固井中水泥浆用量如何计算 基于固井水泥浆的水化规律研究与探讨

　　摘要：文章主要通过实验直接测量法分别控制温度、水灰比例、添加剂的不同来研究固井水泥浆的水化规律。研究结果表明：温度对水化的影响是明显的；水灰比也对水化有影响，但是会受到温度的影响变得不明显；添加剂不同，水化的产物结构也不同。
　　关键词：固井水泥浆；水化；添加剂；水灰比
　　中图分类号：TE256 　　　文献标识码：A 　 　　文章编号：1009-2374（2012）20-0007-03
　　开发油气资源，提高油气钻井工程的油气质量和钻井的使用时间最关键的一步就是固井工程的质量。将具有不同性质的水泥搅拌在一起就形成了所谓的固井水泥，在形成的过程中，由于水泥和水遇到会发生许多复杂的化学反应，在反应的过程中会散发出大量的化学热量，这些热量的散发会影响水泥浆的质量和性质。而且，水泥水化的过程中，由于水泥浆传热性能不是很好，内部之间的热量不容易散发出来，这就形成了内外两个地方温度不一，会形成一个温度的差额，这种温度差会刺激水泥石产生裂缝，破坏水泥环的水化，这种水化产生的热量也会对井下的施工工具产生影响，会使水合物结构遭受到破坏，从而可能引起井眼变大，水气混合，甚至导致沉积物强度受损，引起海底世界的地质灾难等。水泥浆水化的过程其实就是固井过程，如何正确地认识固体水泥浆的水化规律并且掌握规律的演变是固井工程的关键，这也将影响固井工程的进度。本文将采用直接测量的方法，研究固井水泥浆在不同条件下的数据规律并对其进行分析，旨在研究固井水泥浆的水化规律和水化机制，为我国的固井工程提供数据和学术上的支撑。
　　1　固井水泥浆简介
　　一般我们认为固井水泥浆主要是指专用于固井工程，特别是用于油气田固井的水泥。这类型的水泥具有以下几个性质：密度适中，凝结所需要的时间符合工程需要，粘稠度较低，具有较好的沉淀性质等。在固井的过程中，正是因为固井水泥浆具有这些性质，因此能够快速地凝结，并且变硬，符合油气田的机器施工的需要。同时使用这种水泥浆进行固化以后，工程具有很好的抗渗性，并且工程结构稳定，耐得住油气的腐蚀和特殊环境的侵蚀。
　　固井水泥浆一般由水硬性硅酸钙、等量的石膏和一些添加剂如助磨剂加工而成。型号根据施工要求的不同分为三类，分别是普通型、中抗硫酸型以及高抗硫酸型。等级也有不同。在固井过程中，根据油气田的压强、温度、井的深度等不同要求进行选择，同时在施工过程中，也会根据油井条件的不同，加入合适的催化剂等材料以方便符合固井的不同要求。
　　2　固井水泥浆的水化规律
　　固井水泥浆中含有最多的成分是硅酸盐化合物，这种成分是决定水泥浆水化效果和水化功能的关键材料。众所周知，硅酸三钙、硅酸二钙、水铝酸三钙以及铁铝酸四钙是水泥中主要的成分，正是这些不同的组成，不同的比例和水在不同的条件下进行水化，会产生不一样的组成以及不一样的功效的水化产物，这些不一样的条件正是影响水泥浆和水泥石的性能的主要因素。和水混合在一起的水泥矿物会马上溶解，其中氧化钙首先水化，在石膏的作用下，反应生成钙矾石。
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　　接着C3A进入水化状态，迅速生成硅酸钙水化物和氢氧化钙。但是，由于硅酸钙水化物的结构是不够牢靠的，会随着条件的不同而产物不同或发生改变，一般受到水浓度、温度、外界的添加剂以及自身水化等影响。化学反应的方程式
　　如下：
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　　在一般的自然状态下，C2S具有和C3S相同水化机制，并且两种产物是一样的，区别在于量的上面，但是水化速度是不一样的，因此水化所需要的时间也是不一样的。C4AF与C3A作用差不多，但是区别还是在于速度上面。
　　从以上分析我们可以获知，水泥水化的主要成分是矿物质，即是矿物质水化的过程，在这个水化的过程中主要是打破原有的结构，能量进行了再一次的分配，并且在反应过程中释放能量，帮助水化进行。
　　（4）
　　（5）
　　3　实验研究
　　3.1　实验原料准备
　　实验的准备中，要备足的材料包括适应于油井的水泥、粉煤灰、矿渣子，主要原料的主要成分涉及到以下几种：SiO2、Al2O3、CaO、无水氯化钙、水等物质。
　　3.2　实验方法介绍
　　根据实验所需要的环境，尽量做到模仿现实环境要求，根据要求配备了所需要的水泥浆种类，同时采用水泥水化热测定的方法进行了实验的设计工作，实验系统的设计遵循了固井水泥浆水化规律的要求进行了检验，系统包括的实验工具是水泥浆热量计、采集系统，最后是数据处理，实验结果
　　分析。
　　3.3　实验过程
　　实验过程主要是从温度、水灰比、添加剂剂对水泥浆水化的影响三方面入手，探究三个因素对固井水泥浆水化的影响。首先进行温度的影响研究，主要是控制温度的高低，根据温度高低不同来看实验结果数据的不一样，从而找出温度对水化的影响规律；接着在控制温度为15℃的基础上，水灰比不一的情况下水泥水化的不同水化效果；最后，在控制温度和水灰比都一定的情况下，选择了常见的添加剂加入水泥浆中，从而分析添加剂对水泥水化的影响。通过三种情况下的反应过程的不同，从而得出实验结果和规律不同并进行分析。
　　3.4　实验结果
　　针对三种不同情况的结果，做出了实验结果的记录。首先温度对其的影响作出了分析，实验数据如下：在温度到40℃时，水化在279分钟，水化热达到高峰，并持续了198分钟；在温度是60℃时，在51和269两个时间下，都达到了高峰，有两个峰值；在温度是80℃时，高峰值在128分钟后出现。接着是水灰比实验数据：在比例是0.14～0.155时，水泥水化温度变化明显；在比例大于0.155时，水泥水化不稳定，造成了水泥浆体系也不稳定。最后是添加剂影响：加入了常见的添加剂氯化钙，在添加量从0到0.102时，水化温度的峰值从49℃变成了61℃，时间上也缩短了330分钟。
　　3.5　实验结果分析
　　从实验的数据分析中，我们获知：基本上，水化的温升峰值的速度同温度成正比，随着时间变长，水化所需要的时间也相应变长，我们知道，时间对水泥浆的性能也有影响，因此，温度对水泥浆性能的影响会很大。当温度上升时，水化速度和程度都提高，反应放热的过程导致了水分的蒸发，蒸发会吸收热量，这种现象也会从一定程度上影响了水后的放热。水和石灰的比例不同也影响着水泥的浓度，水泥的水化过程也和两者之间的比例有关，实验针对了不同比例和温度进行了实验，实验的结果表明，当温度上升到峰值的时候，水灰比例增加，水泥浆水化的速度和性能均不一样。同时，当水的成分增加时，由于水分对水泥的水化影响很大，水温会随着水化的程度变化，当比例增加到一定值的时候，水泥水化就很迅速且完整，但是水化的产物的疏松度不同，水分就容易对产物进行后期的水化加速，这些不同点主要受到水泥成分和组成的影响。从实验数据可以看出，水泥和水的比例不同对水泥浆的水化影响是不一样的，也是不稳定的。因此，在实际的固井过程中，要根据需要，调配出符合要求的水泥浆，固井的类型不同、地质条件不同均是需要根据实际情况现场调配合适的比例的水泥浆以满足工程固井的要求。但是随着这些问题不断出现，学者发现这些实践中的问题单纯地依靠水泥和水的调配比例以及温度已经不能满足要求，研究开始添加一些添加剂来满足这些高难度的固井水泥浆的要求。本实验通过加入不同的添加剂来找出水化规律在有添加剂的条件下如何生成产物，以满足固井的要求。根据固井水泥浆需要和热量散发的规律等，选取了合适的添加剂的种类和数量，实验发现：这些添加剂对于调节固井水泥性能和硬化程度有影响，但是这些添加剂自身作用的发挥也受到了水泥浆物理和化学性质的影响，同时它们自身也会对这两者产生作用和影响。因此，添加剂与水泥浆的影响是双向的、互相的。一般而言，这些添加剂的加入一方面改变了水泥中的浓度，另一方面来讲，也会改变水相离子核的分布，从而会对水泥的水化反应产生明显的影响。并且在这个过程中会促进水泥早期的水化放热，使水化温度快速调高，从而也影响了水化过程。大量的水化热会引起水合物分解，导致井眼扩大、水气窜流等，因此不能使用催化剂，过高的水化温升易造成井下套管
　　变形。
　　4　结论
　　根据实验结果数据以及结果分析，本文得到以下三个规律：
　　第一，温度对固井水泥浆有明显的影响，温度和水化峰值间是正比的影响。随着温度的上升和下降，水化的速度不同，产生的峰值也不同。
　　第二，水泥和灰之间的比例也会影响水化的过程。水化温度和峰值控制的情况下，主要是水灰比影响着水化程度，在这个过程中，如果将水温升高，水灰比的影响会受到温度的影响而变弱。
　　第三，外加的一些催化剂或是添加剂影响着固井水泥浆的水化。随着地质条件以及自然条件的不同，对水泥的要求也不同，在这个过程中，如能够适当地添加一些添加剂，可以帮助水化，得到合适硬度的固井水泥浆。添加剂主要通过影响水温进而影响产物结构的不同。
　　
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　　（责任编辑：王书柏）