储气库固井水泥石渗透率演化规律

固井水泥石渗透率是影响储气库长效密封的关键参数。利用超低渗气体渗透率测量仪,文中对水泥石开展了不同围压和恒定围压、升降有效应力下的渗透率测试,分析了不同压力条件对水泥石渗透率的影响机制;采用数学拟合方法,揭示了水泥石渗透率演化规律。研究结果表明:水泥石渗透率随围压增加而降低;围压恒定、有效应力升降过程中,水泥石渗透率先降低后增大,且有效应力降低阶段水泥石渗透率高于其升高阶段,水泥石内部结构损伤是该差异的主要原因;线性叠加法结合现有渗透率模型计算的水泥石渗透率结果偏高,新建的数学模型能够考虑围压和有效应力的影响,可有效预测不同压力条件下的储气库水泥石渗透率变化。研究结果为注采服役期储气库固井水泥石渗透率预测提供了一个新方法,可为储气库固井水泥环渗漏分析提供关键参数。

强紫外线辐射环境对水泥石干缩变形的影响及其机理

为了掌握强紫外线辐射环境下水泥基材料体积稳定性的演变规律,确保服役于强辐射地区的水泥基材料性能的稳定性,通过硬化水泥浆体干燥收缩试验,研究标准干燥环境和强紫外线辐射环境下硬化水泥浆体的干缩变形和质量损失的演化规律。结合热重分析(TG)和汞孔隙率(MIP)测试方法,探讨强紫外线辐射环境对硬化水泥浆体的干燥收缩的影响机理。同时,基于减缩剂的减缩机理,探讨其在强紫外线辐射环境下的作用效果。研究结果表明:相较于标准干燥环境,强紫外线辐射环境显著增加水泥石的干燥收缩和质量损失,降低水泥水化程度,从而使水泥石的孔隙结构粗化。掺入减缩剂可以降低水泥石的介孔率(<50 nm),有效降低强紫外线辐射环境下水泥石的干燥收缩。此外,在强紫外线辐射环境下,减缩剂的掺入会进一步降低孔隙溶液的表面张力,增强减缩剂的减缩效果。值得注意的是,当减缩剂掺量为1%时,强紫外线辐射对减缩剂效果的增强作用最为显著。当掺量进一步增加时,这种增强作用将受到限制。研究结果厘清了强紫外线辐射环境下的水泥基材料变形规律,为服役于类似环境的水泥基材料体积稳定调控提供技术依据。

轻烧氧化镁反应活性对水泥石变形敏感性的影响

本文以两种水化反应活性的轻烧氧化镁为研究对象,系统研究了掺两种不同活性氧化镁的水泥石在不同养护湿度和养护温度下变形的湿度敏感性和温度敏感性规律,以期为轻烧氧化镁在实际工程应用中水化活性的选择提供参考依据。结果表明:活性反应时间短、水化活性高轻烧氧化镁M75在水泥石中膨胀变形的湿度敏感性相对较大、温度敏感性较小;活性反应时间长、水化活性低的轻烧氧化镁M190在水泥石中膨胀变形的湿度敏感性相对较小、温度敏感性较大。

固井水泥石低温强度诱导纳米水化硅酸钙晶核

针对低温或表层固井水泥浆候凝时间长、水泥石早期强度低且发展慢等问题,以硝酸钙、硅酸钠、梳型聚羧酸减阻剂、聚丙烯类稳定剂为原料,采用化学沉淀法+磁力搅拌+超声分散的制备工艺提高混合效率,制得水泥石低温强度诱导晶核(LTI)。通过透射电镜观察LTI的微观形貌、分析其元素组成,研究了其对水泥浆低温稠化性能和静胶凝过渡时间、水泥石低温强度发展的影响。结果表明,LTI的基本单元结构为堆叠的类锡箔状和絮片状,伴有少量棒状和规则方形晶体,尺寸为100~200 nm,周围延伸出类纤维状物质,比表面积较大。LTI借助自身模板成核作用促进水泥水化进程,降低堆积产物成核势垒,促使低温稠化曲线由爬坡向直角转变,可在10℃下将稠化时间之比控制在0.47以内。LTI可诱导水泥石早期强度快速发展,随LTI掺量增加、温度升高,水泥石低温抗压强度增大。在20℃下,掺有1.5%、5.0%LTI水泥石的24 h抗压强度分别提高89.1%、257.8%;在30℃下,掺有1.5%、5.0%LTI水泥石的6 h抗压强度分别为4.1、6.5 MPa,相比于刚成型的净浆水泥石,抗压强度实现跨越式发展。掺有LTI的水泥浆在30℃下的静胶凝过渡时间可由78 min缩短至18 min,有助于提高水泥浆的防窜性能。纳米水化硅酸钙晶核LTI可缩短低温浅层或高寒区域油气井建井周期、提高固井质量。

莺琼盆地高温高含CO_(2)环境水泥石腐蚀规律及机理研究

莺琼盆地部分井高压井段地层的CO_(2)含量高,针对高温高含CO_(2)条件下,水泥环强度衰退和CO_(2)腐蚀导致的水泥石强度降低规律和机理不清楚等问题。采用实验方法分析了腐蚀时间、温度、压力及CO_(2)分压等因素对水泥石的腐蚀规律的影响并分析了腐蚀机理。结果表明:随着腐蚀时间、温度、CO_(2)分压、地层压力的增加,水泥石的腐蚀深度增加,同时抗压强度降低,产生这种现象主要原因是CO_(2)溶于水后会腐蚀水泥石中的雪硅钙石和硬硅钙石,生成在潮湿的CO_(2)环境下易溶的碳酸氢钙,使得水泥石孔隙度和渗透率增大,强度降低。该研究为后续高温高压井固井水泥浆体系选择及改进提供了依据。

木质素磺酸钙对固井水泥石变形破坏特性的影响及其改性机制

在采动区地面井煤层气抽采工程中,工作面的回采会对上覆岩层产生较大的扰动,进而导致地面井变形破坏,不能有效发挥卸压煤层气地面井的抽采效能。固井技术能够有效延长采动作用下卸压煤层气地面井的寿命,水泥作为影响地面井固井质量的关键因素,其早期强度需满足较高的固井要求,水泥固结后形成水泥石,水泥石的力学性能对维持卸压煤层气地面井的稳定性至关重要。通过添加分散剂提高水泥石的力学性能是改善固井效果的有效途径。针对目前采动作用下木质素磺酸钙改性水泥石变形破坏特性的研究较少,通过开展循环荷载下不同质量分数的木质素磺酸钙改性水泥石单轴压缩试验,探究木质素磺酸钙对卸压煤层气地面井水泥石变形破坏特性的影响及其改性机制。研究结果表明:水泥石纵波波速和峰值应力随木质素磺酸钙质量分数增加呈现出先增加后降低的趋势,而水泥石声发射总振铃计数随木质素磺酸钙质量分数增加呈现出先减小后增大的趋势。随着单轴循环梯级的增加,水泥石的变形模量呈现出强化现象,且初始加卸载循环对变形模量的强化作用最为显著。随着木质素磺酸钙的加入,改性水泥石的破坏模式呈现出拉伸主导→剪切主导→拉伸主导的拉剪组合破坏模式,同时改性水泥石的分形维数呈现出先减小后增大的趋势,表明适量木质素磺酸钙的加入能够有效提高单轴循环加卸载下水泥石的抗破坏能力。随着木质素磺酸钙质量分数的增加,水泥石水化产物之间孔隙呈现出先减少后增多的趋势。适量木质素磺酸钙的加入会促进水泥石中C−S−H凝胶和钙矾石的大量生成,沉淀在水泥颗粒表面相互交织,可显著提高水泥石的峰值应力,对于提高水泥石的力学性能具有积极作用,同时也使得水泥石的孔隙率降低,进而导致水泥石纵波波速增加、循环荷载过程中水泥石累计声发射振铃计数减小。而木质素磺酸钙过量加入时,木质素磺酸钙的引气作用和电性相斥作用在水化过程中占据主导作用,会引入较多气泡,造成水泥颗粒之间间隙的产生,同时抑制了C−S−H凝胶和钙矾石的早期生成,对水泥石的力学性能造成消极影响。此外,会造成水泥石孔隙率增加进而导致水泥石纵波波速减小、循环荷载过程中水泥石累计声发射振铃计数增加。因此,木质素磺酸钙对水泥石的力学性能的影响具有双重效应。

基于数值模拟的CO_(2)对油井水泥石腐蚀规律研究

CO_(2)对水泥石的腐蚀是长期以及多因素影响的过程。为研究CO_(2)对水泥石的腐蚀规律,基于溶质运移理论、化学反应动力学定律和物料守恒原理,建立了CO_(2)腐蚀水泥石的溶质运移反应模型,以数值计算的手段再现了CO_(2)腐蚀水泥石的物理化学过程,并得出了适用于数值模拟的腐蚀深度测定方法及腐蚀区域的定量划分方式。研究结果表明:C-H在腐蚀过程中最先耗尽,当C-H大量消耗后C-S-H才开始参与反应。水泥石外侧溶蚀作用使水泥石性能劣化,而内部CaCO_(3)沉积使水泥石孔隙度降低。同时,温度升高加会加剧水泥石腐蚀,碳酸溶液中Ca^(2+)摩尔浓度和p H值提高会抑制腐蚀,但溶液pH值只有在较低范围内(<3)变化才会对腐蚀深度产生明显影响。

纳米二氧化硅对水泥石的氯离子结合量影响

混凝土孔溶液中的自由氯离子容易造成钢筋锈蚀和混凝土结构开裂,导致混凝土建筑结构破坏。研究将混凝土孔溶液中的自由氯离子转化为结合氯离子,对混凝土结构的稳定性有着十分重要的意义。试验以纳米二氧化硅掺量和氯离子浓度为变量,研究了纳米二氧化硅对水泥石的氯离子结合量影响,根据等温吸附理论绘制结合氯离子与自由氯离子的拟合关系曲线,通过XRD分析、热重分析研究水泥石的氯离子结合机理。结果表明:纳米二氧化硅的掺入对水泥石的氯离子结合量有改善作用、能够加快水泥水化、促进C-S-H凝胶和Friedel′s盐的生成,有利于水泥石的氯离子物理吸附和化学结合。

超细石墨复合改性水泥石的导热性能

为提高地热的开采效率,在地热井采热段应使用具有高导热性能的固井材料。以超细石墨为提高导热性能的掺合料,选用十二烷基苯磺酸钠作为分散剂提高超细石墨在水泥浆中的分散稳定性;优选出适合的超细石墨分散液后,进一步制备超细石墨复合改性水泥石(简称为水泥石)作为固井材料;研究超细石墨掺量对水泥石的抗压强度和导热性能的影响;运用XRD、TG、MIP、SEM测试和表征水泥石的物相组成、孔隙率和结构致密性,研究不同掺量的超细石墨对水泥石导热性能的影响;探讨不同石墨掺量和孔隙率条件下的水泥石导热机制。结果表明:随着超细石墨掺量的增大,水泥石的导热系数先增大后减小,当超细石墨质量分数为12%时,水泥石导热系数达到最大值,为2.45 W/(m·K);超细石墨的导热性能、孔隙率与水化产物的含量均可影响水泥石导热性能;随着超细石墨掺量的增大,水泥石的抗压强度先增大后减小;综合考虑水泥石的导热性能与力学性能,超细石墨的优选质量分数应为10%~12%。

基于水泥石拉伸试验的储气库水泥浆体系优选

目前国内外常用巴西劈裂抗拉强度作为评价储气库水泥环封隔完整性的关键指标之一,但其测试过程中受加载点应力集中的影响导致测值偏低,进而无法设计、优选出满足储气库封隔完整性要求的水泥浆体系。文章根据储气库注气过程中水泥环受周向拉伸应力的特点,研制了水泥石拉伸抗拉强度测试装置并提出了相应的测试方法,测试并分析了不同体系水泥石拉伸抗拉强度、巴西劈裂抗拉强度和抗压强度三者之间的关系,优选了满足XX储气库生产运行要求的水泥浆体系。研究结果表明:评价水泥环封隔完整性、优选水泥浆体系应采用拉伸抗拉强度作为关键指标之一,拉伸法解决了巴西劈裂法应力集中导致抗拉强度测值偏低的问题,其测得的抗拉强度比巴西劈裂法测得的要大40%,拉伸法拉压比为0.054~0.076,巴西劈裂法拉压比为0.038~0.055。该成果应用于XX储气库水泥浆体系优选研究,优选出10%胶乳水泥浆体系更能保证水泥环的封隔完整性,对储气库水泥浆体系优选研究和油气田“降本增效”具有重要借鉴意义。

水灰比对油井水泥石微观性能影响的试验研究

为研究水灰比对油井水泥石微观结构和微观力学性能的影响,采用压汞、热重和X射线衍射表征油井水泥石内部孔隙结构、水化进程和物相含量变化,通过统计纳米压痕技术表征油井水泥石的微观力学性能,其中最小平方差和最大似然估计算法用于油井水泥石固相弹性模量、硬度和体积分数的解卷积计算。针对最小平方差算法在拟合频率分布时受面元尺寸的影响,采用BSI模型对面元尺寸进行合理评估和选取。结果表明:水灰比影响油井水泥石孔隙度、孔径分布及孔隙特征,较高的水灰比促进了水泥水化;水化产物的弹性模量随水灰比增加略有降低,在低水灰比下,水化硅酸钙凝胶更多为高密度型,而在高水灰比下则相反;尽管两种解卷积算法基于不同准则,但均适用于胶凝材料的解卷积计算。

封堵井水泥石在CO_(2)湿相环境下的腐蚀规律研究

为探讨不同湿相环境对油井水泥石在CO_(2)埋存条件下腐蚀的影响机理和规律,采用了试样表观分析、扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)和物理分析等方法,测定了两种不同配比的水泥石在超临界CO_(2)气相和液相环境下的表观特征、腐蚀深度、抗压强度、渗透性、微观形貌等变化,并对比分析了气相CO_(2)和液相CO_(2)两种暴露条件下对水泥石腐蚀过程的影响。结果发现,水泥石在腐蚀过程中由外向内出现了淋滤脱钙层、碳化层、氢氧化钙溶解层和未腐蚀层等4个区域;两种水泥石在处于超临界CO_(2)的两相状态下,随着暴露时间的延长,其抗压强度显著下降,腐蚀深度、渗透率、孔隙结构都有不同程度的增加,且在液相CO_(2)环境下水泥石试样腐蚀更为严重;液相CO_(2)环境下高矿化度地层水的协同作用会增加CaCO_(3)的溶解度,增强浸出效果,加剧了CO_(2)对水泥的侵蚀。从而揭示了湿相环境对油井水泥石在二氧化碳埋存条件下耐久性能影响机理和规律,并为油井水泥腐蚀提供了参考依据。

基于BP神经网络的水泥石电容-含水率关系建立

含水率测量对于水泥石材料来说,具有很大意义。该研究通过类比岩石与水泥石,借鉴地质中的测井技术,尝试通过测量电容,间接测量水泥石含水率。该文通过实验与研究,基于BP神经网络,通过抽样方式、训练方式、训练参数等优化,最终建立一个偏差率约11%的水泥石电容-含水率关系模型。展示出一个测量水泥石含水率的可行技术路线。

一种固井合成水泥石的研制与室内评价

对一种基于环氧树脂的合成水泥石技术进行了研究,通过研制不同密度的浆体,考察了浆体在不同温度下的可泵性、力学性能、抗污染性能、胶结强度以及清洗问题。研究结果表明,采用减轻剂(如玻璃微珠)或加重剂(如炭黑、micro Max),并配套防沉降剂,可得到密度范围为0.8~1.80 g/cm3的合成水泥石;采用不同活性芳香胺类固化剂、固化促进剂及其组合,可实现合成水泥浆在45~125℃范围内的泵送要求;合成水泥石力学性能远好于基于橡胶粉改性的弹韧性水泥石;合成水泥浆抗油基钻井液污染可达30%。另外,合成水泥浆还能明显提高油井水泥的胶结强度;使用20%的乙醇水溶液,可较容易地清洗残留在器皿上的合成水泥浆。该合成水泥石是一种非常理想的油井封隔材料。

改性碳纳米管对水泥石力学性能的影响

为满足储气库和高压油气井对水泥石力学性能的要求,优选了改性碳纳米管TNIMH4(—OH)和TNIMC6(—COOH)。考察了他们对水泥浆综合性能及水泥石力学性能的影响。通过抗压强度实验可知,掺入0.01%的TNIMH4能使水泥石强度增加4.32%;掺加0.07%的TNIMC6能使水泥石强度增加19.18%,当TNIMC6与TNIMH4加量相同时,添加TNIMC6的水泥石强度大于添加TNIMH4的水泥石强度。通过三轴岩石力学实验可知,添加TNIMC6的水泥石的三轴抗压强度比空白组增加了41.21%,弹性模量由3 692.5 MPa增加到4 366.5 MPa。通过扫描电镜观察发现,低加量的碳纳米管能在水泥石中较好地分散,随着碳纳米管含量的增加,碳纳米管在水泥石中开始出现团聚现象,增大了水泥石的不均质性,影响水泥石的强度。

交变载荷作用下固井水泥石抗拉强度实验方法研究及应用

抗拉强度是评价固井水泥石力学性能的关键指标,对保障固井质量和井筒长期密封完整性具有重要意义。为了克服目前固井水泥石抗拉强度测试方法普遍存在应力集中、结果误差大、重复性差、不能研究交变载荷作用工况等方面的不足,创新研发了固井水泥石拉头,优选了高强度结构胶,形成了一种固井水泥石抗拉强度直接测试方法,弥补了现有测试手段的不足。通过对纯水泥和韧性水泥浆体系开展评价实验发现,形成的固井水泥石抗拉强度测试方法消除了应力集中的影响,提高了实验结果的准确性和可重复性,具有安全可靠、成功率高、可研究交变载荷作用工况等优点。其中纯水泥比韧性水泥浆体系具有更高的抗拉强度,约高出近40%;但因其弹性较差,导致在10~30轮次循环加载的工况下,其强度衰减比韧性水泥浆体系快,最高降幅达47.73%。该方法在川渝地区页岩气固井中现场应用效果良好,具有广阔的应用前景。

SCMC 在硬化水泥石中的形貌特征

用扫描电子显微镜、Ｘ光衍射、压汞仪和红外光谱仪综合研究了含羧甲基纤维素钠的硬化水泥石于７ｄ和２８ｄ龄期时的结构状况，以及这种聚合物在水泥石中的形貌特征．讨论了聚合物膜的屏隔作用和聚合物单独相与基体的连结．

碳酸钙晶须与碳纤维混杂增强油井水泥石力学性能

针对油井水泥石易脆裂而造成油气井层间封隔失效的问题,通过实验研究了碳纤维、碳酸钙晶须及二者混杂对油井水泥石力学性能的影响,利用扫描电镜观察了水泥石微观形貌,并探讨混杂纤维增强水泥石的作用机理。实验结果表明:碳纤维、碳酸钙晶须及两者混杂纤维均能有效提高水泥石的抗压、抗折和劈裂抗拉强度;相对于单掺1种纤维,混杂纤维对水泥石的增强效果更好;混杂纤维水泥石具有明显的韧性,且混杂纤维显著提高了水泥石的力学形变能力。观察水泥石微观形貌和分析混杂纤维增韧机理后发现:碳酸钙晶须和碳纤维具有不同的尺寸、形貌和性能,能够在不同结构层次和荷载阶段发挥作用,控制微裂纹或裂缝的产生和发展,改善水泥石的强度和韧性。

水泥石表面微生物沉积碳酸钙覆膜的不同工艺

自然界中某些微生物可以通过其自身生命活动的不断精确重复在石材表面矿化覆膜。选用了一种碳酸盐矿化菌,在实验室内人为加速模拟这一微生物矿化过程,7d内可在水泥石表面沉积出碳酸钙膜,与基材结合紧密。通过浸泡、喷涂、固载涂刷等多种工艺进行了微生物覆膜,并对覆膜层进行扫描电镜分析、厚度测量、以及覆膜后试件毛细吸水系数的对比结果发现:通过微环境的供给与优化,可以简化覆膜工艺,尤其以海藻酸钠或琼脂作为载体涂刷覆膜,其相比于喷涂法更能使菌株附着于水泥石表面生长,并在较长时间内保护菌株细胞内的酶活性。水泥石试件覆膜后毛细吸水系数可降低近90%,防护效果显著。

硫化氢对固井水泥石腐蚀研究

以SEM、X-ray和化学分析等方法,通过比较水泥石腐蚀前后抗压强度、渗透率、微观结构、水泥石腐蚀率的变化,研究了在不同H2S气体总压力、浓度(分压)等条件下H2S腐蚀不同渗透率、钙硅比的水泥石的规律。实验结果表明:H2S与水泥石中水泥水化产物反应生成CaS、FeS和Al2S3等没有胶结性的物质,会严重破坏水泥石的结构、增大水泥石的渗透性,使腐蚀进一步加速进行;1.5MPa下纯H2S腐蚀10天后水泥石的强度损失达到73.74%以上,渗透率增大63.47倍;在一定总压力下,H2S浓度越大,水泥石的渗透率增加倍数越大,强度损失率越大;水泥石的渗透率越大,水泥石腐蚀越严重;钙硅比越大,水泥石腐蚀越严重;水泥石的渗透率和钙硅比是控制H2S腐蚀水泥石的关键因素。