温度及外加剂对G级油井水泥强度的影响VIP专享VIP免费

温度及外加剂对G级油井水泥强度的影响张景富(大庆石油学院,黑龙江大庆163318)徐明高莉莉肖海东(大庆石油管理局钻井工程技术研究院,黑龙江大庆163413)摘要利用超声波强度测试仪、高温高压养护釜及强度仪等仪器,对各种不同条件下G级油井水泥石强度进行了测试,得出了在不同温度及外加剂条件作用下的水泥石强度的发育及变化特点,确立了水泥石产生高温强度衰退存在2个临界温度,即110℃和150℃;确定了能够有效抑制高温条件下水泥石强度衰退的合理硅砂加量为30%～40%;阐述了在110～150℃及150～200℃2种温度范围内,加砂水泥的强度分别具有二级台阶及一级台阶等不同的发育规律。分析了外加剂对水泥石强度及发育特点产生的影响规律和外加剂的适用范围,揭示了温度等对水泥石强度产生影响的内在本质。关键词高温外加剂G级油井水泥水泥石强度通常情况下,G级油井水泥在井深0～2240m、井温0～93℃范围内,可满足油气井固井施工的要求。随着水泥外加剂技术的不断发展,逐渐打破了原有的井深及温度界限[1]。如:英国JohnBested[2]从温度对G级水泥原浆水化反应影响的角度,给出了0～200℃以及温度超过200℃后的水泥水化产物的变化特点,得出了水泥石强度将在110℃左右产生高温衰退的必然本质,但并没有给出强度的具体变化特点及规律。加拿大ElizaGrabowski[3]等从SiO2对水泥石孔隙率及强度的影响角度,研究了不同温度下硅灰及硅粉对G级水泥的水化产物及结构的影响,得到了22℃和230℃条件下7d后的水泥石、渗透率及强度的发育与变化情况。而对于其他温度条件及7d内的水泥石强度等的变化并没有给出详尽的研究结论。国内安策[1]、杨远光[4]等人则通过检测温度小于150℃、特定养护时间条件下,G级水泥原浆及掺加硅砂水泥强度数据,分别得出了95℃和110℃为强度衰退临界温度,但对强度发育的连续变化过程特点及合理加砂量的确定方面没有给出明确的试验结果。有关高温条件下水泥石早期强度发育规律研究方面,沈伟[5]所完成的研究工作较有代表意义,但由于试验温度条件不超过150℃,致使其只得出加砂水泥石存在有二级台阶强度发育的单一规律。综上所述,虽然所采用的研究角度及方法各异,但在G级水泥产生高温强度衰退的临界温度为110℃及通过掺加SiO2能有效抑制强度衰退作用等方面获得了一致的结论。但对温度继续升高后强度是否会再次产生明显的衰退及有关原浆、加砂水泥、添加缓凝剂水泥的强度的发育规律、合理加砂量等没有给出相应的研究结论,因而导致无法从本质上明确温度、加砂量及养护时间三者对油井水泥强度造成的综合影响规律。利用超声波强度测试仪、高温高压养护釜及强度仪等仪器,对各种不同条件下水泥石强度进行了测试,系统地研究了嘉华G级油井水泥在25～200℃温度范围内水泥石强度发育与变化的规律及本质。1原浆水泥的强度发育及变化1.1强度发育利用超声波强度测试仪,在养护压力为20.7MPa的条件下,对各不同温度条件下原浆水泥的强度发育进行了测试(如图1)。试验结果表明,当温度在110℃以下时,水泥石强度随养护时间的发展变化规律与常温下的规律在趋势上是大体相近的,但由于较高温度下水化进程较快而必然会导致水化终结时间提前,如80℃条件下养护时,当在15h左右达到1个较高强度值后,强度仍平缓增长,这种增长趋势一直到接近4d的时间后,才有所减缓,但其强度值已达到了较高的水平。这主要是由于水泥熟料第25卷第3期石油钻采工艺Vol.25No.32003年6月OILDRILLING&PRODUCTIONTECHNOLOGYJune2003作者简介:张景富,1963年生。现为石油工程系主任,教授,博士。电话:0459-6503262。的水化属放热反应,当温度升高时,水泥熟料的反应速度加快,特别是能够加快C3S和C2S的水化反应速度,因而缩短了水泥的预水化期,相应地缩短了终结水化时间。这种趋势在温度继续增高时表现得更为明显。在温度达到110℃条件下,养护时间达到48h时,强度曲线即开始平缓延伸,表明水泥浆体的水化已达到了一个较完善的程度,充分体现了提高温度对水泥浆体水化的加速作用。图1不同温度条件下水泥原浆强度的发育过程当温度超过110℃后,随着养护温度的提高,水泥石强度发育曲线出现了较明显的规律性变化,即:早期随着时间的延长强度增大,而达到一定程度后则随时间的...