G级油井水泥性能的主要影响因素探讨

范吉宝

（新疆屯河水泥有限责任公司技术中心，昌吉市831100）

0 前言

G级油井水泥作为一种适应性广泛的专用油井水泥，其使用环境非常复杂，变化条件很多，因此更要求所生产的水泥产品在主要的理化性能上保持稳定。在此，对我厂近几年来G级油井水泥研发及生产过程中积累的大量生产台帐数据，进行整理分析，逐一探讨关于水泥各主要矿物、水泥粉磨细度和SO3含量等因素与油井水泥四大物理性能指标的相互之间的影响关系。首先考察某一个因素的影响时，假定其它因素均相对为一定值，只有这一个因素发生变化，那么通过其变化情况的分析认识其对油井水泥的影响规律性。

1 石膏掺量的影响

为了考察石膏掺量对油井水泥性能的影响，我们按不同SO3含量变化的情况在正常生产的水泥检验台帐中选择相关样本，具体影响情况见表1。

表1 石膏掺量对G级油井水泥性能指标的影响

从表1中不难看出，随着水泥中SO3含量逐步增大，水泥浆的游离水、15～30min初始稠度及稠化时间均无明显的变化，也即它们与SO3含量多少的相关性不明显，唯有8h抗压强度值有显著增加，这表明石膏掺量对水泥抗压强度的影响更为显著，也即8h抗压强度与SO3含量是呈正相关性，因此在实际生产中也可以用8h抗压强度的高低作为判断和确定G级油井水泥适宜石膏掺量的依据之一。

2 比表面积的影响

在水泥粉磨作业中，确定合理的水泥粉磨细度或比表面积，对于保证油井水泥的强度等性能指标和控制生产成本都十分重要。因此水泥比表面积是其重要的物性指标之一。表2所列数据为不同比表面积的油井水泥试样与其主要性能的关系。由表2可以看出，游离水含量、稠化时间是随水泥比表面积的增加而减小，15～30min初始稠度和8h抗压强度则随比表面积的增加而增大。这是在矿物组成和三氧化硫含量相对稳定的情况下得出的，显然这说明比表面积越大，水泥额粒越细，相对的需水量和水化速度会明显加大，从而造成以上的结果，由此表明G级油井水泥的四大物性指标：游离水、15～30min稠度、稠化时间、8h抗压强度都与比表面积有显著的相关性，但是各指标并不都是呈正相关，故在实际生产中应控制合适的比表面积，不能为了追求某项指标而过分增大或减小水泥的比表面积。

表2 比表面积掺量对G级油井水泥性能指标的影响

3 铝酸三钙的影响

熟料各主要矿物中，铝酸三钙（C3A）的水化反应迅速，放热多，凝结很快，但它的抗硫酸盐性能差，C3A含量的高低对G级油井水泥的耐久性和抗硫酸盐性均有明显的不利影响。从表3看出，当试样的C3A超过5.0%和低于2.0%时，水泥稠化时间均小于90min，初始稠度均大于20BC，理化性能呈现变劣的趋势，但是C3A含量对游离水无明显影响，反而对8h抗压强度有促进作用。另外，铝酸盐化合物在影响水泥浆体的流变性质[1]和凝结中居第一位。C3A的水化导致触变性的发展，它同时受石膏和表面活性剂存在的影响。如表3中8号试样，其C3A =5.06%，尽管SO3=2.32%，但二者并不匹配，从而使其初始稠度为28.82 BC，稠化时间为82min（已不符合国标要求），稠度也即将超出国标要求（小于30 BC）。因此可以说8号样的15～30min初始稠度与稠化时间异常是C3A含量过高所致，这样将导致G级油井水泥出现不合格品，不能进行正常固井作业，一般油田进行固井作业时，需将水泥浆用泵从套管中打入，这要求水泥浆在泵送的一段时间内稠度很小，有良好的可泵性，而当固井作业完成后水泥浆样体能较快凝结并产生一定强度。据此，油田上较理想的G级油井水泥稠化曲线如图1中曲线1，它在较长时间内保持稠度基本不变，当到某一时刻时水泥浆很快失去可塑性并具有一定强度。而曲线2的变化就不理想，表现为稠度曲线的异样，它反映水泥浆泵送的过程中稠度越来越大，可泵性越来越差，严重时会失去可泵性而造成油井报废。因此，要生产高品质的G级油井水泥，就必须严格控制C3A含量范围，过高或过低均不妥。

图1 C3A含量对稠化时间的影响

表3 C3A含量对G级油井水泥性能指标的影响

4 硅酸三钙的影响

C3S是硅酸盐水泥熟料的主要矿物，含量占到50%～65%，C3S水化较快，早期强度高，从表4可见，游离水随C3S含量的增加而减小，为负相关关系；8h抗压强度随C3S含量的增加而明显增大，为正相关关系；C3S对15～30min初始稠度、稠化时间的影响无规律性。当C3S含量＞60%时，稠化时间不符合国标对G级油井水泥的规定，产生不合格水泥；同时水化时要析出较多的Ca(OH)2，又会造成抗硫酸盐性能差，因而G级油井水泥中C3S含量不可过高。C3S对游离水和8h抗压强度的影响是一对矛盾，C3S含量过低，8h抗压强度降低，过高时，游离水含量过大，都会使G级油井水泥不符合规定[2]。另外，由于C3S水化最初阶段的水化数量与正常加石膏缓凝剂的波特兰水泥中C3S水化量相比并不见得少太多，C3S本身的凝结时间和波特兰水泥凝结时间很接近，从而在一定程度上，C3S又是决定G级油井水泥15～30min初始稠化时间的因素。这也就是GB10238-2005标准规定C3S含量上下限的主要原因。

表4 C3S含量对G级油井水泥性能指标的影响

5 铁铝酸四钙的影响

C4AF的水化速率在早期介于C3S与C3A之间，但随后的发展不如C3S。它的强度早期类似于C3A，而后期还能不断增加，类似于C2S。C4AF抗硫酸盐侵蚀性能强，国标规定G级油井水泥分为中抗硫酸盐型和高抗硫酸盐型，生产高抗硫酸盐型比生产中抗硫酸盐型对铝氧率A/F控制较低，其目的是用C4AF来代替C3A，也就是降低C3A含量相应提高C4AF含量，就能在提高水泥抗硫酸盐性能的同时，还保证有足够的熔剂矿物[3]，有利于煅烧。

从表5可以看出，随含量增加，C4AF对游离水、稠化时间、38℃下8h抗压强度影响不显著，唯有15～30min初始稠度、60℃下8h抗压强度随C4AF含量增加而显著降低，为负相关关系。当C4AF＞16%时，稠化时间减小并趋近于国标规定的下限指标90min，8h抗压强度亦有降低趋势。故GB10238-2005不但规定了G级油井水泥中C3A含量的上限值，而且也规定了C4AF（C4AF+2C3A）的上限值。

表5 C4AF含量对G级油井水泥性能指标的影响

6 碱含量的影响

碱含量：R2O=0.658K2O+Na2O，R2O含量对G级油井水泥性能指标的影响见表6。

从表6可看出，在SO3、比表面积、矿物组成等相对稳定的情况下，碱含量的变化[4][5]对游离水、稠化时间无显著影响；只有15～30min初始稠度随碱含量的增加而减少，呈负相关性，8h抗压强度随碱含量增加而提高，但养护温度60℃下的8h抗压强度提高不明显。通常熟料中的微量碱对熟料性能并不造成多少危害，这从表6可以看出。相反，它能降低最低共熔温度，降低烧成温度增加液相量，有利于固相反应的进行。但是当油井水泥固井后，水泥中较大含量的碱能和活性集料发生碱—集料反应产生局部混凝土膨胀，引起变形开裂，使油井发生井漏，严重时可使该井报废。

7 氧化镁的影响（表7）

从熟料的煅烧方面看，熟料中的少量MgO能降低烧成温度，增加液相量，降低液相粘度，有利于C3S的形成。同时有一部分MgO与熟料矿物发生固熔，最大溶解量可达2%，含量过大则以游离方镁石存在，影响水泥安定性，用于固井作业会降低油田的使用寿命[6]。

表6 R2O含量对G级油井水泥性能指标的影响

表7 MgO含量对G级油井水泥性能指标的影响

表7中，MgO的高低对15～30min初始稠度、8h抗压强度无显著影响，但游离水、稠化时间随着MgO增加而减小。我厂在实际生产时一般使MgO应控制在1.70%～2.30%之间。

8 烧失量的影响

从表8可看出，烧失量对游离水、15～30min初始稠度、60℃下8h抗压强度无显著影响，只有稠化时间随着烧失量增加而增长，38℃下8h抗压强度随着烧失量增加而减小。我厂一般控制在1%左右时各项物性指标比较合理。

G级油井水泥之所以规定了烧失量＜3.0%，是以油井水泥的高温高压的使用条件为依据的，在高温高压条件下，烧失量大的水泥易挥发。使水泥石疏松多孔，降低抗渗、抗蚀性，对强度亦有一定影响。

表8 烧失量对G级油井水泥性能指标的影响

9 结束语

通过对我公司近几年来G级油井水泥研发及生产过程中积累的大量生产台帐数据，进行整理分析，逐一探讨关于水泥各主要矿物、水泥粉磨细度和SO3含量等因素与油井水泥四大物理性能指标的相互之间的影响关系。以探求在我厂长期稳定生产优质G级油井水泥的最优化学组成和最佳粉磨工艺控制参数,从而对油井水泥的生产提供指导依据。为我公司生产合格、稳定、适合油田的油井水泥提供了保障，从而提升我公司产品的市场竞争力。

[1]Lance.E.Method of Reducing Fluid Loss in Cement Compositions.U.S.Patent No.4806164 1989.

[2]成稀,吴兆琦.特种水泥的生产及应用.北京:中国建筑工业出版社,1994.

[3]汪澜.水泥工程师手册.北京:中国建筑工业出版社, 2002.

[4]郭道源.碱在硅酸盐水泥生产中的影响.水泥学术会议论文集.中国建筑出版社,1983.5.

[5]缪沾,向超等.低碱水泥开发研究.云南省技术创新基金项目申请材料.云南省建材科研设计院,2001.8.

[6]王铃,田培.低碱水泥对碱-集料反应的抑制作用.中国建材科技.1998，（5）：13～15.