浅谈硅酸盐水泥特性与应用

钱子杰

【摘要】：水泥浆护壁堵漏是钻探施工对付复杂地层的有效方法之一，常用硅酸盐水泥通过外加剂改性可以获得与多种特种水泥同性能的水泥浆液。因而合理使用外加剂可以使常用普通水泥在现场处理复杂地层时，代替特种水泥，取得良好的技术、经济效益。

【关键词】：硅酸盐水泥；外加剂；复杂地层钻井护壁

近年来，随着材料工业的发展，如快干早强水泥、膨胀水泥、触变性水泥等诸多特种水泥和地质专业水泥的问世，为水泥浆护壁堵漏提供了更可靠的施工材料。然而具有特定性能的特种水泥也很难适应多种多样的井内复杂情况，况且特种水泥货紧价高。因此，寻找一种可大范围调节其性能的廉价的护壁堵漏水泥非常紧迫。

1 硅酸盐水泥的特性

硅酸盐水泥是目前建筑工程中最常见的原材料之一，抗硫水泥是硅酸盐水泥的一个品种，属于硅酸盐水泥的体系，具有以下特性：

1.1耐腐蚀性能：由于限制了水泥中某些矿物组成的含量，从而提高了对硫酸根离子的耐腐蚀性，但它能具有硅酸盐水泥的基本性质，所以它不是广义上的耐腐蚀水泥。抗硫水泥只是对一定浓度的硫酸根离子的纯硫酸盐有耐蚀性，并不能耐一切硫酸盐介质的腐蚀，如对硫酸铵、硫酸镁介质就不耐蚀，对硫酸、亚硫酸也不耐蚀，也不耐二氧化硫、三氧化硫气体的腐蚀。因此抗硫水泥不能誤认为对所有的硫酸盐介质均有耐蚀性。

1.2使用部位：抗硫水泥的腐蚀试验，是将试件浸泡在低浓度的硫酸钠溶液中，它不可能具备硫酸钠的结晶条件，是纯粹的化学腐蚀。国标GB748—1996推荐使用于受硫酸盐腐蚀的海港；水利、地下、隧道、引水、道路和桥梁基础等工程。西南铁路一些隧道工程，由于遭受硫酸盐的腐蚀，采用了抗硫水泥，但后来效果并不好，这可能是含有硫酸盐介质的地下水渗透隧道衬里后，由于风干作用，而使介质浓缩，产生结晶，造成衬里开裂破坏。

1.3抗硫酸盐硅酸盐水泥的代用：由于抗硫水泥的配方和产生过程要求严格，应用面不太广，一般水泥厂是按需生产，同时生产成本也较高，价格较贵。小批量水泥厂大都不愿生产，供应相对困难。普通水泥、矿渣水泥、大坝水泥中只要水泥中铝酸三钙含量低于5%，可作为中抗硫水泥的代用品。

2 外加剂的合理应用是普通水泥护壁堵漏成功的关键

2.1 按水泥品种合理选用外加剂

使用不同品种的普通水泥应着重对早期强度标注号加以区别而选用外加剂。

2.2 明确改善水泥性能的目的，合理选用外加剂。综合选用外加剂，是合理使用外加剂的关键。如井内注浆主要目的为堵漏时，应选用减少剂、还凝剂为主要外加剂，以缩短终凝时间。

2.3准确确定外加剂掺量并以室内试验校正。在合理选用外加剂品种的基础上，还要准确确定最优掺量。

2.4充分考虑施工条件，确定外加剂掺量。

外加剂掺量是在综合考虑工程要求和外部环境条件的情况下加以确定的。

2.5尽可能选用复合外加剂。外加剂复合使用往往可以使各种外加剂的优越性充分体现，相互促进，以适应多种工程的特殊需要。

3 水、灰等材料的选择和影响

水和水泥是护壁堵漏工程的主要材料，能否正确掌握材料特性并合理应用材料，关系到工程质量与护壁堵漏的成败。

3.1水泥的选择与应用

3.1.1硅酸盐水泥是以硅酸钙为主要成分的硅酸盐水泥熟料，加入适量石膏制成的水硬性胶凝材料。

硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥在常用水泥中标号较高，凝结硬化速度快，早期强度高，故一般护壁堵漏工程应用较多，尤其在造壁强度要求高时更为适用。

3.1.2火山灰硅酸盐水泥。该水泥密度较小，水化硬化较慢，早期强度低，水泥结石在湿热条件下养护，具有较高的不透水性，需水量大，结石收缩大的缺点。

3.1.3矿渣硅酸盐水泥

早期强度较硅酸盐水泥低，体积安定性好，耐热性好，但保持水份性能差，干缩性较大。矿渣硅酸盐水泥较适用于大口径钻井和大井段护壁堵漏，尤其适用于地温较高的钻井护壁堵漏，但必须解决好水泥浆泌水性大和干缩的问题。

3.1.4粉煤灰硅酸盐水泥。 其特性与火山灰硅酸盐水泥相近，优点是水泥浆液动性好，但失水较严重，适用于大井段灌注工程。

3.2配浆用水的选择与应用

一般地，含无机盐的水对水泥浆起保凝作用，而天然水中所含腐植酸等有机物又往往引起水泥缓凝。现场用水应利用方便水源。只要不是显著含盐或具有碱味的水，一般都可以用。

4 普通工艺与工程质量

普通水泥护壁堵漏能否成功，除合理选择水泥浆灌注材料及外加剂外，针对工程特点正确掌握灌注工艺至关重要。

4.1把握施工要求严格控制水灰比

严格控制浆液水灰比关系到护壁堵漏的成败。理论要求水泥充分水化凝固的水灰比是0.21-0.25，现场应用一般为0.35-0.6。因此，现场必须把握好水灰计量关，按设计配方配浆。

4.2选择合适的水泥浆搅拌方式和设备

在水泥用量较小，水灰比较大时，可以人工搅拌，在配浆用灰超过500kg时，尽可能使用机械搅拌或水力搅拌方式。当配方中有速凝剂时，必须使用高效能搅拌设备。

4.3选择灌注方式

水泥的灌注方式可分为水泵灌注法、输送器注入法和干料投入法。

当灌注浆液量较大且钻井较深时，一般采用水泵灌注法。水泵灌注时，必须将钻杆下到井底后才能开泵注浆。

封堵较薄的坍塌漏失层或大溶洞裂隙，需较小水灰比或速凝浆液注入堵漏时，一般采用专用输送器灌注。

干料投入多用于地下水活动量大的封堵层位或较大空洞漏失时的落柱。可按一定的比例将干料与干水泥经地面预混合装入小袋送入井底，用无芯钻头钻破小袋使水泥与水混合以达到速凝效果。

4.4把好压水工序关，准确计算顶替排水量

注浆后的顶替压水目的有两个：一是将管道中的水泥浆压送到井底，二是清洗钻杆及注浆泵等。

4.5候凝与透井

透井期确定得合适与否往往会影响整个灌注的成败。透井期过早，水泥结石强度低，透井后封堵质量下降甚至封堵失败。而透井过晚，往往会因水泥结石强度太高，围岩强度低而导致透井倾斜，或降低透井效率 ， 实践证明，应用普通硅酸盐水泥或矿渣水泥等普通水泥，通过合理掺和使用外加剂，可以适应各种复杂地层处理，从而用廉价简捷的办法解决钻探生产中的大难题。

【参考文献】：

[1] 杜焕文，胡忠义.常用硅酸盐水泥护壁堵漏实践与探讨 [J].煤田地质与勘探，1992.

[2] 叶正茂.硫铝酸盐水泥基防渗堵漏材料的研究[D].南京工业大学，2004.