付雨晗 曾榆婷
四川川庆井下科技有限公司 四川德阳618301
摘要：G级高抗硫酸盐油井水泥是石油化工生产中的重要材料，对深水固井、水平井固井等质量控制具有重要影响。本文结合G级高抗硫酸盐油井水泥生产工艺概况，对膨胀剂的作用机理及性能影响因素简要说明，以此为相关生产管理工作开展提供参考。
关键词：G级高抗硫酸盐油井水泥；膨胀机理；影响因素
某企业在生产研发过程中，利用低品质石灰石作为主要生产材料，生产G级高抗硫酸盐油井水泥，取得良好的应用效果。通过对膨胀剂作用机理及性能影响因素分析，能够对对生产工艺进一步改进，以满足更多固井场景应用要求。
1、G级高抗硫酸盐油井水泥的生产
1.1 原材料
在本生产工艺中，生产G级高抗硫酸盐油井水泥主要原材料包括石灰质、黏土质、铁质原料石膏及燃料等。其中石灰质原料中，CaO含量为45%左右，SiO2含量为13%~15%之间；黏土质原料SiO2含量为54%以上；铁粉中Fe2O3含量平均为49%；石膏中SO3平均含量为45%以上，CaO平均含量为27%。原材料化学成分均能够较好的满足生产工艺要求。
1.2 生产控制措施
在生产过程中，需要从生料制备和熟料煅烧两个过程做好生产控制。其中生料制备控制首先需要做好原材料的质量检测，包括取样分析、杂质和混料的处理等。其次是要做好石灰石的粉碎作业，将破碎粒度控制在5~8mm以下，以确保生产稳定性。再次是要做好出磨生料的细度控制，确保细度合格率达到90%以上。对于熟料煅烧过程，首先需要选择合适的燃料，确保燃烧效果达到要求，燃烧温度应当控制在1400~1450°C之间。再次是要做好燃烧过程中的管理工作，尽量保持长焰顺烧模式，确保熟料煅烧质量。最后是在煅烧完成出窑阶段，要做好熟料升重控制，将不合格熟料分开存放，避免对后续使用造成影响[1]。
2、膨胀剂的作用机理
在油井水泥使用过程中，受到生产工艺和材料性能等方面因素影响，不同产品的膨胀原理有所不同，但就整体而言，膨胀作用机理主要有如下几种：（1）固相体积增大，这是由于水泥浆体中硫酸根离子、铝酸盐等发生化学反应结果，并广泛存在于各种熟料矿物中。（2）固相反应，在相关学者研究中发现，在C3A颗粒未溶解情形下，就会在表面形成钙矾石，进而出现固相体积增大现象。（3）吸水膨胀，这种机理是由于水泥浆中Aft溶解-沉淀结果造成的，在变化过程中会吸附大量水分子，但是这种机理下整体膨胀力较弱。（4）结晶压力，其机理为钙矾石交叉生长过程中，会由于相互压力而产生膨胀现象。（5）其他机理：方钙石、方镁石的膨胀等；膨胀压机理。
3、膨胀剂性能的影响因素
3.1 养护温度
根据油井水泥的性能和实际作用过程研究发现，养护温度对膨胀剂性能具有较为明显影响，在温度升高的情形下，膨胀剂水化反应速率也会明显增加，而膨胀量也会随之增加。同时，在养护温度较高时，高水平反应所需要的时间也会缩短，因此在实际作业过程中，可以通过适当提升养护温度的措施，提升膨胀剂性能[2]。
3.2 水泥浆体的碱度
在水泥水化后，所形成的孔隙液pH值，会直接影响到膨胀材料的物理特征，进而对膨胀效果产生影响。在研究中发现，pH值为0.5~12.0的情形下，Aft晶体不会产生明显膨胀，但是在pH值为12.5~14时，膨胀现象较为明显。同时，膨胀剂晶体形成的位置、尺寸等，对膨胀效果具有直接性影响。因此在具体作业过程中，可以通过调节水泥水化碱度来达到膨胀目的。
3.3 水灰比和化学外加剂
在油井水泥作业中，实际的水灰比和选用的化学外加剂，也会对膨胀效果造成明显影响。在水灰比过大的情形下，水泥浆体将会出现明显的收缩，孔隙率明显提升，水化离子的扩散速度也会明显增加，在这种情形下，水泥的膨胀量将会明显降低，对作业效果造成影响。通常情形下，化学外加剂通常包括缓凝剂、减阻剂和降失水剂等类型，不同的外加剂对膨胀效果造成影响也有不同，但通常情形下会削弱膨胀效果，因此必须结合技术要求合理选用外加剂。
3.4 养护压力
养护压力通常会造成膨胀率的下降，尤其是在温度和压力同时升高的情形下，这种影响作用更加明显，直至养护龄期结束为止，因此在作业过程中，需要结合温度、压力及养护参数设定要求，选择合适的养护压力，确保在养护环节结束后，膨胀效果能够达到设计要求[3]。
3.5 测井时间及固井质量判断
在当前水泥固井作业中，通常是采用声变测定方法，对水泥环和套管之间的胶结质量进行判定，测定时间选定为注水泥结束后24h或48h。但是这一时间段内，水泥膨胀并未完全结束，因此所测定结果不够客观。为准确测定实际膨胀效果，应当在7-14d内进行二次测定，并根据实验结果，采取对应的公式计算不同水化龄期水泥环的膨胀值，以此对固井质量做出最为准确的评定。
4、结束语
对油井水泥膨胀机理和影响因素进行更加精准的分析，是确保水泥浆体作业流程科学性和作业效果优化的基本途径，在水泥固井作业中，应当对作业材料参数进行精准分析，合理优化作业过程，并采用延迟测井方式分析膨胀结果，以确保作业质量达到运行要求。
参考文献
[1]雷鑫宇,于小荣,郑勇,杨世杰,王林,陈爽.油井水泥自修复剂L-1的制备与评价[J].精细石油化工进展,2015,16(01):10-12.
[2]姚晓.油井水泥膨胀剂研究(Ⅱ)——膨胀机理及影响因素[J].钻井液与完井液,2004(05):45-50+73-74.
[3]李县军,贾兆义,李明泽,贾雪萌,王荣伟.G级油井水泥与外加剂配伍性的研究及优化[J].水泥,2021(02):4-7.