SiO_2等纳米材料对混凝土性能的影响

纳米材料是一门新兴的并正在迅速发展的材料科学,目前,作为主要建筑结构材料的混凝土已逐渐向高性能、多功能和智能化方向发展,纳米材料将为混凝土材料的发展开拓新的方向。系统阐述了国内外关于纳米材料对混凝土性能影响的研究成果,重点包括纳米SiO2、纳米CaCO3对混凝土的力学性能和耐久性等。

水泥环密封安全系数法在稠油热采井的应用

稠油热采井在注入蒸汽过程中,对水泥环力学性能要求较高,准确评价水泥环密封性是保证热采井正常生产的关键。根据热采井生产特点,建立井筒组合体力学模型,提出一套水泥环密封安全系数评价方法。针对辽河稠油热采典型井进行水泥环密封完整性分析,开展隔热管导热系数、水泥环弹性模量、水泥石峰值强度和井口注汽压力对井筒应力的影响分析。分析结果表明:随隔热系数的减小,井筒温度降低,水泥环弹性模量降低,安全系数明显增加;对于辽河热采井,以15 MPa压力注入350℃蒸汽时,若隔热管完好,则水泥环弹性模量小于9 GPa,峰值强度大于30 MPa,能保证水泥环密封完整性。该方法能满足稠油热采井对固井水泥环力学性能的需求,可为注汽过程的密封完整性提供技术支持。

气井生产期间井筒内温度变化对水泥环密封完整性影响的研究及应用

针对高石梯-磨溪区块天然气井生产期间易出现环空带压的问题,采用水泥环密封完整性模型分析生产期间井筒内温度变化对水泥环密封性能的影响,提出了固井水泥浆设计要求、工艺参数优化等提高该地区水泥环密封完整性的固井配套技术措施。该技术现场应用后,高石梯-磨溪区块完井试油期间未发生环空带压现象,且生产期间的环空带压风险也有所降低;因此该技术在预防天然气井环空带压方面具有很大的推广应用前景。

低温高强韧性水泥浆在致密油水平井的应用

长庆油田致密油延长组油层埋藏浅,井底静止温度低,常规水泥石强度发展慢、脆性强,大型体积压裂易导致水泥环密封完整性破坏,严重威胁致密油开采和油井寿命。针对以上难题,优选了低温促凝早强剂DRA、低温增强材料DRB和膨胀增韧材料DRE-300S,并结合配套固井外加剂,开发了综合性能良好的低温高强韧性水泥浆体系。该水泥浆体系在55℃条件下,24 h抗压强度达到35.8MPa,168 h抗压强度为50.6MPa,抗压强度较常规体系提高了33.1%,弹性模量降低了14.3%,表现出良好的低温高强韧性特性,增强了水泥环在交变应力作用下的密封完整性。该体系在长庆致密油水平井φ139.7mm生产套管固井中进行了4次现场应用,现场应用效果良好,为低温高强韧性水泥浆体系的推广应用奠定了技术基础。

基于多孔介质理论的油井水泥石破坏准则

水泥石是一种由水泥骨架和孔隙组成的多孔介质,井下水泥凝固水化后,孔隙中还会有自由水存在,并且与地层相通,所以水泥石力学行为会受到地层孔隙水压和外部载荷的影响。为进一步揭示油气井实际工况下水泥石的力学性能,引入多孔介质力学理论,对水泥石力学性能进行三轴力学实验研究,获得相关参数,从而确定了考虑孔隙水压的水泥石摩尔-库伦破坏准则。实验以嘉华油井水泥作为研究对象,通过改变围压、排水条件以及孔隙水压获得水泥石的各项力学参数。结果显示,孔隙水压是影响水泥石破坏强度的重要因素;不考虑多孔介质力学的水泥石摩尔-库伦准则模型为非线性;考虑多孔介质力学理论的水泥石摩尔-库伦包络线为线性并获得准则公式。

固井水泥石三轴力学试验的试样制备方法

固井水泥石力学性能直接关系到水泥环的长期密封效果。获取固井水泥石的力学性能参数主要通过三轴力学试验进行,有效制备试样对固井水泥石三轴力学试验研究乃至水泥环完整性分析至关重要。基于固井水泥石三轴力学试验试样的特殊性,设计探索了正方体水泥石养护成形后取心的正方体取心制样以及借助于模具一次养护成形制样等2种试样制备方法;研制了用于模具养护制样方法的Ø25.4 mm×50.8 mm小试样和Ø50.8 mm×101.6 mm大试样2套圆柱形水泥石养护模具;通过散点分布、均方根误差分析、标准差分析等对比研究了56组不同制样方法获取试样的力学试验数据,结果表明,小试样模具制样养护方法在数据可靠性、制样效率及成本等方面均优于其他方法,推荐作为固井水泥石三轴力学试验试样制备方法。

韧性材料对页岩气压裂井水泥环界面完整性影响

目的提高页岩气井多级压裂过程中水泥环界面完整性。方法针对4种在页岩气井中使用的水泥浆体系,基于水泥环完整性评价装置,开展在循环压力条件下水泥环界面完整性实验。采用高精度流量计、扫描电镜和核磁共振等监测手段,定量检测环空气窜速率,探索水泥环在加载前后的微观结构变化。根据实验装置基础参数,采用有限元方法模拟循环加载过程水泥环界面的损伤演化情况。结果常规水泥浆、18%(均为质量分数)胶乳剂水泥浆、36%胶乳剂水泥浆、18%胶乳剂加1%增韧剂水泥浆,其环空气窜速率分别为722、300~677、20~45、10~25 mL/min。经循环载荷作用后,常规水泥浆在水泥环本体出现明显径向裂缝和界面微环隙,且水泥浆水化产物较疏松;36%胶乳剂水泥浆仅在水泥环界面产生较小的微环隙,水化产物在界面处较致密,水泥石孔径较小。在循环载荷作用下,水泥环界面孔隙显著增加,界面处产生塑性应变并不断增加。结论胶乳剂和韧性剂材料可有效填充水泥颗粒之间的间隙,降低水泥石孔径尺寸。胶乳剂通过改善水泥环的微观形态结构,避免在本体产生裂缝,提高了界面密封性能。增韧剂对水泥颗粒产生较强的粘结作用,与胶乳剂的配合使用进一步增强了水泥环界面的密封效果,两者共同作用可显著提升水泥环空密封能力。在循环载荷作用下,水泥环界面易形成微环隙,为环空气体提供了窜流通道,造成环空带压。现场采用添加18%胶乳剂加1%增韧剂的韧性水泥浆体系开展固井施工,水泥石力学性能能够满足水泥石强度大于30 MPa和弹性模量小于7 GPa的性能要求。同时,使用韧性水泥浆的井段固井质量也较好,后续压裂施工过程也未见环空带压问题。通过合理优选韧性水泥浆添加剂含量,能够为环空提供良好的密封效果,提升水泥环的密封完整性。

气井井筒温度场及温度应力场的理论解

基于传热学及弹塑性力学相关理论,结合固井水泥环实际密封工况,建立了2套数学模型:任意井型气井井筒温度场模型、套管-水泥环-地层围岩组合体温度场及温度应力场模型,形成了解析求解算法及工程分析软件,研究了温度应力场的影响因素。研究结果表明:产量对井筒温度场影响较大;高压高产气井的浅层固井水泥环温升明显,应提前分析预测其温度场及温度应力场的变化以决定是否加砂提升抗温性能;韧性好、弹性模量低、高强度(尤其是抗拉强度)、纵向胶结强度高的固井水泥环,更能在温升幅度较大时保持良好密封性能;两层或多层水泥环封固,相较于单层水泥环封固的情形,安全系数更高。该理论解可以提前分析预测温度对固井水泥环有效密封的影响,针对性优化设计固井水泥浆体系。