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摘要：针对超高温超高密度水泥浆设计中难于协调的超高密度与高强度、良好流动性与浆体稳定性的矛盾问题，利用粒度级配原理建立了以水泥为水化胶凝材料和颗粒表面存在吸附水化膜的三级颗粒密堆积粒度级配新模型，并应用该模型通过室内优化和添加剂优选实验，实现了以还原铁粉和铁矿粉加重、硅粉热稳和微硅充填的双三级颗粒级配的组配加重，进行超高密度水泥浆的实验优化。开发出了抗温达 200 ℃，密度达 2.82g/cm 3 的超高密度防气窜水泥浆体系。室内评价结果表明，该体系综合性能协调良好，防气窜能力强，说明所建立的级颗粒级配新模型和应用该模型采用双三级颗粒级配进行超过密度水泥浆实验设计的可靠性和实用性。
关键词：超高温超高密度水泥浆；还原铁粉；粒度级配；防气窜；固井
面临高温高压固井作业越来越复杂，实践中国内外利用颗粒级配原理研发出抗温达 200 ℃及以上，或密度达 2.80 g/cm 3 及以上的水泥浆体系，但对于密度达到 2.70 g/cm 3 以上，适应循环温度达 200 ℃的超高温超高密度水泥浆体系仍未见报导。为此，笔者利用粒度级配原理，室内实验开发出了抗温达 200 ℃和密度达 2.82 g/cm 3 的水泥浆体系，以供应用选择。
1 粒度级配原理应用研究
常规的粒度级配原理是基于连续粒径的堆积密度模型，以干粉体系为对象，认为颗粒间是直接相互接触的。但水泥漿中的水泥是水化胶凝材料，固体颗粒有表面吸附水化层和颗粒间斥力的作用。因此，水泥浆中的颗粒不是相互直接接触堆积的，据此可导出新的颗粒堆积的模型。设一级、二级和三级颗粒的半径分别为 r 1、r 2 和 r 3。
1.1 第二级颗粒表面间的距离
1.2 第三级颗粒粒径确定
设 AB 中点（第三级颗粒中心）为 D 点，过 D点作 AB 垂线，必过 E 点（第二级颗粒中心）。因此，2 个二级颗粒表面间的距离 L 22 为 DE-r 2 的 2倍，而 AB=2R，连接 AE 平分 60°圆心角，所以L 22 =2（R/3 0.5 -r 2），2 个一级颗粒表面间的距离 L 11 =2（R-r 1）。因此，1 个一级与 1 个二级颗粒表面间的距离 L 12 =2R/3 0.5 -（r 1 +r 2）。由于水泥颗粒粒径为 20～30 ?m，在 2 颗二级颗粒间放 1 个三级颗粒，为提高或保证水泥石强度，应
实现二级与三级间“不接触”，即由水泥颗粒将他们分隔开。这可分 2 种情况：
1）二级与三级颗粒间，只有一层常规水泥颗粒隔离，水泥颗粒半径为 r c1，此时有 L 22 ≥2r 3 -2×2r c1，由此可知，2（R/3 0.5 -r 2）≥2r 3 -2×2r c1。因此，第三级颗粒的半径应为：r 3 =R/3 0.5 -（r 2 +2r c1）（2）2）二级与三级颗粒间，有一层常规水泥颗粒半
径为 r c1 和一层微细颗粒半径为 r c2 双层隔离，此时有L 22 ≥2r 3 -2（2r c1 +2r c2），同样结合前述 L 22 的表达式有2（R/3 0.5 -r 2）≥2r 3 -2（2r c1 +2r c2）。因此第三级颗粒的半径应为：r 3 =R/3 0.5 -[r 2 +2（r c1 +r c2）]
2 水泥浆主要材料分析与组配
2.1 材料粒径测试
实验用微硅、硅粉、铁矿粉和还原铁粉的粒度测试结果见图 2。由图 2 可见，微硅具有双正态分布情形，第一中值约为 0.16～0.18 ?m，第二中值约为 8～9?m；硅粉有的 D 50 粒径约为 200 ?m；铁矿粉的 D 50粒径约为 20 ?m；还原铁粉的 D 50 粒径约为 70 ?m。
2.2 材料级配分析
根据前述三级粒度级配模型和测试的微硅、硅粉、铁矿粉和还原铁粉的粒度分析结果。
2.3 添加剂.通过调研和选取多家添加剂厂商样品进行实验分析，选择了 OMC 油田服务公司生产的添加剂：降失水剂 HX-11L，超高温缓凝降失水剂 HX-36L，高温缓凝剂 HX-31L，稳定剂 STAB-1，增强稳定剂CEA-1，增强稳定剂 CEA-2，防窜剂 FLOK-2，消泡剂 XP-1 和成都川峰化工有限公司的分散剂 SXY-2。
3 水泥浆基本配方及性能评价
3.1 基本配方
根据高密度水泥浆设计的粒度级配原理，结合 G级水泥与可供选择加重剂、石英粉等的细度及密度情况，通过室内实验获得了密度为 2.75 和 2.82 g/cm 3 超高密度水泥浆的基本配方如下。1）干混组分：G 级水泥 + 硅粉 + 加重铁矿粉 2+稳定剂 + 增强稳定剂 + 防气窜剂 + 分散剂2）湿混组分：降失水剂 + 高温缓凝剂 + 超缓凝降失水剂 + 消泡剂 + 自来水.
3.2 水泥浆性能
1）自由水、失水量等常规性能。按行业标准，室内测试密度为 2.75 和 2.82 g/cm 3 超高密度水泥浆的流动度、自由水、失水量、稳定性（密度差）。
2）稠化时间、抗压强度等常规性能。按循环温度为 180～200 ℃的条件，测得缓凝剂对密度为 2.75和 2.82 g/cm 3。密度为 2.75 和 2.82 g/cm 3 水泥浆配方的综合性能良好，其自由水为 0.4%，API 失水量为 30～32 mL，密度差为 0.035～0.040 g/cm 3，稠化时间为 250～366 min，曲线正常且呈直角稠化，48 h抗压强度为 15.0～17.5 MPa。
3）防气窜能力分析。循环温度为 180～200℃下密度为 2.75 和 2.82 g/cm 3。可见，密度为 2.75 和 2.82 g/cm 3超高密度水泥浆的防气窜性能系数 SPN 值在 0.14～0.56 之间，小于 3，即属于强防气窜的水泥浆体系。
4 结论与认识
1. 基于水泥为水化胶凝材料和颗粒表面存在吸附水化膜建立的三级颗粒紧密堆积粒度级配新模型，为优选与 G 级水泥匹配的加重剂铁矿粉和还原铁粉、硅粉和微硅配制超高密度水泥浆的固相材料级配设计提供了依据。2. 根据研究建立的三级颗粒紧密堆积新模型，通过大量实验，得到抗温达 180～200 ℃的密度为 2.75和 2.82 g/cm 3 的超高密度水泥浆体系，并测试评价了其综合性能和防窜性能，结果表明水泥浆体系稳定、综合性能良好协调、防气窜能力强。
参考文献：
[1]彭先展，蒋红 . 川东北地区高密度防气窜水泥浆体系研究 [J]. 江汉石油科技，2015，18（3）：28-34.
关键词：超高温超高密度水泥浆；还原铁粉；粒度级配；防气窜；固井
面临高温高压固井作业越来越复杂，实践中国内外利用颗粒级配原理研发出抗温达 200 ℃及以上，或密度达 2.80 g/cm 3 及以上的水泥浆体系，但对于密度达到 2.70 g/cm 3 以上，适应循环温度达 200 ℃的超高温超高密度水泥浆体系仍未见报导。为此，笔者利用粒度级配原理，室内实验开发出了抗温达 200 ℃和密度达 2.82 g/cm 3 的水泥浆体系，以供应用选择。
1 粒度级配原理应用研究
常规的粒度级配原理是基于连续粒径的堆积密度模型，以干粉体系为对象，认为颗粒间是直接相互接触的。但水泥漿中的水泥是水化胶凝材料，固体颗粒有表面吸附水化层和颗粒间斥力的作用。因此，水泥浆中的颗粒不是相互直接接触堆积的，据此可导出新的颗粒堆积的模型。设一级、二级和三级颗粒的半径分别为 r 1、r 2 和 r 3。
1.1 第二级颗粒表面间的距离
1.2 第三级颗粒粒径确定
设 AB 中点（第三级颗粒中心）为 D 点，过 D点作 AB 垂线，必过 E 点（第二级颗粒中心）。因此，2 个二级颗粒表面间的距离 L 22 为 DE-r 2 的 2倍，而 AB=2R，连接 AE 平分 60°圆心角，所以L 22 =2（R/3 0.5 -r 2），2 个一级颗粒表面间的距离 L 11 =2（R-r 1）。因此，1 个一级与 1 个二级颗粒表面间的距离 L 12 =2R/3 0.5 -（r 1 +r 2）。由于水泥颗粒粒径为 20～30 ?m，在 2 颗二级颗粒间放 1 个三级颗粒，为提高或保证水泥石强度，应
实现二级与三级间“不接触”，即由水泥颗粒将他们分隔开。这可分 2 种情况：
1）二级与三级颗粒间，只有一层常规水泥颗粒隔离，水泥颗粒半径为 r c1，此时有 L 22 ≥2r 3 -2×2r c1，由此可知，2（R/3 0.5 -r 2）≥2r 3 -2×2r c1。因此，第三级颗粒的半径应为：r 3 =R/3 0.5 -（r 2 +2r c1）（2）2）二级与三级颗粒间，有一层常规水泥颗粒半
径为 r c1 和一层微细颗粒半径为 r c2 双层隔离，此时有L 22 ≥2r 3 -2（2r c1 +2r c2），同样结合前述 L 22 的表达式有2（R/3 0.5 -r 2）≥2r 3 -2（2r c1 +2r c2）。因此第三级颗粒的半径应为：r 3 =R/3 0.5 -[r 2 +2（r c1 +r c2）]
2 水泥浆主要材料分析与组配
2.1 材料粒径测试
实验用微硅、硅粉、铁矿粉和还原铁粉的粒度测试结果见图 2。由图 2 可见，微硅具有双正态分布情形，第一中值约为 0.16～0.18 ?m，第二中值约为 8～9?m；硅粉有的 D 50 粒径约为 200 ?m；铁矿粉的 D 50粒径约为 20 ?m；还原铁粉的 D 50 粒径约为 70 ?m。
2.2 材料级配分析
根据前述三级粒度级配模型和测试的微硅、硅粉、铁矿粉和还原铁粉的粒度分析结果。
2.3 添加剂.通过调研和选取多家添加剂厂商样品进行实验分析，选择了 OMC 油田服务公司生产的添加剂：降失水剂 HX-11L，超高温缓凝降失水剂 HX-36L，高温缓凝剂 HX-31L，稳定剂 STAB-1，增强稳定剂CEA-1，增强稳定剂 CEA-2，防窜剂 FLOK-2，消泡剂 XP-1 和成都川峰化工有限公司的分散剂 SXY-2。
3 水泥浆基本配方及性能评价
3.1 基本配方
根据高密度水泥浆设计的粒度级配原理，结合 G级水泥与可供选择加重剂、石英粉等的细度及密度情况，通过室内实验获得了密度为 2.75 和 2.82 g/cm 3 超高密度水泥浆的基本配方如下。1）干混组分：G 级水泥 + 硅粉 + 加重铁矿粉 2+稳定剂 + 增强稳定剂 + 防气窜剂 + 分散剂2）湿混组分：降失水剂 + 高温缓凝剂 + 超缓凝降失水剂 + 消泡剂 + 自来水.
3.2 水泥浆性能
1）自由水、失水量等常规性能。按行业标准，室内测试密度为 2.75 和 2.82 g/cm 3 超高密度水泥浆的流动度、自由水、失水量、稳定性（密度差）。
2）稠化时间、抗压强度等常规性能。按循环温度为 180～200 ℃的条件，测得缓凝剂对密度为 2.75和 2.82 g/cm 3。密度为 2.75 和 2.82 g/cm 3 水泥浆配方的综合性能良好，其自由水为 0.4%，API 失水量为 30～32 mL，密度差为 0.035～0.040 g/cm 3，稠化时间为 250～366 min，曲线正常且呈直角稠化，48 h抗压强度为 15.0～17.5 MPa。
3）防气窜能力分析。循环温度为 180～200℃下密度为 2.75 和 2.82 g/cm 3。可见，密度为 2.75 和 2.82 g/cm 3超高密度水泥浆的防气窜性能系数 SPN 值在 0.14～0.56 之间，小于 3，即属于强防气窜的水泥浆体系。
4 结论与认识
1. 基于水泥为水化胶凝材料和颗粒表面存在吸附水化膜建立的三级颗粒紧密堆积粒度级配新模型，为优选与 G 级水泥匹配的加重剂铁矿粉和还原铁粉、硅粉和微硅配制超高密度水泥浆的固相材料级配设计提供了依据。2. 根据研究建立的三级颗粒紧密堆积新模型，通过大量实验，得到抗温达 180～200 ℃的密度为 2.75和 2.82 g/cm 3 的超高密度水泥浆体系，并测试评价了其综合性能和防窜性能，结果表明水泥浆体系稳定、综合性能良好协调、防气窜能力强。
参考文献：
[1]彭先展，蒋红 . 川东北地区高密度防气窜水泥浆体系研究 [J]. 江汉石油科技，2015，18（3）：28-34.