一种大比重充填固井用水泥砂浆的研制与应用

魏红兵，付新鹏，亓燕秋

（中煤特殊凿井有限责任公司，安徽 合肥 230001）

1 概 述

为提高壁后充填层的强度和密实度，降低井壁产生破坏的危险性，加大井筒长期使用的安全性，试验研制出一种加入特殊添加剂的水泥砂浆代替原有的壁后充填材料，弥补原材料充填饱和度的不足[2]。

2 水泥砂浆试验

2.1 水泥砂浆试验备料

作为壁后充填材料的水泥砂浆的主要原材料为：水泥（P.O 42.5）、粉煤灰、黄砂及泵送剂。砂过细，混凝土用水量将会加大，强度降低，容易起砂、开裂；砂过粗，混凝土容易泌水，粘聚性差。试验中要选择砂的骨料形态及3个特征分量，即角状（angularity）、表面粗糙度（surface texture）、整体形态（shape）较好的。有角状的砂能够与水泥浆有较好的咬合力，颗粒的移动需要克服相互之间的阻力；有一定表面粗糙的砂能够的与水泥浆结合起来；整体形状是椭圆形的砂能有较好的和易性。故，3种特征分量均较好的中粗砂是水泥砂浆配制中的首选。

2.2 水泥砂浆物理性能试验

试验时配制了4种类别的水泥砂浆（KB、SR、SB及ZB）分别进行了试验，测出4种类别的水泥砂浆的初凝、终凝时间、新拌比重、塌落度、扩展度、结实率等，试验数据见表1。

通过表1的对比，选择SR类型水泥砂浆作为砂选择试验的水泥浆，进行流变性及泌水性试验，将1#和2#不同颗粒形态的砂加入水泥浆后比重、流动时间、30min泌水情况及率数据见表2。

流变性及泌水性 表2

从表2中可以看出：3个特征分量较好的砂是对水泥砂浆的比重、结实率及泌水时间等有较大的影响。

2.3 水泥砂浆力学性能试验

1#和2#形态的砂加入水泥浆后3d抗折强度和3d抗压强度数据见表3。

水泥砂浆的力学性能 表3

从表3中可以看出：2#形态砂颗粒级配较好，其配制的水泥砂浆的3d抗折强度和3d抗压强度较1#形态砂的高。

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从表1～3中可以看出：SR型掺和级配较好的中粗砂的水泥砂浆的强度、塌落度、扩展度及结实率符合要求，且其比重（2.10～23）g/cm3大于水泥浆比重（1.65g/cm3～1.75g/cm3），充填材料的比重越大，置换泥浆时的扩散角就越大，充填质量越好。

2.4 水泥砂浆泵送试验

经过反复的试验最终确定水泥砂浆建议配合比为：水泥：粉煤灰：砂：水=1：0.2：1.5：0.35，泵送剂掺量为胶凝材料总量的1.2%。试验材料为：P.O42.5水泥，中砂，粉煤灰，泵送剂。泵送试验设备为：1套HZS40搅拌站，1台HBT60G混凝土输送泵，4根 Φ125mm、L=3m的输送泵专用管，锥形管（Φ175→Φ150mm、Φ150→Φ125mm）各1根，Φ108×6mm外注浆管累长55m。试验过程如下。

①HBT60G输送泵的输出口与锥形管连接，锥形管与Φ12mm管连接，Φ108mm管通过法兰盘变径的方式与Φ12mm管连接，Φ108管之间用法兰盘连接。管路总长约70m。

②先泵送清水，检查管路的密封和畅通并湿润管路。按配合比报告进行配料搅拌，经过60s搅拌的砂浆；用塌落度筒测量砂浆塌落度，3次测量结果：270mm、270mm、285mm，取均值后砂浆的塌落度值为275mm。

四种试验类别的水泥砂浆数据分析表表1

③启动HBT60G输送泵，开始缓缓泵送砂浆，3min后在Φ108mm管出口处有砂浆流出，再经2min的正常频率（24次/min）泵送，此时输送泵的泵送压力匀速增长至5MPa后停止增长，此时Φ108mm管出口处有砂浆流动正常。

④继续搅拌砂浆并泵送，HBT60G泵运转正常，Φ108mm管中砂浆正常向前蠕动，Φ108mm管出口处砂浆量正常。

⑤选取4个点用卷尺量取砂浆的扩散尺寸为5000mm～5500mm。

泵送试验结论如下：

①设备的实际生产能力和工程实际需求有差别，需要选择与实际施工能力匹配的搅拌，泵送设备；

②砂浆（水泥砂浆建议配合比为：水泥：粉煤灰：砂：水=1：0.2：1.5：0.35）扩散在地面上的扩散程度达到了预期效果，满足实际施工对砂浆的流变性需求，可用于充填固井。

3 工程验证

采用研制的大比重的水泥砂浆充填材料对信湖煤矿风井钻井井筒壁后进行固井充填。水泥：粉煤灰：砂：水=1：0.2：1.5：0.35，泵送剂掺量为胶凝材料总量的1.2%。拌合砂浆的材料：含泥量低和细度模数在2.6～2.9的中粗砂、P.O42.5普通硅酸盐水泥、I级粉煤灰、ZF系列泵送剂。

3.1 充填设备及其布置

布置4座水泥砂浆“搅拌-输送”站，5台输送设备采用HBT60G型混凝土输送泵。每座搅拌站分别配套安装1台PL1200型一字三斗式配料机和3座容量100t水泥仓（2座装散水泥，1座装粉煤灰）。根据现场场地具体状况，2台搅拌站布置在龙门道北侧，分别距井口的距离约120m（原有施工井壁用的搅拌站）和70m。另2座搅拌站布置在龙门道南侧，分别距井口约20m和30m。

地面水平输送管路采用Φ125×4mm专用泵送钢管，管与管之间通过专用管箍连接。井下注浆管路采用Φ108×6mm无缝钢管，管与管之间通过带螺纹的管箍连接。Φ108mm与Φ12mm管之间用带K型快速接头与Φ8mm×2SP高压钻探胶管柔性连接[3]。

3.2 充填固井试验

对信湖煤矿风井共进行9个段高的壁后充填固井，历时19d，充填高度为472m。各段高的充填过程及充填用量如表4所示。

信湖煤矿风井9个段高的壁后充填固井取得了较好的效果，固井作业过程安全顺利，水泥砂浆密度控制均匀，泵送顺畅，实测充填结实率为97.8%。经壁后充填质量检查，成井偏值48mm，偏斜率0.102‰，有效圆直径Ф6.91m，符合设计要求，成井质量优良。

信湖煤矿风井各段高壁后充填大比重水泥砂浆的量 表4

4 结论及建议

大比重充填用水泥砂浆的研制及应用，提高了钻井井筒壁后充填质量、井壁耐久性、和施工的安全性，节约了建设资金。

①采用大比重填充用水泥砂浆进行壁后充填，不仅比水泥浆与碎石间隔分段充填的充填质量好，而且比单独采用水泥浆充填的成本低。

②掺和级配较好的中粗砂的水泥砂浆的强度、塌落度、扩展度及结实率符合要求，且其比重（2.10～23）g/cm3大于水泥浆比重（1.65g/cm3～1.75g/cm3），充填材料的比重越大，置换泥浆时的扩散角就越大，充填质量越好。

③采用混凝土搅拌机搅拌水泥砂浆，混凝土输送泵输送水泥砂浆及井下用Φ108×6mm的钢管作注浆管的“一管一泵”制注浆工艺技术上是可行的。

④水泥砂浆的配合比：水泥：砂：粉煤灰：水=1：1.5：0.2：0.35，泵送剂掺量为胶凝材料总量的1.2%，也可根据实际进一步调整，以适当提高砂浆的流动性能和延长初凝时间。

[1]洪伯潜.煤矿井筒大直径钻井法凿井技术[A].2006年钻井基础理论研究与前沿技术开发新进展学术研讨会论文集[C].2006.

[2]严海兵，张成金，冷永红.精铁矿粉加重水泥浆体系研究与应用[J].钻井液与完井液，2009(6).

[3]沙林浩，高永会，燕平，等.河南油田新庄、杨楼区块稠油热采井固井水泥浆[J].钻井液与完井液，2007(5).