引言

油井水泥專用于油井、氣井的固井工程。它的主要作用是將套管與周圍的巖層膠結封固，封隔地層內油、氣、水層，防止互相串擾，以便在井內形成一條從油層流向地面且隔絕良好的油流通道。油井水泥的基本要求為：水泥漿在固井過程中要有一定的流動性和適合的密度；水泥漿注入井內后，應較快凝結，并在短期內達到相當的強度；硬化后的水泥漿應有良好的穩定性和抗滲性、抗蝕性。目前哈薩克斯坦陸上石油探明儲量為48～59億t，天然氣約3.5萬億m3，哈薩克斯坦屬里海地區石油探明儲量80億t，石油儲量位居世界第12位，油井水泥市場需求與日俱增。

面對廣闊的市場環境，公司開展了相關產品技術研究，積極組織生產性能滿足油田施工要求的產品，并先后應用于哈薩克斯坦中石油克茲、阿克套和阿克糾賓油田施工，并積極開發該國其它油氣固井公司以及烏茲別克等周邊國家油井水泥市場。結合G級高抗硫油井水泥產品質量控制及施工要求，本文從熟料配料與煅燒、石膏摻量、水泥比表面積和生產控制等幾個方面對水泥的初稠控制進行論述。

以遵循API規范Q1第九版為前提，依據GOST-1581-96標準，結合G級高抗硫油井水泥應用特點，重點開發初始稠度低、強度較高、游離液低、抗硫酸鹽性能好的水泥產品。水泥化學成分和物理性能指標相關要求見表1，2。

各大油田固井所用的油井水泥需要與外加劑進行配伍實驗，水泥與外加劑應具有較好的相容性，可以防止加入油井水泥外加劑后油井水泥漿喪失活性。目前應用在各油田的油井水泥或多或少存在性能的差異，這些差異影響固井水泥漿的配比穩定性和固井施工進度，而影響油井水泥與外加劑相容性的關鍵在于水泥的初始稠度。

控制G級油井水泥的初始稠度，可有效提高固井水泥漿的配比穩定性和固井施工進度，對提升油井水泥市場競爭力有著重要的意義。標準要求初始稠度≤30Bc(伯登，稠度單位，初始稠度是指油井水泥在進行稠化時間實驗時15～30min期間的最大稠度)，目前市場用戶在實際施工過程中要求水泥的初始稠度≤18Bc。

3.1 合理配料方案，提高中控操作水平，穩定熟料質量

某公司油井熟料主要指標見表3。

由表3可知，熟料的鋁率較低，主要是降低熟料中C₃A含量，提高終端產品水泥的抗硫酸鹽侵蝕能力。從統計表分析，熟料各率值與F-CaO合格率總體上控制較好。合理與穩定的配料方案，提高熟料煅燒與冷卻工藝水平，可降低熟料中二次游離氧化鈣含量。二次游離氧化鈣水化速度較快，容易對水泥漿的初始稠度造成影響。

同時對熟料進行巖相分析，斷面較為致密，無明顯孔洞，A礦發育良好，分布均勻，晶型完整，邊棱清晰，煅燒與冷卻效果較好。

3.2 G級高抗硫油井熟料主要礦物組成控制

熟料礦物組成見表4。熟料礦物組成是影響水泥漿流變性的主要因素，在滿足G級油井熟料配料方案的前提下，熟料中的C₃S和C₃A主要影響水泥水化速率、水化放熱效率，從而影響到水泥漿初始稠變性能和水泥漿流動性；同時C₃S和C₃A含量與水泥8h強度密切相關，因此需嚴格執行配料方案和熟料組分要求。熟料主要礦物含量控制：52％≤w(C₃S)≤62％，w(C₃A)≤2.8％。水泥中鋁酸鹽礦物含量(2C₃A+C₄AF)是影響水泥和外加劑相容性的關鍵因素，因此標準中做了規定，生產過程中需要合理控制。

表4 熟料化學指標及礦物組成

3.3 粉磨過程中石膏的摻量

C₃A水化能很快形成六方片狀水化鋁酸鈣(C₄AH₁₃)晶體網絡結構，使漿體失去流動性，在石膏存在和堿性條件下，C₃A同樣會很快水化生產C₄AH₁₃但接著C₄AH₁₃會進一步生成高硫型水化硫酸鈣(AFt)，而AFt晶體會在C₃A粒子表面形成包裹層，包圍在熟料顆粒周圍，形成“保護膜”，延緩C₃A進一步水化，避免水泥速凝。經過大量大磨、小磨實驗得以驗證，在粉磨階段SO₃含量不能過低，控制在適量范圍，盡量保證水泥漿初始流動性能并得到一定持續。同時應考慮熟料中的硫含量及存在形式，以及對水化的影響。

3.4 G級高抗硫油井水泥的比表面積控制

在水泥粉磨過程中，比表面積的高低是影響初稠和稠化時間的直接因素，當然與水泥的顆粒級配也有一定關系。水泥比表面積過高，與水接觸的面積大，水化速度快，稠化時間短，初始稠度高，且使水泥漿體性能變差。在粉磨過程中時，由于比表面積過高，水泥在磨內磨制時間長，水泥溫度造成不斷升高，在夏季易造成石膏脫水，造成水泥漿假凝；水泥比表面積過低，水泥稠化偏長，游離液增大，漿體中的粗細顆粒產生分層，最后粗顆粒沉降在底部，水泥比重發生變化，且強度低。所以在磨制水泥時，盡可能不改變比表面積指標，要根據水泥稠化時間等物理性能檢驗結果，在工藝上進行調整，達到合理的水泥顆粒級配，來保證水泥的物理性能。因此應選取穩定的比表面積控制范圍，經過試驗和實際生產情況，該公司G級高抗硫油井水泥比表面積控制在310±15m2/kg，可有效控制水泥的初始稠度。當然比表面積應按照自身原燃料、工藝狀況、生產方案等作出適當調整，但同時要保證水泥的其它性能。

表5 不同比表面積下水泥的稠度變化

3.5 G級油井水泥的儲存與處理

根據標準要求，水泥入成品庫后，需要一定時間的儲存和均化處理。均化后G級油井水泥儲存周期對其性能的影響見表6。

表6 均化后G級油井水泥儲存周期對其性能的影響

經過多年的生產經驗和統計數據分析，提前根據銷售做好計劃G級油井水泥的組織生產，適當控制油井水泥生產量，保證水泥庫有一定的空間，利于在粉磨完成后對成品進行庫底吹風降溫和均化，同時注意羅茨風機出風口水汽處理。經過一段時間存放，水泥性能更趨于穩定，初稠略有降低，流動性有所改善，稠化時間略有延長，在可控范圍。

針對G級高抗硫油井水泥存在稠化時間短，初稠高且不穩定的問題，從熟料主要礦物、水泥比表面積控制、石膏摻量以及水泥儲存和均化等方面，分析了其對水泥初始稠度的影響。通過多年對G級高抗硫油井水泥的研發及生產過程中的大量數據進行整理分析，探索公司長期穩定生產優質G級高抗硫油井水泥最優方案和參數，對油井水泥質量指標控制提供依據，特別是提高了水泥初始稠度的穩定性。在哈薩克斯坦國內通用水泥市場日趨飽和的情況下，為公司打開新的經濟增長點和開發油井水泥市場打下堅實基礎。

作者：付明2，鄒興芳1，張文平2，郭貴瀧1，黃凱1

來源：《1中國葛洲壩集團水泥有限公司；2葛洲壩西里水泥有限公司》

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