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《西南石油大学》 2016年
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纳米二氧化硅和氧化石墨对固井水泥浆性能及水化过程的影响研究

蒙飞  
【摘要】:针对水泥石易脆裂而导致油气井水泥环层间封隔失效这一问题,通过实验研究了超细材料纳米SiO2及氧化石墨对固井水泥浆性能的影响。实验结果表明:1)随着纳米SiO2的掺入,水泥浆失水量显著下降,稳定性明显改善;稠化时间逐渐缩短,与对照组相比,含2.5%纳米SiO2的水泥浆稠化时间从738min降至581min,缩短了21.3%的时间;水泥浆静胶凝强度过渡时间短,具有很好的防气窜性能;2)纳米SiO2能够显著提高固井水泥石的早期强度(养护时间≦7d),后期强度(养护28d)也有明显改善;当纳米SiO2加量为2%时,养护36h的水泥石抗压强度、抗折强度和劈裂抗拉强度与对照组相比,分别提高了78.9%、137.5%和69.8%;当纳米SiO2加量为1.5%时,养护28d的水泥石抗压强度、抗折强度和劈裂抗拉强度与对照组相比,分别提高了26.1%、18.7%和100.98%;随着纳米Si02的加入,水泥石孔隙率明显降低,当纳米SiO2的加量为1.5%时,水泥石孔隙率与对照组相比下降了4.77%;3)氧化石墨可显著增强水泥石力学性能,氧化石墨掺量为0.05%时,水泥石28 d抗压、抗折和劈裂抗拉强度较纯水泥石分别提高68.63%、17.44%和159.12%;氧化石墨对水泥浆的应用性能无不良影响,反而有助于改善水泥浆的沉降稳定性并降低水泥浆失水量。机理分析结果表明:1)纳米SiO2与水泥水化过程产生的Ca(OH)2发生反应,生成具有强度的C-S-H凝胶,填充孔隙,优化水泥石结构,使其更加致密均匀;低温条件下,水泥石中有较多针状、柱状的水化产物AFt产生,能够起到“桥连”作用,与生成C-S-H形成空间网状结构,优化水泥石微结构,增加水泥石强度;纳米SiO2起到了填充孔隙,密实水泥石结构的作用;这三者共同作用导致了低温条件下水泥石早期强度和后期强度的改善;2)水泥石在受外力破坏时,氧化石墨层内层间均出现损伤;一方面氧化石墨层内破坏时其化学键必然断裂而耗能,另一方面氧化石墨层间剥离时需克服层间作用力而耗能,氧化石墨主要通过上述两方面的作用增强水泥石力学性能。探索纳米SiO2及氧化石墨对固井水泥浆性能的影响,对于改善水泥石力学性能,保证固井作业安全,提高固井质量具有重要的意义。
【学位授予单位】:西南石油大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TB383.1;TE256

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