石英砂细度和掺量对G级油井水泥浆体系性能的影响

通常G级油井水泥石在高温环境下(≥110℃)易出现强度倒缩,可加入SiO2≥95%的石英砂作为高温强度衰退抑制剂。本文通过室内综合试验研究,测试了不同细度、掺量的石英砂对G级油井水泥石强度及浆体综合性能的影响,分析了水泥石的形貌结构和水化产物。结果表明:掺入30%~35%的石英砂(粒径80μm筛筛余10%~15%)可使其水泥石中高温水化产物的钙硅比降低至1.0,达到防止油井水泥石在高温下强度衰退的目的,但当温度由160℃升高至180℃时,水化产物雪硅钙石转化成硬硅钙石使其加砂油井水泥石强度降低,故可将160℃作为一个临界衰退点。以粒径80μm筛筛余10%~15%、掺量30%的加砂油井水泥为基准材料,与外加剂配伍设计了一套抗高温油井水泥浆体系配方,其水泥浆各项性能指标均能满足油田技术指标,可为后期抗高温水泥浆体系设计提供依据。

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。

纤维/晶须材料对固井水泥石的增韧机理研究

扫描电子显微镜(SEM)用于水泥基材料研究,可以准确、快速、直观地提供水泥石断面的微观形貌等信息。固井水泥环这一水泥基材料在井下工况受复杂应力影响易产生微裂缝与微环隙,造成水泥环封固能力下降。高弹模纤维、低弹模纤维、晶须等材料有助于降脆增韧水泥环。为了弄清高弹模纤维、低弹模纤维、晶须等材料对水泥环的降脆增韧机制,用扫描电镜对水泥石微观形貌进行了观察分析,探讨了增韧机制。实验结果表明,高弹模纤维、低弹模纤维、晶须等材料降脆增韧水泥环的机制包括拔出、桥连和裂纹偏转。相对于单掺纤维或单掺晶须,将二者混杂使用的增韧效果更好,其原理在于晶须属于微米级材料,可以阻止微米级微裂纹的产生和扩展;纤维属于毫米级材料,可以阻止毫米级微裂缝的产生与扩展;二者混杂使用可以起到多层次阻裂和增韧的目的。

硫化氢与硫酸腐蚀油井水泥石的对比

采用G级油井水泥净浆,从腐蚀前后水泥石抗压强度、水化产物中氢氧化钙含量、SEM微观结构特征和孔隙结构的变化等方面,进行了硫酸溶液和硫化氢对水泥石的腐蚀对比实验。结果表明,设计的常温常压的硫酸溶液腐蚀实验与标准的高温高压腐蚀实验有较好的相关性和可比性,而且硫酸溶液腐蚀实验能够更直观地反映出水泥石潜在的腐蚀因素。利用常温常压的硫酸溶液腐蚀实验能够作为油井水泥石腐蚀研究的前期实验和油井水泥石抗酸蚀的耐久性实验,对降低水泥石腐蚀实验成本和风险,提高实验效率,更好地开展油井水泥石完整性研究有重要的应用价值。

微米与纳米级CaCO3对油井水泥石酸溶特性的影响

为解决油井水泥浆对油气储层的污染问题,优化水泥浆的储层保护性能,开展了微米与纳米级CaCO_3对水泥石酸溶特性的影响研究。试验结果表明,微米与纳米CaCO_3的复合最优掺量为18.5%与1.5%,此时水泥石的抗压强度较基准组无较大降幅,其在盐酸中的2 h酸溶率提升至67.5%。结合XRD、热分析及扫描电镜结果,可知复掺纳米CaCO_3,晶核效应与高温水湿环境的共同作用下,激活了火山灰反应的活性,Ca(OH)_2与SiO_2明显被消耗,水泥石结构密实,强度提升;经盐酸2 h腐蚀后,掺入CaCO_3的水泥石表层较基准组的侵蚀程度更为严重,水化产层出现了明显脱落痕迹,残留物仅为未反应完全的硅灰,同时水泥石内部发现了C-S-H与Ca(OH)_2的被腐蚀痕迹,H+的渗透效果显著增强,油井水泥石的酸溶特性得到大幅提升的同时,有效保障了其在井下的有效封固能力。

针状硅灰石微粉改善固井水泥浆性能研究

油井水泥是一种脆性材料,其抵抗外力破坏的能力较差,不利于油气井开发。为解决这一问题,研究了一种兼有矿物微粉和纤维特性的硅灰石微粉对油井水泥性能的影响,评价了不同加量的针状硅灰石微粉水泥浆的常规性能、抗压强度、抗折强度、抗冲击强度,并测试了水泥石应力-应变曲线,最后使用扫描电镜对针状硅灰石微粉水泥石微观形貌进行观察。研究结果表明,与纯水泥浆相比,硅灰石微粉加量在0.5%~4%时,流变影响最大时流变仪300转读数大于300,稠化时间最大缩短18 min,失水量最大下降13 mL,养护1 d水泥石气体渗透率最大下降38.3%。养护28 d后,加入4%硅灰石微粉的水泥石较空白水泥石的抗压强度、抗折强度、抗冲击强度分别提高了17.6%、20.9%、21.1%。加入3%硅灰石微粉的水泥石弹性模量比空白试样降低约26.9%。针状硅灰石微粉在水泥石中分散,在水泥石内部形成"搭桥"作用,可在一定程度上阻止水泥石裂纹发生和扩展,起到增强水泥石力学性能的作用。

增强油井水泥石抗二氧化碳腐蚀方法

通过改变水灰比、掺入胶乳和纳米液硅等配制不同的水泥浆,测试水泥石在CO2腐蚀后的深度、物理性能和微观结构,研究增强油井水泥石抗CO2腐蚀的方法。研究结果表明:降低油井水泥浆的水灰比、掺入纳米填充颗粒,可减小水泥石的孔隙度和渗透率,使水泥石更加致密,增强了油井水泥石抗CO2腐蚀能力;胶粒析出在水化产物表面连接成膜,阻碍CO2的渗透和扩散,增强抗腐蚀性;纳米液硅中的纳米硅与氢氧化钙反应,减少了易被腐蚀物氢氧化钙的含量,提高了水泥石抗CO2腐蚀能力。

油井水泥石三轴力学行为数学分析模型

油井水泥石是在地层岩石中工作,必然要受地层围压的作用,其力学性能的表现可以通过三轴应力实验来考察。为准确描述水泥石在三轴作用下的特殊力学行为,本文提出了一种数学分析模型,该模型基于Weibull统计理论,从弹塑性损伤失效的角度出发,利用Mohr-Coulomb准则建立起细观与宏观的桥梁,得到了油井水泥石在三轴应力作用下的统计本构关系。以此本构方程来拟合水泥石在单轴、三轴应力作用下的应力-应变曲线,与实验结果匹配良好。

表面改性硅灰石纤维增强油井水泥力学性能

为改善油井水泥脆性大、韧性差的缺陷并提高硅灰石纤维在水泥基材料中的作用效果,采用溶胶-凝胶法对硅灰石纤维进行纳米SiO_(2)表面改性处理,来增强纤维与水泥基界面的结合能力。通过扫描电子显微镜(SEM)、X线光电子能谱仪(XPS)、红外光谱仪(FTIR)等测试改性硅灰石纤维的性能,结果表明:纳米SiO_(2)成功在硅灰石纤维表面沉积且两者之间存在化学键合。将改性后的硅灰石纤维掺入水泥中测试相关性能,结果表明:改性硅灰石纤维水泥在相同养护条件下表现出优异的力学强度,养护时间14 d、掺量为7%时,改性硅灰石纤维水泥石的抗压强度和抗拉强度较空白样分别提高了35.44%和37.21%,比使用同等掺量未改性硅灰石纤维的水泥石分别提高了9.74%和9.11%,增强效果明显;改性后的硅灰石纤维降低了水泥基复合材料的孔隙率,提高了基体密实度;其在水泥中被水化产物紧密包裹,纤维与水泥石基体之间的界面结合效果更好。