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油井混凝土水泥砂漿與混凝土(砼)外加添加劑
來源:Ag亚游官网平台作者:Ag亚游官网平台發布于:2019-05-08文字:【大】 【中】 【小】

油井混凝土水泥砂漿與混凝土(砼)外加添加劑

第一節 概 述

      隨著石油工業的發展,油氣勘探和開發領域日益擴大,鉆井技術逐漸提高。深井、超深井和特殊井頻頻問世,給油井技術提出更高的要求。特別是在地質構造復雜、井下條件惡劣的情況下注水泥,采用純水泥已經遠遠不能滿足工藝技術的要求,必須依靠外加劑來調節其使用性能。例如:填充劑可以增加產漿量,節約水泥,降低成本;促凝劑或緩凝劑可以調節稠化時間,既能保證施工安全,又能在規定的時間內達到繼續作業的強度要求;降失水劑可以減少滲透性地層對水泥漿的濾失作用,保護油氣層,提高采收率;分散劑可以改善水泥漿流變性能,增加頂替效率,提高固井質量,延長油井壽命。因此,外加劑的研究、重產和應用在國內外都得到迅速地發展。

      外加劑可以使水泥在不改變基本成分的情況下,改變其水泥漿性能。它與水泥的關系是相輔相成的。一般地說,油井水泥外加劑可分為:

(1)調節水泥漿稠化時間的外加劑:促凝劑、緩凝劑;

(2)改變水泥漿失水性能的外加劑:降失水劑;

(3)改善水泥漿流變性能的外加劑:分散劑;

(4)水泥漿密度調節劑:加重劑、減輕劑;

(5)降低循環漏失的外加劑:堵漏劑;

(6)提高水泥石熱穩定性的外加劑:石英砂;

(7)配制含鹽水泥漿;

第二節 促 凝 劑

      在淺井或表層套管注水泥施土中,雖然水泥漿滿足了泵送的要求,但往往存在稠化時間長、強度發展慢的問題,嚴重影響鉆井進尺和固井質量。而加入促凝劑或早強劑,可以改變水泥漿性能,既能滿足固井作業的要求,又能使強度盡快地達到繼續鉆進的要求。當然有時也用來緩解因加入其它外加劑,例如分散劑、降失水劑等所引起的過緩凝,目的都是為了加速抗壓強度的發展,縮短候凝時間。嚴格地講,促凝和早強是有區別的:早強是指早期抗壓強度有明顯地提高,但對凝結時間不作要求,如常用的分散劑,就有一定的早強作用;而促凝劑則要求縮短凝結時間,即加速凝結,不管強度發展的快慢。這兩者往往既有共同的性質,而又有所不同。

      由于氯離子對對井下鋼材的腐蝕,所以制定了研制無氯根促凝劑,從此以后就出現了非氯化物促凝劑或無氯根促凝劑或不含氯離子促凝劑等。為適應這種情況,本文也把促凝劑分為氯化物促凝劑和非氯化物促凝劑。

一、氯化物促凝劑

      氯化物促凝劑主要包括氯化鈣、氯化鈉、氯化鉀和海水等。

1.氯化鈣(CaCI2)

      多年以來,氯化鈣一直被成功地用作促凝劑,也有很理想的早強作用。當加到水泥或混合水中時,其濃度占水泥質量的2%-4%時,即能促進水泥漿的快速固化,達到所要求的候凝時間。

      氯化鈣是一種極強的吸水材料,可以是片狀或粉末狀,常規級純含量是77 %;無水級是粒狀或片狀,含量為96 %。對大多數需要,常規級加量2 %,無水級加量1.6%就有最佳促凝效果。常規級是最通用的一種類型。無水級從大氣吸收少量水分之后,可用于高潮濕的地方(即含水量較高的使用對象,也就是說,只能加在混合水中,不能加在干水泥中)。加量占干水泥質量4%的氯化鈣有時推薦用于高水灰比的水泥漿,這時大體積的水可以沖淡促凝劑的濃度。這種材料適用于A級、C級和低密度水泥。

2.氯化鈉(NaCI)

      氯化鈉作促凝劑應注意濃度范圍。一般說來,氯化鈉濃度在10%以下時為促凝劑;在10%-18%既不促凝,也不緩凝,其稠化時間與純水泥漿相似;而當氯化鈉濃度提高到18%以上時表現出緩凝作用。

      氯化鈉在固井中的應用,大概有五個方面:

(1)低濃度可作水泥漿的促凝劑;

(2)高濃度(飽和鹽水)可作水泥漿的緩凝劑;

(3)不同的濃度可作水泥漿不同的加重劑;

(4)用飽和鹽水水泥漿可固鹽層、石膏層或頁巖層等。一般地說,使用這種水泥漿,套管與鹽層的膠結較好。另外,這種水泥漿還能抑制膨潤土砂巖和頁巖的膨脹,防止泵經鹽巖層時水泥漿沖蝕鹽層或使鹽巖溶解而增加井徑擴大率。

(5)降低寒冷地區水泥漿的冰點。

3.氯化鉀(ICI)

      氯化鉀能促進水泥漿凝固,且對其流動性略有影響,與氯化鈣復合使用效果更好。在泥巖、貞巖、夾縫砂巖、石灰巖等注水泥時,若在水泥漿、隔離液或沖洗液中加入0.3%-1.0%的氯化鉀,可以抑制粘土膨脹,防止造漿作用,以免影響膠結強度。

      據介紹,由于飽和鹽水水泥漿在低含鹽度層段因滲透壓的存在會引起裂縫,而不同鹽度的層段選擇其平衡鹽度的水泥漿又是不可能的,所以人們很少使用飽和鹽水水泥漿。

4.氯化鈣復合物

      據介紹,氯化鈣與氯化鈉或氯化氨等混合使用效果更好。1%氯化鈣與2%氯化氨的混合物,或者2%氯化鈣與2%氯化鈉的混合物都是良好的復合促凝劑。使用這些復合促凝劑,既能可靠地加速水泥漿凝結和硬化,又不影響水泥漿的流動性能,而且還能降低水泥漿的游離水。它們也可以增加水泥的水化熱,使溫度升高,提高水泥石的抗滲透性能。

      使用氯化鈣與氯化氨的復配物,既能加速固化,又能提高早期強度。高反應熱又使之特別適用于低溫井注水泥。

5.海水

      在海上鉆井,大多使用海水配制水泥漿。海水中的氯化物(氯化鈉、氯化鎂和氯化鈣等)可起促凝作用,其含量可達2.3% 。開闊海域或大洋中的海水化學成分十分均勻,而在海灣或近海,由于河流淡水的稀釋可能促凝作用較弱。一般說來,海水的促凝效果不如氯化鈣或它的復配物好,但依然能夠用于2000 m以下的油氣井注水泥,這時的井底靜止溫度應不超過80℃ 。

二、無氯促凝劑

      下面介紹的是無氯促凝劑,主要包括碳酸鈉、硅酸鈉和石膏等無機物,以及低相對分子質量的有機物,像甲酞胺,三乙醇胺等。

1.碳酸鈉(Na2CO3)

      碳酸鈉也稱純堿或蘇打。為白色粉末,密度為2.533g/cm3,易溶于水,水溶液呈堿性。碳酸鈉與水生成Na2CO3 ·H2O , Na2CO3 ·7H2O和Na2CO3 ·10H2O三種水合物。工業產品純度為98%-99 %。依顆粒大小和堆積密度的不同,可分為超輕質純堿、輕質純堿和重質純堿。

      純堿用于油田固井工程是作為油井水泥的增強劑,也可在纖維素類降失水劑中加入純堿增加流動性。如果水泥漿的初凝和終凝時間相隔較長,加入純堿之后可以縮短這個區間,但是稠化時間受影響:在加量不同的情況下,有時長,有時短,并不是隨加量的增加或減少有規律性的變化,所以使用時應特別慎重。

2.硅酸鈉(Na2O ·nSiO2)

      工業生產的硅酸鈉是一類多硅酸鹽,由于它的化學成分類似于玻璃,故通常稱為水玻璃。又因硅酸鈉的水溶液呈堿性,同時又是肥皂的發泡劑,所以工業上有時一也稱為泡花堿。

      在石油工業上常用的是硅酸鈉水溶液,也有時一用速溶偏硅酸鈉。

硅酸鈉在固井工程的應用包括以下幾個方面:

(1)促凝劑:硅酸鈉常被用作油井水泥的無氯根促凝劑,一般加量占干水泥質量的7 %,促凝效果不好,而且加量與凝固時間也不成直線關系,但可使水泥石在12-24h內有較高的抗壓強度。硅酸鈉的促凝作用主要是由于它與水泥漿中的Ca2+離子反應生成水化硅酸鈣C-S-H膠核,從而促使水泥的水化誘導期提前結束。

(2)滲透作用:單純使用水泥封閉地層遇到的一個特殊問題是不能滲透到所要求的地層位置,而膠狀的硅酸鈉水溶液就能滿足所希望的滲透性。通常是把水玻璃與氯化鈣配成具有一定膠凝時間的溶液注入地層,讓其硬化成不具滲透性的固體。或者事先將酸性溶液或氯化鈣溶液導入地層,然后再注入硅酸鈉溶液。在與酸性溶液接觸后發生膠凝而生成不滲透的固體,進而封閉地層。

(3)前置液:在注水泥中,若用硅酸鈉溶液作前置液,可以保護鹽層和石膏層。應該注意的是輸送硅酸鈉溶液的管線盡管作了清洗,還可能留有殘量的鈣,而且鹽、膏層還含有氯化鈉、氯化鎂等,這些都可與硅酸鈉作用產生凝膠或沉淀,從而降低了硅酸鈉含量,妨礙了應起的作用。如果變成硅酸鉀,那就是另一種景象,因硅酸鉀與鹽、膏層的氯化物接觸后不發生絮凝,即使是與鈣也只是緩慢地產生膠凝。所以地層中滲入硅酸鉀之后,遇到地下水中的鈣就能生成凝膠而防止了沖洗期間對井壁的破壞。而且也有利于水泥與地層的膠結。

(4)降失水作用:它本身的降失水效果雖然不好,但對其它降失水劑卻無不良影響,故可用作緩解因加降失水劑而引起的水泥漿過緩凝。

3.石膏

       石膏是常用的促凝早強劑,指的是無水石膏(CaS04)或半水石膏(CaS04·0.5H2O),而二水石膏(CaS04·2H2O)還有緩凝作用,它的加量大小直接影響促凝效果。由半水石膏和等量干水泥配制的石膏水泥,是為控制特種注水泥或淺井的需要而專門設計的“快干”水泥,也可以根據需要決定石膏與水泥的比例。對于嚴重漏失層,調整配比,可將稠化時間縮短到5 min -24h抗壓強度可達6.51 MPa。為控制高壓氣層,加入占A級水泥質量的25%-50%,可產生12-20min閃凝。用這種方法摻和的半水石膏水泥對于壓住氣噴井、修補斷裂套管和控制漏失等是非常滿意的。由于加入5%-10%半水石膏可增加水泥漿的靜切力并產生觸變性,對堵漏效果更好。但應特別注意施土的連續

性,否則容易凝固在管線或井筒內。

三、復合促凝劑

      硅酸鹽水泥60.24%-63 %+CMC0.32%-0.60%+堿金屬氫氧化物3.4%-6.2%+尿素1.28%-3.02%+水34.76%-27.18% 。其中堿金屬氫氧化物可采用氫氧化鈉或氫氧化鉀。在制備該溶液時,必須按順序把氫氧化物、尿素、CMC溶于水中。然后用這種溶液混配水泥漿。尿素、氫氧化物加入CMC水溶液中,可使CMC改性而導致水溶液稀釋,并提高CMC的化學活性。用這些材料固井,既能縮短水泥漿的凝固時間,又能提高它的流動性。

四、促凝懸浮劑

      使用這種促凝劑,不使水泥漿產生沉降。并適用于任何水基水泥漿,縮短其候凝時間。它不僅含有鋁酸鉀、碳酸鉀,還含有一定量的氫氧化鉀。


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