張景富

S形水泥漿強(qiáng)度發(fā)展曲線成因分析及消除方法

熊敏

【摘要】水泥石在高溫時(shí)會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)度衰退現(xiàn)象,添加硅粉可以防止高溫下水泥石強(qiáng)

度的衰退,但在研究和實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)添加硅粉后水泥石在高溫下還會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)度衰

退現(xiàn)象,導(dǎo)致水泥漿高溫下的超聲波強(qiáng)度發(fā)展曲線呈現(xiàn)S形.為了防止水泥石發(fā)生高

溫強(qiáng)度衰退影響固井質(zhì)量,消除S形強(qiáng)度發(fā)展曲線,利用X射線粉末衍射儀(XRD)分

別對(duì)抗高溫高密度水泥漿在強(qiáng)度發(fā)展過(guò)程中12,24,48和90h等時(shí)間點(diǎn)處的水泥

石進(jìn)行物相分析,根據(jù)物相分析結(jié)果探究S形強(qiáng)度發(fā)展曲線的成因.結(jié)果表明:水化反

應(yīng)前24h,硅粉未參與反應(yīng),且5.0％的微硅粉不足以阻止C-S-H凝膠向低強(qiáng)度-

C2SH轉(zhuǎn)變,因而水泥石出現(xiàn)高溫強(qiáng)度衰退現(xiàn)象;水化反應(yīng)24h后,硅粉開始參與水

化反應(yīng),阻止水泥石發(fā)生強(qiáng)度衰退.研究表明,硅粉活性不足是導(dǎo)致水泥漿強(qiáng)度發(fā)展曲

線呈現(xiàn)S形的原因,增大硅粉比表面積可以提高其活性,防止水泥石出現(xiàn)短暫高溫衰

退現(xiàn)象,消除S形水泥漿強(qiáng)度發(fā)展曲線.

【期刊名稱】《石油鉆探技術(shù)》

【年(卷),期】2018(046)003

【總頁(yè)數(shù)】5頁(yè)(P39-43)

【關(guān)鍵詞】固井;水泥漿;水泥漿性能;硅粉;抗壓強(qiáng)度

【作者】熊敏

【作者單位】中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)事業(yè)部,河北三河065201

【正文語(yǔ)種】中文

【中圖分類】TE256+.6

筆者在采用硅粉、氧化鐵粉和微硅粉等材料構(gòu)建高溫高密度水泥漿時(shí)，發(fā)現(xiàn)水泥漿

在井底靜止溫度為127℃時(shí)其超聲波強(qiáng)度發(fā)展曲線呈現(xiàn)S形，曲線谷底出現(xiàn)時(shí)間

約為24h。該現(xiàn)象表明水泥石發(fā)生了強(qiáng)度衰退。由于硅粉可以使水泥在高溫下生

成強(qiáng)度相對(duì)較高的托貝莫來(lái)石(C5S6H5)或硬硅鈣石(C6S6H)等物相，阻止水泥石

在高溫下發(fā)生強(qiáng)度衰退[1]，因此認(rèn)為強(qiáng)度衰退現(xiàn)象是由于硅粉加量不足造成的，

但在增大硅粉加量后，水泥石的強(qiáng)度發(fā)展曲線還是會(huì)呈現(xiàn)出不同程度的S形。固

井作業(yè)時(shí)，若水泥石強(qiáng)度發(fā)展曲線呈現(xiàn)S形，且谷底的水泥石強(qiáng)度過(guò)低，會(huì)使井

下流體發(fā)生竄流的風(fēng)險(xiǎn)增大，導(dǎo)致固井質(zhì)量較差。符軍放等人[2]研究發(fā)現(xiàn)，水泥

石高溫強(qiáng)度衰退不僅與水泥的水化產(chǎn)物有關(guān)，還與高溫養(yǎng)護(hù)過(guò)程中水泥石機(jī)體內(nèi)部

微觀結(jié)構(gòu)及其變化有關(guān)。y等人[3]在研究抗高溫高密度水泥漿過(guò)程中發(fā)

現(xiàn)氧化物類加重材料，如鐵礦粉(Fe2O3)、鈦鐵粉(FeTiO3)及氧化錳粉(Mn3O4)

在高溫下會(huì)參與水泥的水化反應(yīng)，并引起水泥石強(qiáng)度衰退。因此，筆者對(duì)S形水

泥漿超聲波強(qiáng)度發(fā)展曲線典型時(shí)間點(diǎn)處水化產(chǎn)物的物相組成進(jìn)行了分析，探究了S

形水泥漿強(qiáng)度發(fā)展曲線的成因，并提出了解決方案。

1S形水泥漿強(qiáng)度發(fā)展曲線成因分析方法

S形水泥漿強(qiáng)度發(fā)展曲線成因分析步驟：1)分析配制抗高溫高密度水泥漿所用水泥

的物相；2)測(cè)定抗高溫高密度水泥漿的強(qiáng)度發(fā)展曲線和不同養(yǎng)護(hù)齡期水泥石的強(qiáng)度；

3)分析不同養(yǎng)護(hù)齡期水泥石的物相，根據(jù)不同養(yǎng)護(hù)齡期水泥石的物相分析S形水泥

漿強(qiáng)度曲線的成因。

1.1水泥漿/水泥石強(qiáng)度測(cè)定方法

按照APIR10B規(guī)范配制抗高溫高密度水泥漿，其配方為G級(jí)水泥+0.5%PC-

X601+0.8%PC-F44S(醛酮縮合類分散劑)+4.0%PC-GR6(丁苯乳液)+0.5%PC-

H40L(AMPS共聚物類緩凝劑)+3.5%PC-G80L(AMPS共聚類降濾失

劑)+30.0%PC-D20(400目鐵礦粉)+45.0%PC-D25(1200目鐵礦粉)+40.0%PC-

C82(200目硅粉，SiO2>94.0%)+5.0%微硅粉+59.5%淡水。采用4265型超聲波

強(qiáng)度儀測(cè)定抗高溫高密度水泥漿在21MPa和127℃條件下的強(qiáng)度發(fā)展曲線。采

用YJ-2001型壓力機(jī)測(cè)定水泥石在21MPa、127℃條件下養(yǎng)護(hù)12，24，48和

90h時(shí)的抗壓強(qiáng)度。

1.2不同養(yǎng)護(hù)齡期水泥石物相分析方法

取不同增壓養(yǎng)護(hù)齡期水泥石粉末，放入瑪瑙研缽中研磨并冷凍干燥，然后利用X

射線粉末衍射儀(XRD)分析水泥石水化產(chǎn)物的物相。

2S形水泥漿強(qiáng)度發(fā)展曲線成因探討

2.1水泥的物相及水泥漿的基本性能

G級(jí)水泥的密度為3.29g/cm3，比表面積為2680cm2/g，其物相組成為

61.0%C3S、15.9%C2S、0.7%C3A、19.7%C4AF、1.5%CaSO42H2O和

1.5%CaSO40.5H2O?？垢邷馗呙芏人酀{的基本性能為：密度2.16kg/L，API

濾失量30mL，自由液0，稠化時(shí)間255min，六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)讀數(shù)為

5/9/28/99/135/256。

2.2不同養(yǎng)護(hù)齡期水泥石的強(qiáng)度

圖1所示為抗高溫高密度水泥漿的超聲波強(qiáng)度發(fā)展曲線。

圖1水泥漿超聲波強(qiáng)度發(fā)展曲線Fig.1Thedevelopmentcurveofu仔細(xì)的反義詞 ltrasonic

strengthofcementslurry

由圖1可以看出，抗高溫高密度水泥漿的強(qiáng)度發(fā)展曲線呈現(xiàn)S形特征。為進(jìn)一步

證實(shí)該現(xiàn)象的存在，在圖1中選取4個(gè)特征點(diǎn)，分別為A點(diǎn)(12h)、B點(diǎn)(24h)、

C點(diǎn)(48h)和D點(diǎn)(90h)。在21MPa壓力下，測(cè)定分別養(yǎng)護(hù)12，24，48和90

h的水泥石的抗壓強(qiáng)度，結(jié)果見圖2。從圖1和圖2可以看出，按各特征點(diǎn)時(shí)間養(yǎng)

護(hù)水泥石的抗壓強(qiáng)度與超聲波強(qiáng)度結(jié)果相近，也呈現(xiàn)S形特征。

2.3不同養(yǎng)護(hù)齡期水泥石物相分析

鑒于增壓養(yǎng)護(hù)釜不能實(shí)現(xiàn)程序升壓過(guò)程，為了更好地模擬水泥漿泵送過(guò)程中的壓力

與溫度，用超聲波強(qiáng)度儀測(cè)定分別養(yǎng)護(hù)12，24，48和90h的水泥石強(qiáng)度。圖3

所示為分別養(yǎng)護(hù)12，24，48和90h的水泥石的XRD圖譜。

圖2不同養(yǎng)護(hù)齡期水泥石的抗壓強(qiáng)度Fig.2Thecompressivestrengthoft

cementwithdifferentcuringage

首先，根據(jù)現(xiàn)有研究成果[4-10]，可歸納出水泥在高溫下的物相轉(zhuǎn)變及特點(diǎn)：

1)在低溫下，硅酸鹽水泥的主要成分C3S、C2S發(fā)生水化反應(yīng)，水化產(chǎn)物除了可

以增強(qiáng)強(qiáng)度的C-S-H凝膠外，還包括10%～20%的Ca(OH)2。

2)在溫度大于110℃時(shí)，若水泥漿中的鈣硅比大于1，水泥水化時(shí)形成富含

Ca(OH)2的CaO-SiO2-H2O，其水化產(chǎn)物C-S-H凝膠與Ca(OH)2反應(yīng)生成的

C5S6H5繼續(xù)與Ca(OH)2反應(yīng)生成一種結(jié)晶度高且密度大的-C蠟筆畫簡(jiǎn)單又漂亮風(fēng)景 2SH物相。在這

種情況下，水泥石的強(qiáng)度會(huì)降低，滲透性增強(qiáng)，這種現(xiàn)象被稱為水泥石剪刀英文 的高溫強(qiáng)度

衰退現(xiàn)象。

3)通過(guò)加入活性火山灰材質(zhì)或硅粉等硅質(zhì)材料將硅酸鹽水泥的鈣硅比調(diào)整至小于

1，可以消除該現(xiàn)象。在溫度為110～150℃時(shí)，水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2除與C-

S-H凝膠反應(yīng)生成C5S6H5外，還與富含SiO2的材質(zhì)發(fā)生火山灰反應(yīng)，抑制高

強(qiáng)度C5S6H5向低強(qiáng)度-C2SH物相的轉(zhuǎn)變；在溫度大于150℃時(shí)，托貝莫來(lái)石

轉(zhuǎn)變成對(duì)水泥石強(qiáng)度影響較小的C6S6H及白鈣沸石(C6S3H2)。高溫下低鈣硅比

水泥漿的水化反應(yīng)稱為水泥石抗高溫衰退反應(yīng)。

圖3不同養(yǎng)護(hù)齡期水泥石的XRD譜圖Fig.3XRDfortcementwithdifferent

curingage

其次，考察S形強(qiáng)度發(fā)展曲線A點(diǎn)、B點(diǎn)、C點(diǎn)及D點(diǎn)處水泥石各物相的轉(zhuǎn)化情

況。在同一測(cè)試條件下，一個(gè)多物相的混合體系中，衍射強(qiáng)度相對(duì)變化可反映物相

含量的相對(duì)變化。一個(gè)物相有多個(gè)衍射角，選擇其中衍射強(qiáng)度大和與其他物相沒有

重合的衍射角為代表。讀取圖3中，衍射角2為17.59、18.07、20.89、

33.20和45.83時(shí)不同養(yǎng)護(hù)齡期水泥石中-C2SH、Ca(OH)2、硅粉(SiO2)、

Fe2O3和C5S6H5的含量，繪制其與養(yǎng)護(hù)時(shí)間的關(guān)系曲線，結(jié)果見圖4。

由圖4可看出：從A點(diǎn)到D點(diǎn)，鐵礦粉物相的衍射強(qiáng)度沒有發(fā)生變化，即鐵礦粉

在127℃溫度下沒有參與水泥的水化反應(yīng)或其他反應(yīng)，水化產(chǎn)物Ca(OH)2的物相

衍射強(qiáng)度逐漸降低，在D點(diǎn)時(shí)已很難檢測(cè)到，-C2SH物相在B點(diǎn)的衍射強(qiáng)度最

大，C5S6H5物相的衍射強(qiáng)度呈現(xiàn)增大趨勢(shì)；從A點(diǎn)到B點(diǎn)，硅粉物相的衍射強(qiáng)

度沒有發(fā)生變化，而從B點(diǎn)到D點(diǎn)逐漸降低。

2.4水泥漿強(qiáng)度發(fā)展曲線呈現(xiàn)S形的原因分析

根據(jù)圖4中不同齡期水泥石物相分析結(jié)果，分析水泥漿強(qiáng)度發(fā)展曲線出現(xiàn)S形的

原因。

圖4不同養(yǎng)護(hù)齡期水泥石5種物相的X射線衍射強(qiáng)度Fig.4X-raydiffraction

intensityfor5phasoftcementwithdifferentcuringage

1)圖1中，A點(diǎn)到B點(diǎn)水泥漿強(qiáng)度發(fā)展曲線先小幅上升后小幅下降。由圖4可以

看出，從A點(diǎn)到B點(diǎn),Ca(OH)2衍射峰強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)而硅粉衍射峰強(qiáng)度沒有變化，

說(shuō)明在這一過(guò)程中水泥石中Ca(OH)2含量減少而硅粉含量沒有變化。一般來(lái)說(shuō)，

隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，水化產(chǎn)物中的Ca(OH)2含量逐漸增加。水化產(chǎn)物中

Ca(OH)2含量下降的原因：(OH)2與水泥漿中外摻的“硅材料”發(fā)生火山灰

反應(yīng)而被消耗，產(chǎn)生增加強(qiáng)度的C-S-H凝膠；(OH)2在高溫下與C-S-H凝膠

發(fā)生反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為低強(qiáng)度的-C2SH，造成強(qiáng)度衰退。這個(gè)過(guò)程中，硅粉的含量沒

有發(fā)生變化，說(shuō)明其沒有參與阻止水化產(chǎn)物C-S-H凝膠向-C2SH轉(zhuǎn)變的反應(yīng)。

雖然配制抗高溫高密度水泥漿時(shí)加入了5.0%微硅粉，但是其加量不足以抵制水泥

石在高溫下的強(qiáng)度衰退。另外，B點(diǎn)-C2SH的含量明顯大于A點(diǎn)，這進(jìn)一步說(shuō)

明高溫強(qiáng)度衰退反應(yīng)存在并趨于明顯。因此，A點(diǎn)到B點(diǎn)水泥漿強(qiáng)度發(fā)展曲線呈

現(xiàn)小幅上升后小幅下降的主要原因是微硅粉在這一過(guò)程中沒有參與抗高溫衰退反應(yīng)。

2)圖1中，B點(diǎn)到D點(diǎn)水泥漿強(qiáng)度發(fā)展曲線呈現(xiàn)持續(xù)上升趨勢(shì)。由圖4可以看出，

從B點(diǎn)到D點(diǎn)，Ca(OH)2和硅粉衍射峰強(qiáng)度均呈下降趨勢(shì)，說(shuō)明水泥石中

Ca(OH)2和硅粉的含量在降低。硅粉含量降低，說(shuō)明其參與了阻止水化產(chǎn)物C-S-

H凝膠向-C2SH轉(zhuǎn)變的反應(yīng)。此外，C點(diǎn)C5S6H5的存在及其衍射峰強(qiáng)度在東字成語(yǔ) 這

個(gè)過(guò)程中呈現(xiàn)增強(qiáng)的趨勢(shì)，進(jìn)一步說(shuō)明了硅粉在發(fā)揮其抗水泥石高溫強(qiáng)度衰退的作

用。因此，從B點(diǎn)到D點(diǎn)水泥漿超聲波強(qiáng)度發(fā)展曲線呈現(xiàn)持續(xù)上升趨勢(shì)。

3消除S形強(qiáng)度發(fā)展曲線的方法

根據(jù)上述分析，硅粉活性不足是導(dǎo)致水泥漿出現(xiàn)S形強(qiáng)度發(fā)展曲線的根本原因。

硅粉作為固井用抗高溫衰退劑，是由天然石英磨成的粉。降低硅粉顆粒的粒徑，可

以增加硅粉的比表面積，進(jìn)而提高硅粉參與水泥石抗高溫衰退反應(yīng)的活性。將抗高

溫高更勝一籌什么意思啊 密度水泥漿配方中200目硅粉PC-C82更換為300目硅粉PC-C83配制水泥

漿，測(cè)試水泥漿超聲波強(qiáng)度發(fā)展曲線，結(jié)果見圖5。

圖5水泥漿超聲波強(qiáng)度發(fā)展曲線Fig陸姓的來(lái)源 .5Thedevelopmentcurveofultrasonic

strengthofcementslurry

由圖5可以看出，水泥漿超聲波強(qiáng)度發(fā)展曲線未出現(xiàn)S形特征。這說(shuō)明降低硅粉

顆粒的粒徑，可以提高硅粉阻止水泥石高溫強(qiáng)度衰退的活性。

4結(jié)論

1)水泥石會(huì)在高溫下發(fā)生強(qiáng)度衰退，影響固井質(zhì)量。硅質(zhì)材料硅粉作為抗高溫衰

退劑，添加在水泥漿中可以有效阻止水泥石在高溫下發(fā)生強(qiáng)度衰退，但在固井實(shí)踐

中發(fā)現(xiàn)，在特定情況下添加硅粉水泥石在高溫下也會(huì)發(fā)生強(qiáng)度短暫衰退的現(xiàn)象。

2)水泥水化前期，比表面積較小的結(jié)晶態(tài)硅粉幾乎不參與水化反應(yīng)，導(dǎo)致水化反

應(yīng)生成的耐高溫、高強(qiáng)度的C5S6H5的量非常少，而低強(qiáng)度的-C2SH大量生成，

造成水泥石強(qiáng)度衰退。隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，硅粉開始參與水化反應(yīng)，生成足量的

耐高溫、高強(qiáng)度的C5S6H5，水泥石的強(qiáng)度不再衰退并且逐漸增強(qiáng)。因此，比表

面積小的硅粉其活性不足是水泥漿強(qiáng)度發(fā)展曲線呈現(xiàn)S形的根本原因。

3)在固井施工中，可通過(guò)增大硅粉的比表面積來(lái)提高硅粉的活性，阻止水泥石發(fā)

生高溫強(qiáng)度衰退，防止水泥漿在高溫下出現(xiàn)S形強(qiáng)度發(fā)展曲線。

4)隨著石油勘探的深入，鉆遇高溫高壓油氣藏的概率增大。因此，為保證高溫高

壓油井的固井質(zhì)量，延長(zhǎng)油氣井的壽命，需要進(jìn)一步加深認(rèn)識(shí)不同性質(zhì)的硅質(zhì)材料、

減輕劑和加重劑對(duì)水泥漿高溫下強(qiáng)度發(fā)展的影響。

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