高密度水泥浆外掺料硅粉和铁矿粉优选研究
2015-04-28邱国良赵军邱汇洋
邱国良 赵军 邱汇洋
【摘 要】本文综合对比不同厂家生产的、不同品质等级的硅粉和铁矿粉，利用XRD、激光粒度和SEM分析进行样品测试，并通过对比配制出的高密度水泥浆性能，筛选出较优的样品，并为后期建立硅粉和铁矿粉的质量标准提供依据。
【关键词】高密度水泥浆；硅粉；铁矿粉；流变性能；粒径分布
加重剂是配制高密度水泥浆的必需材料，而铁矿粉又是加重剂中最为常见的种类。铁矿粉自身密度大，颗粒细小，与水泥浆体系不发生化学反应，物理化学性质稳定，按不同比例添加后可大幅度提高浆体密度，但是同时又会对浆体的流变、强度、沉降稳定性等主要性能产生影响。硅粉是油田固井常用的热稳定材料，当井底静止温度大于110℃时，通常在水泥浆配方中要加入35%～45%的硅粉，起到防止水泥石高温强度衰退的作用[1]。不同粒径和质量的硅粉也会对水泥浆的流变、沉降稳定性等性能产生影响。因此，如何在保证性能优异的情况下，获得高密度乃至超高密度的水泥浆是研究的热点和难题。
紧密堆积模型是在一系列假设的理想情况下建立的，多数情况下与实际不符[2]。因此本文基于实验，选用国内的常见材料，包括不同标号的硅粉、铁矿粉，进行对比试验，优选出较好的样品，提升高密度水泥浆的综合性能。
1 实验原料和方法
实验中用到的原料见表1。
表1 实验用材料
对于水泥、硅粉和铁矿粉，前期分别进行了X射线衍射成分分析，激光粒度分析，SEM扫描电镜观察，得到了材料的基本指标。
本次实验主要集中研究2.10g/cm3密度水泥浆体系，配比如下。
表2 2.10g/cm3密度水泥浆实验配比
在固定配比的情况下，分别进行了硅粉和铁矿粉的优选工作，评价方法如下。
表3 实验评价方法
2 实验结果
2.1 硅粉优选
针对A厂家的120目、200目、300目三种硅粉，分别与B厂家不同目数、不同比例掺量的铁矿粉进行水泥浆配制实验，结果如表4、表5、表6。
从以上结果可以看出：
（1）水泥浆性能：120目硅粉：沉降稳定性差，抗压强度低；
200目硅粉：沉降稳定性好，抗压强度高；
300目硅粉：沉降稳定性好，流变性差，混灰时间较长。
（2）因此在2.10g/cm3水泥浆体系中，选择200目硅粉配制的水泥浆性能最优。
2.2 铁矿粉优选
固定选用A厂家的200目硅粉，对比不同厂家、不同目数铁矿粉的性能。
实验结果如表7。
可以看出，B厂家和D厂家在强度上优于C厂家的铁矿粉配制的水泥浆。
固定A厂家200目硅粉，掺量35%，铁矿粉掺量40%，将B厂家80目、200目、400目、1200目和D厂家800目铁矿粉配制的水泥浆养护后的强度做图。
表7 铁矿粉优选实验结果
图1 铁矿粉粒度与抗压强度关系图
随着铁矿粉颗粒变细，水泥石抗压强度呈明显的上升趋势，但是总体上的变化不大，波动在15%以内，而且都满足大于14MPa的强度要求。这说明铁矿粉粒度不是影响水泥石强度的主要因素，铁矿粉在体系中并不反应，但会起到一定的填充和密实作用，因此颗粒变细，填充效应更明显，强度会有小幅度的提高。但是强度还是主要由水泥种类和水灰比决定的。但是不同厂家的铁矿粉效果有差别，C厂家铁矿粉的强度较低。此外，配制不同密度的浆体时，铁矿粉的掺量会对强度产生较大影响。
固定A厂家200目硅粉，掺量35%，铁矿粉掺量40%，将B厂家80目、200目、400目、1200目和D厂家800目配制的水泥浆在300转下的流变读数做图。
图2 铁矿粉粒度与水泥浆流变性能关系图
从实验结果看，B厂家80目、200目、400目铁矿粉配制的水泥浆较稠，300转读数大于300；而D厂家800目的铁矿粉效果最优，流变性能最好；B厂家1200目次之。
3 结论与建议
通过上述实验，初步得到以下结论：
（1）在2.10g/cm3密度的水泥浆体系中，200目硅粉的效果最好，优于120目和300目硅粉，也因此选用200目硅粉作为后续实验材料。
（2）铁矿粉粒度对强度的影响不大，强度主要是受水泥种类和水灰比的控制，但一般粒度越细，强度稍有提高，与铁矿粉的填充作用有关。
（3）铁矿粉粒度对流变的影响较大，单独使用400目以下的铁矿粉，水泥浆较稠，并通常伴随有沉淀产生；800目和1200目铁矿粉效果较好，因为其粒度细，颗粒较为均一，水泥浆流动需要克服的阻力小。
（4）根据优选结果，可得到铁矿粉粒度的选择标准，即单独使用时，铁矿粉的粒度不得小于400目。根据国家标准和行业标准，可进一步确定硅粉和铁矿粉的密度、主要成分含量、粒径分布等指标，从而建立内部的质量控制标准。
【参考文献】
[1]刘崇建，黄柏宗，等.油气井注水泥理论与应用[M].北京：石油工业出版社，2001，9.
[2]米贵东，朱江林，等.高密度水泥浆的硬化浆体结构对其流变性能的影响[J].硅酸盐学报，2013（4）.
[责任编辑：薛俊歌]
