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?shù)膹姸龋挥不蟮乃酀{應有良好的穩(wěn)定性和抗?jié)B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(qū)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(huán)境，公司開展了相關產(chǎn)品技術研究，積極組織生產(chǎn)性能滿足油田施工要求的產(chǎn)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(fā)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(chǎn)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(chǎn)控制等幾個方面對水泥的初稠控制進行論述。

以遵循API規(guī)范Q1第九版為前提，依據(jù)GOST-1581-96標準，結合G級高抗硫油井水泥應用特點，重點開發(fā)初始稠度低、強度較高、游離液低、抗硫酸鹽性能好的水泥產(chǎn)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(wěn)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(wěn)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(wěn)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(chǎn)品水泥的抗硫酸鹽侵蝕能力。從統(tǒng)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(wěn)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(fā)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(zhí)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(guī)定，生產(chǎn)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(wǎng)絡結構，使?jié){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(chǎn)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(jīng)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(xù)。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(chǎn)生分層，最后粗顆粒沉降在底部，水泥比重發(fā)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(jù)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(wěn)定的比表面積控制范圍，經(jīng)過試驗和實際生產(chǎn)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(chǎn)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(jù)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(jīng)過多年的生產(chǎn)經(jīng)驗和統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析，提前根據(jù)銷售做好計劃G級油井水泥的組織生產(chǎn)，適當控制油井水泥生產(chǎn)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(jīng)過一段時間存放，水泥性能更趨于穩(wěn)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(wěn)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(fā)及生產(chǎn)過程中的大量數(shù)據(jù)進行整理分析，探索公司長期穩(wěn)定生產(chǎn)優(yōu)質G級高抗硫油井水泥最優(yōu)方案和參數(shù)，對油井水泥質量指標控制提供依據(jù)，特別是提高了水泥初始稠度的穩(wěn)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(jīng)濟增長點和開發(fā)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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