一種大比重充填固井用水泥砂漿的研制與應(yīng)用

魏紅兵，付新鵬，亓燕秋

（中煤特殊鑿井有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230001）

1 概 述

為提高壁后充填層的強(qiáng)度和密實(shí)度，降低井壁產(chǎn)生破壞的危險(xiǎn)性，加大井筒長(zhǎng)期使用的安全性，試驗(yàn)研制出一種加入特殊添加劑的水泥砂漿代替原有的壁后充填材料，彌補(bǔ)原材料充填飽和度的不足[2]。

2 水泥砂漿試驗(yàn)

2.1 水泥砂漿試驗(yàn)備料

作為壁后充填材料的水泥砂漿的主要原材料為：水泥（P.O 42.5）、粉煤灰、黃砂及泵送劑。砂過細(xì)，混凝土用水量將會(huì)加大，強(qiáng)度降低，容易起砂、開裂；砂過粗，混凝土容易泌水，粘聚性差。試驗(yàn)中要選擇砂的骨料形態(tài)及3個(gè)特征分量，即角狀（angularity）、表面粗糙度（surface texture）、整體形態(tài)（shape）較好的。有角狀的砂能夠與水泥漿有較好的咬合力，顆粒的移動(dòng)需要克服相互之間的阻力；有一定表面粗糙的砂能夠的與水泥漿結(jié)合起來；整體形狀是橢圓形的砂能有較好的和易性。故，3種特征分量均較好的中粗砂是水泥砂漿配制中的首選。

2.2 水泥砂漿物理性能試驗(yàn)

試驗(yàn)時(shí)配制了4種類別的水泥砂漿（KB、SR、SB及ZB）分別進(jìn)行了試驗(yàn)，測(cè)出4種類別的水泥砂漿的初凝、終凝時(shí)間、新拌比重、塌落度、擴(kuò)展度、結(jié)實(shí)率等，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

通過表1的對(duì)比，選擇SR類型水泥砂漿作為砂選擇試驗(yàn)的水泥漿，進(jìn)行流變性及泌水性試驗(yàn)，將1#和2#不同顆粒形態(tài)的砂加入水泥漿后比重、流動(dòng)時(shí)間、30min泌水情況及率數(shù)據(jù)見表2。

流變性及泌水性 表2

從表2中可以看出：3個(gè)特征分量較好的砂是對(duì)水泥砂漿的比重、結(jié)實(shí)率及泌水時(shí)間等有較大的影響。

2.3 水泥砂漿力學(xué)性能試驗(yàn)

1#和2#形態(tài)的砂加入水泥漿后3d抗折強(qiáng)度和3d抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)見表3。

水泥砂漿的力學(xué)性能 表3

從表3中可以看出：2#形態(tài)砂顆粒級(jí)配較好，其配制的水泥砂漿的3d抗折強(qiáng)度和3d抗壓強(qiáng)度較1#形態(tài)砂的高。

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從表1～3中可以看出：SR型摻和級(jí)配較好的中粗砂的水泥砂漿的強(qiáng)度、塌落度、擴(kuò)展度及結(jié)實(shí)率符合要求，且其比重（2.10～23）g/cm3大于水泥漿比重（1.65g/cm3～1.75g/cm3），充填材料的比重越大，置換泥漿時(shí)的擴(kuò)散角就越大，充填質(zhì)量越好。

2.4 水泥砂漿泵送試驗(yàn)

經(jīng)過反復(fù)的試驗(yàn)最終確定水泥砂漿建議配合比為：水泥：粉煤灰：砂：水=1：0.2：1.5：0.35，泵送劑摻量為膠凝材料總量的1.2%。試驗(yàn)材料為：P.O42.5水泥，中砂，粉煤灰，泵送劑。泵送試驗(yàn)設(shè)備為：1套HZS40攪拌站，1臺(tái)HBT60G混凝土輸送泵，4根 Φ125mm、L=3m的輸送泵專用管，錐形管（Φ175→Φ150mm、Φ150→Φ125mm）各1根，Φ108×6mm外注漿管累長(zhǎng)55m。試驗(yàn)過程如下。

①HBT60G輸送泵的輸出口與錐形管連接，錐形管與Φ12mm管連接，Φ108mm管通過法蘭盤變徑的方式與Φ12mm管連接，Φ108管之間用法蘭盤連接。管路總長(zhǎng)約70m。

②先泵送清水，檢查管路的密封和暢通并濕潤(rùn)管路。按配合比報(bào)告進(jìn)行配料攪拌，經(jīng)過60s攪拌的砂漿；用塌落度筒測(cè)量砂漿塌落度，3次測(cè)量結(jié)果：270mm、270mm、285mm，取均值后砂漿的塌落度值為275mm。

四種試驗(yàn)類別的水泥砂漿數(shù)據(jù)分析表表1

③啟動(dòng)HBT60G輸送泵，開始緩緩泵送砂漿，3min后在Φ108mm管出口處有砂漿流出，再經(jīng)2min的正常頻率（24次/min）泵送，此時(shí)輸送泵的泵送壓力勻速增長(zhǎng)至5MPa后停止增長(zhǎng)，此時(shí)Φ108mm管出口處有砂漿流動(dòng)正常。

④繼續(xù)攪拌砂漿并泵送，HBT60G泵運(yùn)轉(zhuǎn)正常，Φ108mm管中砂漿正常向前蠕動(dòng)，Φ108mm管出口處砂漿量正常。

⑤選取4個(gè)點(diǎn)用卷尺量取砂漿的擴(kuò)散尺寸為5000mm～5500mm。

泵送試驗(yàn)結(jié)論如下：

①設(shè)備的實(shí)際生產(chǎn)能力和工程實(shí)際需求有差別，需要選擇與實(shí)際施工能力匹配的攪拌，泵送設(shè)備；

②砂漿（水泥砂漿建議配合比為：水泥：粉煤灰：砂：水=1：0.2：1.5：0.35）擴(kuò)散在地面上的擴(kuò)散程度達(dá)到了預(yù)期效果，滿足實(shí)際施工對(duì)砂漿的流變性需求，可用于充填固井。

3 工程驗(yàn)證

采用研制的大比重的水泥砂漿充填材料對(duì)信湖煤礦風(fēng)井鉆井井筒壁后進(jìn)行固井充填。水泥：粉煤灰：砂：水=1：0.2：1.5：0.35，泵送劑摻量為膠凝材料總量的1.2%。拌合砂漿的材料：含泥量低和細(xì)度模數(shù)在2.6～2.9的中粗砂、P.O42.5普通硅酸鹽水泥、I級(jí)粉煤灰、ZF系列泵送劑。

3.1 充填設(shè)備及其布置

布置4座水泥砂漿“攪拌-輸送”站，5臺(tái)輸送設(shè)備采用HBT60G型混凝土輸送泵。每座攪拌站分別配套安裝1臺(tái)PL1200型一字三斗式配料機(jī)和3座容量100t水泥倉(cāng)（2座裝散水泥，1座裝粉煤灰）。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地具體狀況，2臺(tái)攪拌站布置在龍門道北側(cè)，分別距井口的距離約120m（原有施工井壁用的攪拌站）和70m。另2座攪拌站布置在龍門道南側(cè)，分別距井口約20m和30m。

地面水平輸送管路采用Φ125×4mm專用泵送鋼管，管與管之間通過專用管箍連接。井下注漿管路采用Φ108×6mm無縫鋼管，管與管之間通過帶螺紋的管箍連接。Φ108mm與Φ12mm管之間用帶K型快速接頭與Φ8mm×2SP高壓鉆探膠管柔性連接[3]。

3.2 充填固井試驗(yàn)

對(duì)信湖煤礦風(fēng)井共進(jìn)行9個(gè)段高的壁后充填固井，歷時(shí)19d，充填高度為472m。各段高的充填過程及充填用量如表4所示。

信湖煤礦風(fēng)井9個(gè)段高的壁后充填固井取得了較好的效果，固井作業(yè)過程安全順利，水泥砂漿密度控制均勻，泵送順暢，實(shí)測(cè)充填結(jié)實(shí)率為97.8%。經(jīng)壁后充填質(zhì)量檢查，成井偏值48mm，偏斜率0.102‰，有效圓直徑Ф6.91m，符合設(shè)計(jì)要求，成井質(zhì)量?jī)?yōu)良。

信湖煤礦風(fēng)井各段高壁后充填大比重水泥砂漿的量 表4

4 結(jié)論及建議

大比重充填用水泥砂漿的研制及應(yīng)用，提高了鉆井井筒壁后充填質(zhì)量、井壁耐久性、和施工的安全性，節(jié)約了建設(shè)資金。

①采用大比重填充用水泥砂漿進(jìn)行壁后充填，不僅比水泥漿與碎石間隔分段充填的充填質(zhì)量好，而且比單獨(dú)采用水泥漿充填的成本低。

②摻和級(jí)配較好的中粗砂的水泥砂漿的強(qiáng)度、塌落度、擴(kuò)展度及結(jié)實(shí)率符合要求，且其比重（2.10～23）g/cm3大于水泥漿比重（1.65g/cm3～1.75g/cm3），充填材料的比重越大，置換泥漿時(shí)的擴(kuò)散角就越大，充填質(zhì)量越好。

③采用混凝土攪拌機(jī)攪拌水泥砂漿，混凝土輸送泵輸送水泥砂漿及井下用Φ108×6mm的鋼管作注漿管的“一管一泵”制注漿工藝技術(shù)上是可行的。

④水泥砂漿的配合比：水泥：砂：粉煤灰：水=1：1.5：0.2：0.35，泵送劑摻量為膠凝材料總量的1.2%，也可根據(jù)實(shí)際進(jìn)一步調(diào)整，以適當(dāng)提高砂漿的流動(dòng)性能和延長(zhǎng)初凝時(shí)間。

[1]洪伯潛.煤礦井筒大直徑鉆井法鑿井技術(shù)[A].2006年鉆井基礎(chǔ)理論研究與前沿技術(shù)開發(fā)新進(jìn)展學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集[C].2006.

[2]嚴(yán)海兵，張成金，冷永紅.精鐵礦粉加重水泥漿體系研究與應(yīng)用[J].鉆井液與完井液，2009(6).

[3]沙林浩，高永會(huì)，燕平，等.河南油田新莊、楊樓區(qū)塊稠油熱采井固井水泥漿[J].鉆井液與完井液，2007(5).