7赤铁矿粉研究超高密度水泥浆新.docx
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7赤铁矿粉研究超高密度水泥浆新
利用赤铁矿粉研究紧密堆积超高密度水泥浆体系
陈雷 王其春 桑来玉
（中国石化石油勘探开发研究院德州石油钻井研究所,山东德州253005）
摘要：
为实现超高压油气井的固井，根据紧密堆积理论的颗粒级配原理，在室内建立了紧密堆积颗粒级配模型，通过在单位体积水泥浆内增加固相颗粒，尽量降低水泥浆的水灰比，实现水泥浆体系密度的增加和水泥浆性能的改善。
根据级配模型，利用室内优选出的加重剂赤铁矿粉的不同粒度颗粒进行了级配铁矿粉水泥浆加重试验。
所配置的高密度紧密堆积水泥浆体系性能指标超过了国外同类产品，现场固井质量优良，验证了所建立的紧密堆积模型的可靠性。
同时，完成了国内首次密度为2.8g/cm3的超高密度水泥浆体系的研制。
主题词：
赤铁矿粉紧密堆积高密度水泥浆
1前言
随着我国各油田开发的不断深入，油气开发的难度不断加大。
特别是在西部油田的一些区块中，由于地质构造的特殊性，在钻进过程中经常要遭遇到异常高压气层和高压盐水层，钻井液密度一般要达到1.8～2.0g/cm3。
在中石化南方探区比较集中的川东北地区包括河坝、毛坝、普光以及双庙等气田，其主要目的气层包括三叠统嘉陵江组二段、飞仙关组等。
该区块存在着气层压力高、温度高、气窜危险性大等特点。
其中河坝1井嘉陵组气藏压力系数设计为1.76，实际达到2.03，飞仙关组压力系数设计压力系数1.80，实际压力系数达到2.20。
该井在进行139.7mm尾管固井时，泥浆密度已经达到2.35g/cm3，水泥浆密度更是高达2.4g/cm3。
为保证类似高压区块的固井质量，提高顶替效率，因此需要研制密度在2.6g/cm3以上的超高密度水泥浆体系。
要实现超高密度水泥浆，必须采取使用密度较高的加重材料进行加重，常规的一些如减少水灰比、配盐水溶液等加重方法已经不能满足所要加重密度的需要。
依靠减少水灰比、加入分散剂来提高流动度的方法，因其受浆体稠度的限制，纯水泥浆密度能够达到的极限是1.97g/cm3。
而配成不同浓度的盐水溶液，用该溶液作配浆水进行加重的方法，也只能使水泥浆密度达到2.1g/cm3。
在利用加重剂进行加重时，普通的加重方法是使用单一粒度的加重剂进行水泥浆的混配。
通常此种方法加重水泥浆所能达到的密度容易受到限制不能达到较高的密度，而且在配置密度为2.3g/cm3以上的高密度或超高密度水泥浆时，水泥浆性能较差，且加重剂价格昂贵。
因此，必须改变普通的单一粒度加重方法，利用先进的紧密堆积理论，筛选现有常见的加重剂，根据颗粒级配的原理，优化设计出性能优良且经济性好、能够进行广泛推广使用的超高密度水泥浆。
2紧密堆积理论及堆积模型
2.1颗粒级配原理
水泥干混物的堆积体积百分比（PVF）是衡量颗粒之间达到给定密实状态时的相容能力。
将干粉混合物充满一个容器中并达到给定的压实程度，将容器体积被干粉实际占容器中的体积（绝对体积）除便可测出PVF。
PVF实际就是堆积密度与比重（绝对密度）的比值。
图1颗粒级配原理示意图
完全一样（单分散相）的球形颗粒最完美的堆积方式是正六角形堆积，其PVF可达0.74。
同一种球形颗粒之间任意堆积的PVF是0.64。
当干粉颗粒具有不同尺寸（多分散相）时，也就是由不同粒度的颗粒组成时，其PVF越高。
因为小尺寸颗粒可以充填于大尺寸颗粒之间的空隙，从而使PVF接近于1，这就是紧密堆积理论中颗粒级配的原理，原理示意图见图1。
设计高性能的超高密度油井水泥正是利用这种PVF最大化原理，采用不同粒度的加重剂进行颗粒级配，使单位体积水泥浆内的固相颗粒增加，尽量降低其水灰比，并且提高水泥石的抗压强度，降低其孔隙度和渗透率，实现水泥浆体系的密度的增加和性能的优化。
2.2进行粒度级配时的孔隙度变化
为研究粒度级配时孔隙度的变化，在较大粒度的小球中，引入次级粒度的小球进行级配。
每4个一级粒度球形颗粒构成一个空隙空间，这其中能填入的最大次级小球同时与4个大球相切，小球的球心应位于4个大球构成的四面体的几何中心，四面体中心与四面体顶点的距离应是大球半径和小球半径之和，由立体几何可得出次级小球的半径r1。
增加小球后，颗粒体积变为
。
则孔隙度为：
以上计算是假设同一级别颗粒是圆形且颗粒大小是完全一致，并且要达到一定的密实状态才能达到。
但事实上各种粉末材料的粒径是在一定范围内按统计规律分布。
水泥的松散状态下的堆积比例一般只在45%左右。
在上面的模型中，通过增加次级粒度的小球，实现了空隙的填充，达到了较紧密堆积的效果。
在此基础上，通过选用更小级别粒度的三级颗粒甚至更多，从理论上可以实现更加紧密的颗粒堆积，其示意图见图2。
图2不同级别的颗粒级配示意图
3、水泥浆加重剂的优选
水泥浆加重剂的选择范围不是很广，最常用的水泥加重剂是重晶石、钛铁矿石、赤铁矿石以及Micromax（氧化锰加重材料）等，分别利用以上材料进行了水泥浆加重试验优选。
试验结果见表1。
表1 各种加重材料性能特性对比
加重剂
外观
密度
细度
面对水泥浆的影响
可配制的水泥浆密度
重晶石粉
白色
粉末
4.3~4.6
97%<75μm
80%<45μm
增加需水量较大，增稠
可达到
2.28g/cm3
钛铁矿粉
黑色
细粒
4.4~4.5
97%<75μm
80%<45μm
增加需水量较小
可达到
2.40g/cm3
Micromax
棕红色
粉末
4.8~4.9
平均颗粒
粒度5μm
不增加需水量，无沉降稳定问题，有适当减阻效果
估计可达到
2.80g/cm3
赤铁矿粉
黑色
粉末
4.8~5.2
97%<75μm
85%<45μm
增加需水量较小，稍增稠
可达到
2.60g/cm3
赤铁矿为具有金属光泽的黑色粉末，密度为4.8～5.2g/cm3，细度一般在200目左右。
在加工颗粒较细时（如500目以上），铁矿粉呈红色。
对于较细的赤铁矿，当加量较大时需增大分散剂用量以降低水泥浆粘度。
由于赤铁矿自身密度大，比重晶石所需附加水少，因此可以使水泥浆密度升高到2.4g/cm3左右，可制备超高密度水泥浆。
当与分散剂、降失水剂复合使用时，可使水泥浆密度提高到2.6g/cm3以上。
从以上分析中可以看出，Micromax是比较理想的加重材料，但是由于Micromax价格非常昂贵，货源也不是很充足，虽然其作为加重剂使用，浆体性能最为理想，但也很难推广应用。
几种加重剂中，除了Micromax之外，只有赤铁矿粉可以使水泥浆密度超过2.5g/cm3，因此，根据对比结果，选用赤铁矿粉作为超高密度水泥浆的加重材料。
4超高密度水泥浆体系的设计
4.1级配粒度的设计
根据室内的试验结果，采用单一目数（100目或500目）的赤铁矿粉加重水泥浆，所能达到的密度极限为2.6g/cm3左右，而且浆体性能较差，不能满足现场施工的需求。
为实现超过2.6g/cm3的超高密度水泥浆，考虑利用颗粒级配的原理，建立颗粒紧密堆积模型，采用多种目数铁矿粉进行复配。
室内优选了不同目数比重大于4.7的赤铁矿粉，规格有100目、200目、500目、800目和1200目。
并利用激光粒度仪对不同级别的铁矿粉进行颗粒分析，分别实测了其颗粒的粒度。
部分实测结果见表2。
表2 铁矿粉粒度分布
100目铁矿粉
200目铁矿粉
500目铁矿粉
粒径um
体积%
累积%
粒径um
体积%
累积%
粒径um
体积%
累积%
4.83
0.23
0.54
4.83
0.29
0.74
4.83
3.37
7.97
5.86
0.39
0.93
5.86
0.45
1.19
5.86
5.98
13.95
7.11
0.54
1.47
7.11
0.59
1.77
7.11
8.96
22.91
8.64
0.54
2.01
8.64
0.58
2.35
8.64
9.95
32.86
10.48
0.47
2.48
10.48
0.5
2.85
10.48
9.33
42.19
12.73
0.53
3.01
12.73
0.65
3.5
12.73
9.06
51.25
15.45
0.93
3.94
15.45
1.32
4.82
15.45
10.91
62.16
18.75
1.55
5.49
18.75
2.38
7.19
18.75
11.89
74.04
22.76
2.35
7.84
22.76
3.78
10.97
22.76
10.37
84.41
27.63
3.26
11.1
27.63
5.32
16.29
27.63
7.2
91.61
33.54
4.29
15.4
33.54
7
23.3
33.54
4.38
95.99
40.72
5.35
20.74
40.72
8.64
31.94
40.72
2.5
98.49
49.43
6.44
27.18
49.43
10.04
41.98
49.43
1.14
99.63
60
7.61
34.79
60
11.1
53.08
60
0.37
100
72.84
8.7
43.5
72.84
11.23
64.31
72.84
0
100
88.42
9.52
53.01
88.42
10.31
74.62
88.42
0
100
107.33
9.87
62.88
107.33
8.41
83.03
107.33
0
100
130.29
9.67
72.55
130.29
6.24
89.27
130.29
0
100
158.17
8.94
81.49
158.17
4.35
93.62
158.17
0
100
192
7.56
89.05
192
2.9
96.51
192
0
100
233.07
5.87
94.92
233.07
1.93
98.45
233.07
0
100
282.93
3.71
98.63
282.93
1.14
99.59
282.93
0
100
300
1.37
100
300
0.41
100
300
0
100
常规G级水泥中水泥颗粒的粒度大小为20～100μm左右的占到总量的60～70％以上。
从表2中可以看出，100目铁矿粉的同级粒度（20～150μm）也占到了总数的80％以上。
为实现颗粒级配的目的，首先选用了颗粒粒度较粗的与水泥相近的100目铁矿粉作为主要加重剂。
利用紧密堆积理论模型的计算，计算出理想模型下合理的二级填充颗粒的粒度约为30um左右，根据表3，500目铁矿粉的粒度与要求比较接近，因此选用100目和500目铁矿粉进行主要粒度级配。
在图2的示意图中，假定颗粒都为圆球形，可以明显看出在同等情况下，三级级配体系可以比二级体系实现更紧密的堆积。
因此为实现超高密度的目标，在常规二级级配的基础上，进一步选用了1200目的铁矿粉进行了三级级配。
4.2体系密度设计
以往设计水泥浆密度都是以经验和实验为依据，最后确定水泥浆各组份间的比例关系，这里采用一种新的设计方法，其设计过程如下：
即先确定需要的密度，然后得出所需混合物的比重，然后再确定混合物组份之间的比例关系。
即：
式中：
SG--混合物比重
ρ--水泥浆密度
v
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