一種球型飛灰對(duì)油井水泥性能的影響

項(xiàng)先忠 王學(xué)春 趙勝緒 符軍放

(中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)研究院，河北 燕郊 065201)

0 引言

飛灰又稱(chēng)粉煤灰或煙灰，由燃料燃燒所產(chǎn)生煙氣灰分中的細(xì)微固體顆粒物。如燃煤電廠或鋼鐵廠從煙道氣體中收集的細(xì)灰。飛灰主要物相是玻璃體，占50～80%；所含晶體礦物主要有：莫來(lái)石、α-石英、方解石、赤鐵礦等。

作為外摻料時(shí)，粉煤灰主要通過(guò)“形態(tài)效應(yīng)、微集料效應(yīng)和火山灰效應(yīng)”在基體中發(fā)揮作用。本文考察的球形飛灰具有更好的形貌和尺寸分布，相比普通粉煤灰和超細(xì)粉煤灰具有更優(yōu)異的“形態(tài)效應(yīng)、微集料效應(yīng)和火山灰效應(yīng)”。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

G 級(jí)油井水泥(山東)；球形飛灰(QFH)、800目硅粉PC-C88、降失水劑PC-G80L、防竄劑GR7、分散劑F45L、緩凝劑H40L、抗高溫衰退劑PC-C88、消泡劑PC-X60L、分散劑PC-F45L、PC-G712L(天津中海油服化學(xué)公司)。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

TG-3060 型水泥漿恒速攪拌器(沈陽(yáng)泰格石油儀器設(shè)備制造公司)；8040 型常壓稠化儀、3500LS型六速旋轉(zhuǎn)黏度儀(美國(guó)Chandler公司)；OWC-118D型循環(huán)水強(qiáng)度養(yǎng)護(hù)箱(沈陽(yáng)航空航天大學(xué))。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

水泥漿的配制按照GB/T 19139—2003“油井水泥實(shí)驗(yàn)方法”進(jìn)行；抗壓強(qiáng)度測(cè)試按照GB/T 1346—89進(jìn)行，試樣尺寸為5.08 cm×5.08 cm×5.08 cm。

油井水泥常用中低溫配方A：800gSD“G”水泥+314.6g F“W”淡水+28gG712降失水劑+10gF45L分散劑+2.4gX60消泡劑。

油井水泥常用高溫配方B：600gSD“G”水泥+210gPC-C88硅粉+314.6g F“W”淡水+28gG712降失水劑+10gF45L分散劑+2.4gX60消泡劑。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 QFH不同加量對(duì)配方A、B流變影響

考察在常用中低溫配方A和高溫配方B基礎(chǔ)上添加不同量QFH后對(duì)水泥漿流變性能的影響，加入QFH百分比為占混灰質(zhì)量的百分比，對(duì)于配方A和B，隨著球形飛灰QFH加量增大，水泥漿密度逐漸增大，在未加入鐵礦粉的情況下密度可達(dá)2.02 g/cm3，同時(shí)固相體積分?jǐn)?shù)提高10%以上，固相體積分?jǐn)?shù)提高有利于降低水泥漿的孔隙率并在一定程度上抑制水泥石高溫衰退。隨QFH加量增大，流變讀數(shù)有所增加，但仍能滿足施工要求。較常用粉煤灰和微硅等添加劑，QFH在如此高的固相體積分?jǐn)?shù)下，仍有較好的流變性，這說(shuō)明球形飛灰加入到水泥漿后，由于其顆粒間的滾珠潤(rùn)滑作用，提高了水泥漿的流動(dòng)度，能更好的發(fā)揮QFH的形態(tài)效應(yīng)和微集料效應(yīng)，提高水泥石的強(qiáng)度和密實(shí)性。

由此可見(jiàn)，球形飛灰對(duì)水泥漿流變影響較小，在構(gòu)建較高密度水泥漿和提高水泥漿密實(shí)度方面有積極的作用。

2.2 QFH不同加量對(duì)水泥漿抗壓強(qiáng)度影響

考察在配方A、B基礎(chǔ)上加入不同量的QFH對(duì)水泥石抗壓強(qiáng)度的影響，選用配方中A～A4進(jìn)行配漿并在35℃、60℃和90℃水浴養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)，選用配方中B～B4進(jìn)行配漿在150℃高溫高壓水浴養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)。

對(duì)于一般的粉煤灰等火山灰材料由于水硬化性較弱，需要水和Ca(OH)2反應(yīng)來(lái)形成C-S-H凝膠。所以加入粉煤灰將導(dǎo)致水泥石硬化和強(qiáng)度發(fā)育延緩，加入粉煤灰后的“稀釋效應(yīng)”更有可能導(dǎo)致水泥石強(qiáng)度下降，一般需要堿性物質(zhì)和其它激活劑激活。粉煤灰對(duì)水泥石抗壓強(qiáng)度的影響主要取決于其微集料效應(yīng)和火山灰效應(yīng)。對(duì)于配方A，在35℃養(yǎng)護(hù)24h后，水泥石抗壓強(qiáng)度為14.8MPa，隨QFH加量增大，強(qiáng)度逐漸增大。QFH加量為50%時(shí)，水泥石抗壓強(qiáng)度提高了約47%。水泥石強(qiáng)度的大幅增加主要是由于固相含量的增加提高了水泥石的密實(shí)度，由于其球形形貌和較小的粒徑，玻璃體含量較高，火山灰活性更容易激發(fā)，即使在較低的溫度下也能提高水泥石抗壓強(qiáng)度。60℃和90℃條件下，水泥石抗壓強(qiáng)度變化趨勢(shì)也同35℃，隨QFH加量增大而增大，增幅更明顯，這是因?yàn)闇囟仍黾?，QFH火山灰活性增加，更易被激發(fā)，有利于抗壓強(qiáng)度增加。

隨QFH加量增加，水泥石抗壓強(qiáng)度大幅度增加，QFH加量為50%時(shí)，抗壓強(qiáng)度提高了約185%。這說(shuō)明球形飛灰在高溫下能更好的被激發(fā)，提供更高的火山灰活性，大幅度增加水泥石強(qiáng)度和密實(shí)度。以上結(jié)果說(shuō)明在構(gòu)建較高密度水泥漿和中低溫、高溫條件下，QFH有較好的應(yīng)用前景。

3 結(jié)論

(1)球形飛灰QFH在提高水泥漿密度和固相體積分?jǐn)?shù)的同時(shí)對(duì)水泥漿流變影響小，可以在常用配方的基礎(chǔ)上直接加入球形飛灰QFH，流變?nèi)阅軌驖M足現(xiàn)場(chǎng)需求。

(2)在35℃、60℃、90℃和150℃溫度下，隨著球形飛灰QFH加量增加，水泥石抗壓強(qiáng)度均有明顯提高。

(3)用球形飛灰QFH構(gòu)建1.50g/cm3水泥漿配方失水量、游離液和流變性滿足現(xiàn)場(chǎng)施工要求，1.90g/cm3水泥漿配方強(qiáng)度較油井水泥常用高溫配方強(qiáng)度提高約66%，工程性能良好，稠化時(shí)間可調(diào)，可滿足不同井況的施工要求。