高温水泥浆体系稳定性研究

冯建建　宋亚楠　石礼岗

【摘 要】本文分析引起水泥浆体系在高温下稳定性差的原因，总结目前常用的提高水泥浆高温稳定性的措施，并分析其优缺点及适用条件。认为提高水泥浆高温稳定性不能仅通过单一途径，而需要多种措施协同解决。

【关键词】水泥浆；高温；沉降稳定性；颗粒级配；稳定剂

0 引言

在高温水泥浆体系的研究中，体系的高温稳定性是一个重要指标，这不仅关系到固井施工过程的安全性，而且影响固井质量。低温下，由于水泥浆悬浮稳定性较强，沉降问题并不显著。但在高温下，水泥浆体系中分子运动的加剧降低了分子间的粘滞力，体系悬浮稳定性变差，密度较高且比表面积较小的水泥和外掺料颗粒沉降加快，造成水泥浆体系不稳定[1]。本文讨论引起水泥浆在高温下不稳定的原因，分析提高水泥浆高温稳定性的措施及优缺点，认为提高水泥浆高温稳定性需要多种措施协同解决。

1 引起水泥浆高温下体系不稳定的原因

1.1 材料密度差异

由于高温水泥浆体系是一个由不同密度外掺料及外加剂组成的混合体系，各材料组分密度差异较大，如表1。

从表1中可以看出，水泥及硅粉等外掺料密度较大，配浆水及外加剂密度较小，由于重力作用，密度大的颗粒缓慢沉降，低温下由于分子间粘滞力强，颗粒下降缓慢，水泥浆稳定性相对较好。高温下，水泥浆浓度变稀，水泥颗粒间胶结结构遭到破坏，分子间粘滞力降低，使水泥及外掺料等颗粒下降速度变快，体系不稳定性加剧。

1.2 高分子聚合物降解

目前高温水泥浆体系中常用的降失水剂成分主要是聚丙烯酰胺类聚合物，低温下聚合物分子通过—COO-、—SO32-等基团吸附在水泥颗粒表面，将不同水泥颗粒通过分子链聚集到一起，形成空间网状结构，提高了体系的悬浮稳定性，减缓了水泥颗粒的沉降速度。高温下，由于聚合物降解及分子运动加剧，聚合物分子从水泥浆颗粒表面脱附，使聚合物分子对水泥颗粒的束缚聚集作用减弱，空间网状结构破坏，造成水泥浆变稀，沉降稳定性变差[2]。

2 提高水泥浆高温稳定性的措施

2.1 颗粒级配

由于水泥浆体系是一个不稳定的混合体系，水泥浆的沉降主要是体系中各组分密度差异造成的，因此采用颗粒级配技术，对水泥基外掺料粒径及加量进行合理优化[3]，引入粒径更小的微硅等超细材料，从而增大单位体积固相颗粒堆积率，增大体系对自由水的吸附，减小密度较大的水泥及外掺料颗粒的沉降速度，从而提高体系的沉降稳定性。

表2中，在常规的水泥+硅粉的干混灰中加入粒度更小的超细加重材料及微硅，形成三级颗粒级配，通过对不同粒径材料进行合理搭配，提高单位体积水泥浆中固相含量，形成更加致密、稳定的水泥体系。

超细加重材料一般为超细铁矿粉及锰矿粉等，对于该类材料，一方面，由于其密度高（4.8g/cm3-5.0g/cm3），需要增加混合水加量以平衡水泥浆密度，即增加水灰比，可以有效提高水泥浆的在低温下的流动性；另一方面，由于其颗粒粒径小，比表面积大，悬浮能力强，且可填充大颗粒间空隙，提高颗粒间紧密堆积率。因此适量加入超细加重材料，可以在不影响水泥浆流变性能的情况下显著提高体系的沉降稳定性。由于该类材料加量过大会增大体系水灰比，降低高温下水泥石强度，因此推荐加量一般为10%-20%BWOC（相对纯水泥的重量百分比）。

微硅具有粒径小、比表面积大、绝对密度较低（2.4g/cm3）、高温悬浮性强、防气窜等优点，且由于其主要组分为SiO2，可有效防止水泥石高温下的衰退，因此加入微硅是提高高温水泥浆体系稳定性的一个重要途径。但是由于微硅比表面积大，对自由水及缓凝剂等的吸附量也较大，一方面会造成水泥浆混配困难及增大水泥浆稠度，不利于施工过程的混配及泵送；另一方面，由于微硅对缓凝剂的吸附，降低了水泥浆中缓凝剂的有效含量，缩短稠化时间，为满足施工要求，需要加大缓凝剂的加量以延长稠化时间，又导致水泥硬化过程中强度发展缓慢。通过实验发现，对于使用G级水泥的高温水泥浆，微硅加量控制在3%-5%比较合适，对于使用H级水泥的高温水泥浆，微硅加量3%-10%BWOC为宜。

2.2 降失水剂及胶乳

高温水泥浆体系中使用的降失水剂一般为大分子聚合物类，该类降失水剂在中低温下增稠作用明显，但在高温下由于分子链断裂及对水泥颗粒吸附能力下降等特点，使其对提高水泥浆体系稳定性的能力大大减弱。因此，应选择低温下流变性能好且耐高温的有机聚合物类降失水剂，如聚丙烯酰胺类。

胶乳，又称乳胶，是聚合物微粒分散于水中形成的胶乳乳液，具有优良的控制失水及防气窜能力。在常用固井水泥浆体系中，胶乳往往作为防气窜剂使用，但由于胶乳本身为悬浮体系，具有粘度高、悬浮稳稳定性好、温度敏感性小等特点，因此在高温水泥浆体系中加入适量胶乳可显著提高水泥浆体系的稳定性，推荐加量为2%-5%。

2.3 高温缓凝剂

通过大量实验发现，高温缓凝剂对水泥浆的高温稳定性具有重要影响。表3通过沉降管实验法测定了两种缓凝剂在同一水泥浆体系中在150℃下的沉降稳定性。

表3 不同类型缓凝剂对水泥浆高温稳定性的影响

表3中缓凝剂A由丙烯酰胺与不饱和酸共聚得到，缓凝剂B为木质素磺酸盐类。通过实验发现，使用缓凝剂A的水泥浆上下密度差大，沉降严重，使用缓凝剂B的水泥浆上下密度差较小，沉降稳定性较好，说明木质素磺酸盐类缓凝剂在高温下对水泥浆沉降稳定性的影响较小。因此，应优选高温下对水泥浆沉降稳定性影响小的缓凝剂作为高温水泥浆体系的缓凝剂。

2.4 高温稳定剂

在水泥浆中加入稳定剂可以有效提高水泥浆在高温下的稳定性。高温稳定剂包括有机类和无机类，有机类主要是高分子聚合物类，其作用原理类似大分子聚合物类降失水剂，能够有效提高水泥浆的稠度，具有加量小、稳定性好等特点，但在更高温度（大于150℃）下，同样存在分解失效问题，因此有机类稳定剂适用温度不能太高。

无机类稳定剂主要是超细无机材料，可以通过分子水化，减少自由水含量，提高水泥浆稠度，且不存在高温下失效问题，但是缺点是加量较大且水泥浆初始稠度高，因此在高温水泥浆中考虑有机类和无机类稳定剂复合适用，具有良好效果。

3 结论

（1）分析了引起水泥浆在高温下体系不稳定的原因：1）高温加剧了由于水泥浆中各相密度差异引起的体系不稳定；2）高分子聚合物的降解降低了水泥浆体系浓度，进一步加剧了水泥浆颗粒的沉降。

（2）针对高温下水泥浆稳定性差的问题，提出了如下解决方案：1）通过三级颗粒级配提高单位体积中固相颗粒堆积率；2）优选耐高温聚合物降失水剂及适量加入胶乳；3）选择高温下对水泥浆沉降稳定性影响小的缓凝剂；4）选择合适的稳定剂，提高高温下的悬浮能力。通过多种措施的协同作用，可有效提高水泥浆体系的高温稳定性，保证固井作业过程中的施工安全。

【参考文献】

[1]黄柏宗，李宝贵，李希珍，等.模拟井下温度压力条件的水泥浆沉降稳定性研究[J].钻井液与完井液，2000，17（2）：1-7.

[2]杨勇，戴建文，林荣壮，等.高温水泥浆沉降稳定性[J].钻井液与完井液，2010，27（6）：55-56.

[3]周明芳，倪红坚.颗粒级配增强低密度油井水泥的研究[J].钻采工艺，2006，29（6）：104-105.

[责任编辑：杨玉洁]