硅溶膠在固井水泥漿中的應(yīng)用性能研究

1、文章編號(hào): 1673- 064X( 2013) 03- 0078- 05硅溶膠在固井水泥漿中的應(yīng)用性能研究 符軍放1 ， 張 浩1 ， 項(xiàng)先忠1 ， 孟祖超2 ， 趙 琥1( 1． 中海油田服務(wù)股份有限公司 油田化學(xué)事業(yè)部， 河北 廊坊 065201;2． 西安石油大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院， 陜西 西安 710065)摘要: 對(duì)比分析了添加硅溶膠前后固井水泥漿性能的變化， 以此獲得硅溶膠的作用特點(diǎn)， 為硅溶膠的推廣應(yīng)用提供理

2、論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)． 結(jié)果表明， 水灰比為 0． 44 時(shí)， 添加 1． 0% 的硅溶膠就能明顯 改善漿體的穩(wěn)定性; 水灰比為 0． 75 時(shí)， 添加 4． 0% 的硅溶膠可得到 1． 60 g /cm3 的低密度水泥漿． 隨 后利用 ATＲ － IＲ、 XＲD、 DSC － TG、 SEM 等手段分析水泥水化產(chǎn)物， 結(jié)果表明: 硅溶膠具有火山灰的 作用， 添加量為 1． 0% 時(shí)已具有較明顯的促凝、 增加抗壓強(qiáng)度

3、及降低滲透率的作用; 同時(shí)， 它還具有 一定的防高溫衰退作用， 在 127 ℃ 單獨(dú)添加 1． 0% 的硅溶膠或在 165 ℃ 將 1． 0% 的硅溶膠與 15． 0% 的硅粉混合使用， 養(yǎng)護(hù) 3 d 后均沒有明顯的水泥石強(qiáng)度衰退發(fā)生．關(guān)鍵詞: 硅溶膠; 火山灰效應(yīng); 固井; 水泥漿中圖分類號(hào): TE256 + ． 6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A早在 20 世紀(jì) 90 年代， Audun Bjordal 等人報(bào)道［ 6 ］

4、， 應(yīng)用硅溶膠替代微硅粉的水性懸浮液， 在儲(chǔ)存過程中 不存在上 述“膠 凝 ” 現(xiàn) 象， 而且由于硅溶膠的 活 性高， 添加量可大為減少， 已在北海油田應(yīng)用于 100 多次固井作業(yè)． Halliburton 公司的水泥漿穩(wěn)定劑 Gas- Con 469TM 和 FDP － C725 － 04 都屬于硅溶膠． 在國 內(nèi)， 硅溶膠在水泥基材料中應(yīng)用較少， 且主要集中在在過去， 利用微 硅 粉 的“物 理 填 充 作

5、 用” 和“火山灰 反 應(yīng) ” 在 油 田 固 井 中 取 得 了 很 好 的 應(yīng) 用 效 果［ 1 ］． 一方面， 微硅粉粒度是水 泥 粒 度 的 1% ， 能 填 充水泥顆粒間的空隙， 使水泥漿體抗竄性、 穩(wěn)定性提 高， 即 “ 物理填充作用” ; 另一方面， 微硅粉是無定型 SiO2 ， 比 表 面 積 大， 能同水泥水化產(chǎn)物中有害 成 分 Ca( OH) 2 反應(yīng)， 生 成 有 強(qiáng) 度 的 CSH 凝 膠， 即“火

6、 山灰效應(yīng)”［ 2 ］． 微 硅粉系在冶煉硅鐵合金中收集的粉 塵， 堆積密度小， 運(yùn)輸成本高， 使用中易產(chǎn)生揚(yáng)塵． 若 采取加密措 施［ 3 ］， 又 會(huì) 使其應(yīng)用性能受到影響; 若 以其為原料制備水性懸浮液， 長(zhǎng)期儲(chǔ)存中易產(chǎn)生無 法恢復(fù)的“膠 凝” 現(xiàn) 象， 影 響 其 使 用［ 4 ］， 并 且 依 然 存 在堆積體積過大的問題， 不利于海上固井作業(yè)使用． 硅溶膠是一種人工合成的 SiO2 水性分散

7、體， 含15% ～ 50% 的 SiO2 及少量 NaOH． 同微硅粉一樣， 均 屬無定型 SiO2 ， 但硅溶膠的粒度為 3 ～ 35 nm， 遠(yuǎn) 小 于微硅粉的平均粒度 0． 10 ～ 0． 15 μm， 理論上微硅粉與硅溶膠的比表面積分別為 15 ～ 27 m2 /g 與80 ～750 m2 /g， 因此， 硅溶膠將具有更好的反應(yīng)活 性［ 5 ］．［ 7 ］ 混凝土行業(yè) ． 本 文 從 固井水泥漿

8、角度， 評(píng) 價(jià) 與 分析硅溶膠的作用和特點(diǎn)， 為硅溶膠的推廣應(yīng)用提供 理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)．1 材 料API G 級(jí) 水 泥 ( 山 東 水 泥 廠 ) 、 消 泡 劑 PC －X601L( 天津中海油服化學(xué)公司 ) 、 降 失 水 劑 PC － G80L( 天津中海油服化學(xué)公司) 、 緩凝劑 PC － H21L ( 天津中海油服化學(xué)公司) 、 分散劑 PC － F40L( 天津 中海油服化 學(xué) 公 司) 、 分 散 劑

9、 PC － F45L( 天 津 中 海油服化學(xué)公司) 、 硅粉 PC － P61( 天津中海油服化學(xué) 公司) 、 納米硅 溶 膠 Cembinder W8( 美 國 Eka 公 司，收稿日期: 2012- 02- 25作者簡(jiǎn)介: 符軍放( 1975- ) ， 男， 工程師， 主要從事油田化學(xué)品分析與合成研究． E- mail: fjf640@ gmail． com— 80 — 西安石油大學(xué)學(xué)報(bào)( 自然科學(xué)

10、版)的比表面積， 且在硅溶膠顆粒表面存在大量的硅羥基( Si － OH) ［ 8 ］， 在水泥水化初期， 空隙 溶 液 中 的 鈣離子會(huì)與硅羥基形成凝膠作用， 從而起到懸浮水泥顆粒、 穩(wěn)定漿體的作用， 這一過程可用圖 1 說明．圖 1 在水泥漿中硅溶膠穩(wěn)定機(jī)理作用模型Fig． 1 Schematic diagram for describing the effect mechanism of colloidal sil

11、ica W8 in cement slurry泥基膠凝材料中， 把這種通過外摻料降低水化產(chǎn)物中 Ca( OH) 2 含量的現(xiàn)象， 稱為火山灰效應(yīng)． 另外， 對(duì) 于同一配方水泥漿， 一般隨著溫度升高， 稠化時(shí)間縮 短， 但在表 3 中， 水泥漿 95 ℃ 下稠化時(shí)間要略長(zhǎng)于75 ℃ 下稠化時(shí) 間， 對(duì)于這一反?，F(xiàn)象， 通 過 室 內(nèi) 實(shí) 驗(yàn)， 證實(shí)其與本實(shí)驗(yàn)所采用的降失水劑有關(guān)， 而與硅 溶膠無關(guān)．3． 2 硅溶膠 W8 對(duì)水泥漿稠

12、化時(shí)間的影響在不同溫度與壓力條 件 下， 考察不同硅溶膠 W8 加量對(duì)稠化時(shí)間的 影 響， 結(jié) 果 見 表 3． 從 表 3 可看出， 不同稠化條 件 下， 隨 著 W8 加 量 的 增 加， 稠 化 時(shí)間均縮 短， W8 表現(xiàn)出促凝作用． J． Bjrnstrm 等人認(rèn)為［ 9 ］， 一方面硅溶膠可加速硅酸三鈣 ( C S) 的 3溶解， 促使 CSH 凝膠快速形成， 另一方面， 硅溶膠可 同早期形

13、成的 Ca( OH) 2 反應(yīng)， 形成 CSH 凝膠． 在水表 3 硅溶膠( W8) 對(duì)水泥漿稠化時(shí)間的影響Effect of colloidal silica W8 on thickening time of cement slurry Tab． 3不同條件下的稠化時(shí)間 /min配方 35 ℃ ， 10 MPa 45 ℃ ， 25 MPa 75 ℃ ， 35 MPa 95 ℃ ， 45 MPa基漿基漿 + 1． 0%

14、 W8 基漿 + 2． 0% W8 基漿 + 3． 0% W8基漿 + 4． 0% W8 + 17． 0% 淡水651 493476454412472 390367312273269 227198180151290 2522341921673． 3 硅溶膠 W8 對(duì)水泥漿強(qiáng)度發(fā)展的影響利用 Chandler 公司超聲波強(qiáng)度測(cè) 定 儀， 在 75℃ 、 21 MPa 條件下， 監(jiān)測(cè)水泥漿強(qiáng)度發(fā)展?fàn)顩r， 結(jié)果 見圖 2．

15、 從圖 2 可看出， 添加 1． 0% 的硅溶膠 W8 后， 不僅可以提高水泥石早期強(qiáng)度， 而且還可提高后期 強(qiáng)度．對(duì) 75 ℃ 、 21 MPa 養(yǎng)護(hù) 24 h 后的水泥石， 分別利用 ATＲ － IＲ、 XＲD 及 DSC － TG 對(duì)水泥水化產(chǎn)物進(jìn) 行分析．Ｒikard Ylměn 等 人 報(bào) 道 ［ 10 ］， 3 640 cm － 1 處 尖 峰 為水化產(chǎn)物 Ca( OH) 2 分子中羥基所產(chǎn)生的吸收

16、， 而非分子間氫鍵或水分子產(chǎn)生的吸收， 在 1 651 cm － 1 處的吸收峰為樣品中水分子 產(chǎn) 生 的 吸 收， 在 3 381 cm － 1 處的寬峰為 CSH 凝膠及樣品中水 分 所 產(chǎn) 生 的 吸收． 據(jù)此， 在圖 3 水化產(chǎn)物的 AＲT － IＲ 譜中， 加入1． 0% W8 后， 3 640 cm － 1 的尖峰明顯變小， 可認(rèn)為硅 溶膠消耗了水化產(chǎn)物中的 Ca( OH) 2 ．圖 4 為水化產(chǎn) 物 的

17、 XＲD 譜 圖， 添 加 W8 后， 未 水化的 C3 S、 C2 S 水泥物相峰相比基漿明顯變小， 這 說明 W8 加速了水化反應(yīng)． 同時(shí) Ca( OH) 2 特征衍射 峰在添加 W8 后， 也相比基漿要小， 這 進(jìn) 一 步 說 明 W8 的火山灰效應(yīng)．圖 2 硅溶膠( W8) 對(duì)水泥石強(qiáng)度發(fā)展的影響Fig． 2 Effect of colloidal silica W8 on the compressivestrength