂)
编号
3456
失水(ml)
7MPa,30min
[1**********]0
析水
%0000
稠化时间(min)
45℃,15MPa
流变性
第19卷 第2期1997年 5月
西南石油学院学报
JournalofSouthwestPetroleumInstitute
Vol.19 No.2May 1997
硅灰耐高温低密度水泥浆的研究
廖刚 陈大钧
(化学工程系)
摘要 用硅灰作高温稳定剂,漂珠为减轻剂,与G113水泥浆的特点是:①密度低,用水量小;②变性好,能满足施工工艺的要求;③℃3强度达
12MPa。,;热稳定性;固井 6Ξ
前 言
在稠油的开采过程中,注入地层的过热蒸气温度高达300℃以上。在如此高的温度下,
普通硅酸盐油井水泥的强度会急剧衰退,结果水泥石变疏松,强度大幅度下降,不能有效地封隔地层,层间流体互相窜通,注蒸汽时井口冒气,缩短了油井的寿命,降低生产效率和采收率。因此,稠油热采井需用耐高温的水泥浆进行封固。在水泥中加入硅粉(石英砂)可有效
2]
地提高水泥石的热稳定性[1、,用加硅粉的正常密度耐高温水泥浆进行固井施工已在国内各油田得到应用。
但由于一般稠油井深度较浅,且随稠油的不断开采,地层压力较低,用正常密度的水泥浆固井,容易造成地层漏失,水泥浆返不出地面,达不到全井封固的目的。同时水泥浆密度过高,还将引起地层伤害,降低产能。因此,油田迫切需要耐高温的低度水泥
浆。目前能耐300℃高温的低密度水泥浆还未见报导。文中阐述用硅灰和漂珠配制出能承受350℃高温且在低温下各性能均满足施工要求的低密度水泥浆。
1 硅灰及其作用机理
硅灰是冶炼硅铁合金或硅金属过程中得到的副产品,是以SiO2为主要成份的比表面极大、活性很高的硅质材料。硅灰又叫微硅、硅尘、硅雾、超细硅粉、活性二氧化硅等,在1983年的蒙特贝洛国际工业副产品综合利用会议后,统一命名为硅灰(Silicafume)。硅灰的工业利用始于六十年代,当时用作水泥外掺料的主要目的是为了节约水泥,后来发现掺入硅灰可改善水泥的特性,因此引起了人们的极大兴趣。目有,硅灰在国外已得到较为广泛的利用。在国内,随着硅铁工业的发展和硅灰回收技术的提高,硅灰的应用也逐渐增多,其作为油井
4]
水泥的减轻剂以及用以提高油井水泥的热稳定性已见报导[3、。
Ξ1996—09—17收稿
廖刚,男,1954年生,讲师,现从事教学和采油化学剂方面的研究工作
硅灰能提高油井水泥的热稳定性是由于硅灰含有85%以上的SiO2,它的加入改变了水泥的C/S比,使水泥的水化产物C—S—H的组成和结构发生了变化。实验证明[5],在硅灰的存在下,C3S粒子周围存在着三层不同C/S的C—S—H疑胶,最内层C/S为115左右,最外层C/S小于1。C/S不同,产物的结构不同,其性能也不相同。Eilers等人[6]认为,在加入硅灰的水泥中,随加量和环境温度不同,可得到一系列热稳定性好、强度高、渗透率低的水化产物。当硅灰加量在35%左右,水泥体系C/S接近于1时,如温度高于120℃,主要形成雪硅钙石,当温度高于150℃时,则主要形成硬硅钙石和少量白钙沸石,它们在400℃以内均稳定存在。除此之外,产物中少量白钙镁沸石,针钠钙石、片柱钙石等对水泥的热稳定性也有一定作用,因此提高了水泥的耐高温性能。
2 实验部分
(1)材料
嘉华G,1
2图(2)试验步骤将水泥、漂珠、硅灰按不同比例配制成一定密度的水泥浆,成型后,首先在高温高压下考察其热稳定性,选择热稳定性好的配方,再调整其低温性能,使其满足施工要求,最后再在高温下检验,确定出好的配方。
图1 硅灰的粒度分布
表1 漂珠的化学组成
组分含量%
SiO255～65
Al2O325～35
Fe2O33～5
CaO1～3
MgO
烧失量
表2 硅灰的化学组成
组分
SiO2
Al2O30112
Fe2O30155
CaO3192
MgO0165
Na0185
K0.34
P0.13
S0.01
C0.01
烧失量
1.55
含量%89107
3 结果与讨论
3.1 耐高温低密度水泥浆的基础配方
实验证明,用漂珠作减轻剂可减少低密度水泥浆的用水量,并且漂珠对水泥石的热稳定性无明显不良影响。但用不同比例的各个组分和水固比都可配制同一密度的水泥浆。硅灰或硅粉的加量在35%左右,水泥浆的热稳定性最好[7],因此将硅灰加量控制在35%左右。水泥浆中用水量越小,对水泥石的热稳定性越有利,因此在满足浆体流变性的前提下
,尽量
降低水固化。通过反复试验,得到表3所示几个基本配方。
表3 耐高温低密度水泥浆的基础配方
编号
1234密度
11601.501.501.51水泥
[1**********]0硅灰
35303540漂珠
10151515水固化
01580.650.650.653.2 基础配方水泥浆的热稳定性
该水泥浆的主要组分是水泥、漂珠和硅灰,它们的比例。,,加入少量其它,。所得115的水泥浆的热稳定性。从表中数据可以看出,随硅灰加量增大,,4#配方硅灰加量40%,热稳定性最好,达1317MPa。5#配方密度为114,漂珠和水的比例都较高,高温强度只有412MPa。
表4 基础配方水泥浆的热稳定性
编号强度(MPa)
2816
31017
41317
5412
养护条件 60℃、常压2天,300℃、18MPa3天
3.3 水泥浆的低温性能
作为实用型耐高温低密度水泥浆,除能耐高温外,还应在低温下满足施工的要求。根据辽河油田的具体情况,对耐高温低密度水泥浆的要求是:
密度
滤失量(45℃,7MPa,30min)流动度
45℃,常压2天强度
300—350℃,20MPa,72小时强度
1145—1155g/cm320cm>1010MPa>810MPa
将前述水泥浆加入适量外加剂进行调整,得到水泥浆的低温性能如表5所示。从表5数据可知,在45℃下,密度为116的水泥浆强度易达到施工要求,但该水泥浆密度偏高,因此其它性能未作进一步调试。密度为115的2#浆,在高温下强度最低,调整低温性能无意义。3#、4#浆,在60℃下强度还较高,但在45℃下强度均小于10MPa,凝结时间也较长,并有随硅灰加量增大性能变差的趋势。当在水泥浆中加入适量分散剂,早强剂等外加剂后,在45℃下,包括密度为114的水泥浆,其强度、滤失量、流动度、流变性等均满足施工
要求,且浆体稳定,析水为零。在表4中,硅灰加量为40%的4#配方热稳定性最好。为进一步考察其对水泥石热定性的影响,将硅灰加量提高到45%,即表5中6#配方,调配后的低温性能仍符合要求。
表5 水泥浆的低温性能
编号
1
密度
1.60
温度℃
4560
早强剂
%
凝结时间初凝 终凝
6:50 1:106:00 1:007:30 1:104:40 06506:30 1:004:30 0:40
强度(MPa)
1天 2天612 13137.0 16.34.9.88.718.14608.1 17.44.3 11.17.5 15.0
流动度
cm2124523.5222322
———
3
31.50454560
——
344
41.51456
51
45
(表中各配方均加有分散剂和降失水剂)
编号
3456
失水(ml)
7MPa,30min
[1**********]0
析水
%0000
稠化时间(min)
45℃,15MPa
流变性