G級油井水泥性能的主要影響因素探討

范吉寶

（新疆屯河水泥有限責(zé)任公司技術(shù)中心，昌吉市831100）

0 前言

G級油井水泥作為一種適應(yīng)性廣泛的專用油井水泥，其使用環(huán)境非常復(fù)雜，變化條件很多，因此更要求所生產(chǎn)的水泥產(chǎn)品在主要的理化性能上保持穩(wěn)定。在此，對我廠近幾年來G級油井水泥研發(fā)及生產(chǎn)過程中積累的大量生產(chǎn)臺帳數(shù)據(jù)，進行整理分析，逐一探討關(guān)于水泥各主要礦物、水泥粉磨細度和SO3含量等因素與油井水泥四大物理性能指標(biāo)的相互之間的影響關(guān)系。首先考察某一個因素的影響時，假定其它因素均相對為一定值，只有這一個因素發(fā)生變化，那么通過其變化情況的分析認識其對油井水泥的影響規(guī)律性。

1 石膏摻量的影響

為了考察石膏摻量對油井水泥性能的影響，我們按不同SO3含量變化的情況在正常生產(chǎn)的水泥檢驗臺帳中選擇相關(guān)樣本，具體影響情況見表1。

表1 石膏摻量對G級油井水泥性能指標(biāo)的影響

從表1中不難看出，隨著水泥中SO3含量逐步增大，水泥漿的游離水、15～30min初始稠度及稠化時間均無明顯的變化，也即它們與SO3含量多少的相關(guān)性不明顯，唯有8h抗壓強度值有顯著增加，這表明石膏摻量對水泥抗壓強度的影響更為顯著，也即8h抗壓強度與SO3含量是呈正相關(guān)性，因此在實際生產(chǎn)中也可以用8h抗壓強度的高低作為判斷和確定G級油井水泥適宜石膏摻量的依據(jù)之一。

2 比表面積的影響

在水泥粉磨作業(yè)中，確定合理的水泥粉磨細度或比表面積，對于保證油井水泥的強度等性能指標(biāo)和控制生產(chǎn)成本都十分重要。因此水泥比表面積是其重要的物性指標(biāo)之一。表2所列數(shù)據(jù)為不同比表面積的油井水泥試樣與其主要性能的關(guān)系。由表2可以看出，游離水含量、稠化時間是隨水泥比表面積的增加而減小，15～30min初始稠度和8h抗壓強度則隨比表面積的增加而增大。這是在礦物組成和三氧化硫含量相對穩(wěn)定的情況下得出的，顯然這說明比表面積越大，水泥額粒越細，相對的需水量和水化速度會明顯加大，從而造成以上的結(jié)果，由此表明G級油井水泥的四大物性指標(biāo)：游離水、15～30min稠度、稠化時間、8h抗壓強度都與比表面積有顯著的相關(guān)性，但是各指標(biāo)并不都是呈正相關(guān)，故在實際生產(chǎn)中應(yīng)控制合適的比表面積，不能為了追求某項指標(biāo)而過分增大或減小水泥的比表面積。

表2 比表面積摻量對G級油井水泥性能指標(biāo)的影響

3 鋁酸三鈣的影響

熟料各主要礦物中，鋁酸三鈣（C3A）的水化反應(yīng)迅速，放熱多，凝結(jié)很快，但它的抗硫酸鹽性能差，C3A含量的高低對G級油井水泥的耐久性和抗硫酸鹽性均有明顯的不利影響。從表3看出，當(dāng)試樣的C3A超過5.0%和低于2.0%時，水泥稠化時間均小于90min，初始稠度均大于20BC，理化性能呈現(xiàn)變劣的趨勢，但是C3A含量對游離水無明顯影響，反而對8h抗壓強度有促進作用。另外，鋁酸鹽化合物在影響水泥漿體的流變性質(zhì)[1]和凝結(jié)中居第一位。C3A的水化導(dǎo)致觸變性的發(fā)展，它同時受石膏和表面活性劑存在的影響。如表3中8號試樣，其C3A =5.06%，盡管SO3=2.32%，但二者并不匹配，從而使其初始稠度為28.82 BC，稠化時間為82min（已不符合國標(biāo)要求），稠度也即將超出國標(biāo)要求（小于30 BC）。因此可以說8號樣的15～30min初始稠度與稠化時間異常是C3A含量過高所致，這樣將導(dǎo)致G級油井水泥出現(xiàn)不合格品，不能進行正常固井作業(yè)，一般油田進行固井作業(yè)時，需將水泥漿用泵從套管中打入，這要求水泥漿在泵送的一段時間內(nèi)稠度很小，有良好的可泵性，而當(dāng)固井作業(yè)完成后水泥漿樣體能較快凝結(jié)并產(chǎn)生一定強度。據(jù)此，油田上較理想的G級油井水泥稠化曲線如圖1中曲線1，它在較長時間內(nèi)保持稠度基本不變，當(dāng)?shù)侥骋粫r刻時水泥漿很快失去可塑性并具有一定強度。而曲線2的變化就不理想，表現(xiàn)為稠度曲線的異樣，它反映水泥漿泵送的過程中稠度越來越大，可泵性越來越差，嚴(yán)重時會失去可泵性而造成油井報廢。因此，要生產(chǎn)高品質(zhì)的G級油井水泥，就必須嚴(yán)格控制C3A含量范圍，過高或過低均不妥。

圖1 C3A含量對稠化時間的影響

表3 C3A含量對G級油井水泥性能指標(biāo)的影響

4 硅酸三鈣的影響

C3S是硅酸鹽水泥熟料的主要礦物，含量占到50%～65%，C3S水化較快，早期強度高，從表4可見，游離水隨C3S含量的增加而減小，為負相關(guān)關(guān)系；8h抗壓強度隨C3S含量的增加而明顯增大，為正相關(guān)關(guān)系；C3S對15～30min初始稠度、稠化時間的影響無規(guī)律性。當(dāng)C3S含量＞60%時，稠化時間不符合國標(biāo)對G級油井水泥的規(guī)定，產(chǎn)生不合格水泥；同時水化時要析出較多的Ca(OH)2，又會造成抗硫酸鹽性能差，因而G級油井水泥中C3S含量不可過高。C3S對游離水和8h抗壓強度的影響是一對矛盾，C3S含量過低，8h抗壓強度降低，過高時，游離水含量過大，都會使G級油井水泥不符合規(guī)定[2]。另外，由于C3S水化最初階段的水化數(shù)量與正常加石膏緩凝劑的波特蘭水泥中C3S水化量相比并不見得少太多，C3S本身的凝結(jié)時間和波特蘭水泥凝結(jié)時間很接近，從而在一定程度上，C3S又是決定G級油井水泥15～30min初始稠化時間的因素。這也就是GB10238-2005標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定C3S含量上下限的主要原因。

表4 C3S含量對G級油井水泥性能指標(biāo)的影響

5 鐵鋁酸四鈣的影響

C4AF的水化速率在早期介于C3S與C3A之間，但隨后的發(fā)展不如C3S。它的強度早期類似于C3A，而后期還能不斷增加，類似于C2S。C4AF抗硫酸鹽侵蝕性能強，國標(biāo)規(guī)定G級油井水泥分為中抗硫酸鹽型和高抗硫酸鹽型，生產(chǎn)高抗硫酸鹽型比生產(chǎn)中抗硫酸鹽型對鋁氧率A/F控制較低，其目的是用C4AF來代替C3A，也就是降低C3A含量相應(yīng)提高C4AF含量，就能在提高水泥抗硫酸鹽性能的同時，還保證有足夠的熔劑礦物[3]，有利于煅燒。

從表5可以看出，隨含量增加，C4AF對游離水、稠化時間、38℃下8h抗壓強度影響不顯著，唯有15～30min初始稠度、60℃下8h抗壓強度隨C4AF含量增加而顯著降低，為負相關(guān)關(guān)系。當(dāng)C4AF＞16%時，稠化時間減小并趨近于國標(biāo)規(guī)定的下限指標(biāo)90min，8h抗壓強度亦有降低趨勢。故GB10238-2005不但規(guī)定了G級油井水泥中C3A含量的上限值，而且也規(guī)定了C4AF（C4AF+2C3A）的上限值。

表5 C4AF含量對G級油井水泥性能指標(biāo)的影響

6 堿含量的影響

堿含量：R2O=0.658K2O+Na2O，R2O含量對G級油井水泥性能指標(biāo)的影響見表6。

從表6可看出，在SO3、比表面積、礦物組成等相對穩(wěn)定的情況下，堿含量的變化[4][5]對游離水、稠化時間無顯著影響；只有15～30min初始稠度隨堿含量的增加而減少，呈負相關(guān)性，8h抗壓強度隨堿含量增加而提高，但養(yǎng)護溫度60℃下的8h抗壓強度提高不明顯。通常熟料中的微量堿對熟料性能并不造成多少危害，這從表6可以看出。相反，它能降低最低共熔溫度，降低燒成溫度增加液相量，有利于固相反應(yīng)的進行。但是當(dāng)油井水泥固井后，水泥中較大含量的堿能和活性集料發(fā)生堿—集料反應(yīng)產(chǎn)生局部混凝土膨脹，引起變形開裂，使油井發(fā)生井漏，嚴(yán)重時可使該井報廢。

7 氧化鎂的影響（表7）

從熟料的煅燒方面看，熟料中的少量MgO能降低燒成溫度，增加液相量，降低液相粘度，有利于C3S的形成。同時有一部分MgO與熟料礦物發(fā)生固熔，最大溶解量可達2%，含量過大則以游離方鎂石存在，影響水泥安定性，用于固井作業(yè)會降低油田的使用壽命[6]。

表6 R2O含量對G級油井水泥性能指標(biāo)的影響

表7 MgO含量對G級油井水泥性能指標(biāo)的影響

表7中，MgO的高低對15～30min初始稠度、8h抗壓強度無顯著影響，但游離水、稠化時間隨著MgO增加而減小。我廠在實際生產(chǎn)時一般使MgO應(yīng)控制在1.70%～2.30%之間。

8 燒失量的影響

從表8可看出，燒失量對游離水、15～30min初始稠度、60℃下8h抗壓強度無顯著影響，只有稠化時間隨著燒失量增加而增長，38℃下8h抗壓強度隨著燒失量增加而減小。我廠一般控制在1%左右時各項物性指標(biāo)比較合理。

G級油井水泥之所以規(guī)定了燒失量＜3.0%，是以油井水泥的高溫高壓的使用條件為依據(jù)的，在高溫高壓條件下，燒失量大的水泥易揮發(fā)。使水泥石疏松多孔，降低抗?jié)B、抗蝕性，對強度亦有一定影響。

表8 燒失量對G級油井水泥性能指標(biāo)的影響

9 結(jié)束語

通過對我公司近幾年來G級油井水泥研發(fā)及生產(chǎn)過程中積累的大量生產(chǎn)臺帳數(shù)據(jù)，進行整理分析，逐一探討關(guān)于水泥各主要礦物、水泥粉磨細度和SO3含量等因素與油井水泥四大物理性能指標(biāo)的相互之間的影響關(guān)系。以探求在我廠長期穩(wěn)定生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)G級油井水泥的最優(yōu)化學(xué)組成和最佳粉磨工藝控制參數(shù),從而對油井水泥的生產(chǎn)提供指導(dǎo)依據(jù)。為我公司生產(chǎn)合格、穩(wěn)定、適合油田的油井水泥提供了保障，從而提升我公司產(chǎn)品的市場競爭力。

[1]Lance.E.Method of Reducing Fluid Loss in Cement Compositions.U.S.Patent No.4806164 1989.

[2]成稀,吳兆琦.特種水泥的生產(chǎn)及應(yīng)用.北京:中國建筑工業(yè)出版社,1994.

[3]汪瀾.水泥工程師手冊.北京:中國建筑工業(yè)出版社, 2002.

[4]郭道源.堿在硅酸鹽水泥生產(chǎn)中的影響.水泥學(xué)術(shù)會議論文集.中國建筑出版社,1983.5.

[5]繆沾,向超等.低堿水泥開發(fā)研究.云南省技術(shù)創(chuàng)新基金項目申請材料.云南省建材科研設(shè)計院,2001.8.

[6]王鈴,田培.低堿水泥對堿-集料反應(yīng)的抑制作用.中國建材科技.1998，（5）：13～15.