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《西南石油大学》 2016年
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晶须状碳酸钙及复配微硅对水泥防窜性能的影响

唐琪  
【摘要】:固井后环空窜流不仅导致层间封隔失效,而且影响油气田的安全勘探开发。对于固井水泥浆而言,水泥浆胶凝失重导致有效液柱压力下降易发生窜流;水泥浆水化过程中发生体积收缩,水泥环与套管和井壁间的第一、第二界面易形成微环隙,容易导致环空窜流;水泥环属脆性材料,抗拉强度低且抗冲击能力较差,在受到试压、射孔、压裂等作业时易形成微裂缝而导致环空窜流。针对上述问题,常在水泥浆中使用微硅等外掺料来提高水泥浆防窜性能,但实践表明微硅对水泥浆防窜性能的提高有限。因此,寻找新型外掺料,并深入研究其对水泥浆防窜性能的影响,对防止环空窜流有重要意义。碳酸钙晶须是在纳米碳酸钙基础上发展起来的一种新型外掺料,具有售价低、稳定性好、长度短、高弹性模量、兼具矿物微粉与纤维特性的特点。本论文综合碳酸钙晶须与微硅两种外掺料的优点,研究了单掺碳酸钙晶须、单掺微硅以及复掺碳酸钙晶须与微硅对水泥浆防窜性能的影响,通过两者的共同作用提升油井水泥的防窜性能。在研究中,使用SPN法与水泥浆阻力系数法评价水泥浆的防窜性能,使用比长仪法评价水泥石体积收缩率,使用脆度系数表征水泥石的脆性,使用DKS-Ⅲ型岩心孔渗联测仪及SEM电镜观察水泥石的微观形貌和结构,室内研究结果表明:(1)单掺碳酸钙晶须对水泥防窜性能的影响。碳酸钙晶须加入水泥中,水泥浆防窜性能增加、水泥石脆性降低、体积收缩减小。晶须加量与水泥防窜能力紧密联系,晶须掺料大于20%以上时,水泥浆流动度变差,不再具有施工性。单掺晶须掺量为6%时,SPN值最小、防窜效果好,7天水泥体积收缩最小,水泥石脆度降低。(2)单掺微硅对水泥防窜性能的影响。微硅加入水泥中,水泥浆防窜性能增加、水泥石脆性降低、但水泥石的体积收缩增加。90℃、110℃水泥中单掺微硅,20%加量时,SPN值最小,水泥石脆度系数最小。5%、10%、15%以及20%微加量下的配方均大于基础配方的体积收缩。(3)复掺碳酸钙晶须与微硅对水泥防窜性能影响。水泥中复掺碳酸钙晶须与微硅,水泥浆的防窜能力的提升、水泥石脆度降低、体积收缩减小均高于两种材料单掺贡献。高活性微硅与水泥水化反应生成的C-H-S凝胶能有效改善了碳酸钙晶须与水泥石的过渡界面,进一步改善了水泥石的力学性能,增加了水泥石的密实程度。(4)关于对孔隙的影度与渗透率的影响。90℃、110℃单掺碳酸钙晶须、单掺微硅、复掺碳酸钙晶须与矿渣在3天养护龄期孔隙度与渗透率均小于基础配方。(5)晶须与微硅的防窜机理。碳酸钙晶须起到填充与桥梁作用。微硅与水泥的产物CH反应生成C-H-S凝胶,有效改善了晶须与水泥的过渡界面,生成的硅酸钙胶凝填充了水泥浆的孔隙结构,改善了水泥石的力学性能、减少了水泥石的干燥收缩,增加了阻止了流体窜入的能力。
【关键词】:碳酸钙晶须 防窜性能 微硅 水泥石体积收缩
【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】:TE256
【目录】:
  • 摘要3-4
  • Abstract4-8
  • 第1章 绪论8-21
  • 1.1 选题的目的与意义8-10
  • 1.2 国内外水泥外渗料的研究现状10-18
  • 1.2.1 膨胀剂10-12
  • 1.2.2 聚合物胶乳12-14
  • 1.2.3 微颗粒14-16
  • 1.2.4 纤维材料16-17
  • 1.2.5 小结17-18
  • 1.3 研究内容18-20
  • 1.3.1 主要研究内容18-19
  • 1.3.2 技术路线19-20
  • 1.4 本章小结20-21
  • 第2章 水泥浆外掺料的优选21-26
  • 2.1 碳酸钙晶须性能研究21-22
  • 2.2 微硅性能研究22-23
  • 2.3 紧密堆积理论23-25
  • 2.4 本章小结25-26
  • 第3章 实验材料以及实验方法26-30
  • 3.1 主要实验材料26
  • 3.2 实验方法26-30
  • 第4章 碳酸钙晶须及微硅对水泥浆性能影响30-57
  • 4.1 碳酸钙晶须对水泥浆性能的影响30-38
  • 4.1.1 碳酸钙晶须对水泥浆性能影响的实验设计30
  • 4.1.2 碳酸钙晶须对水泥浆性能的影响30-37
  • 4.1.3 碳酸钙晶须对水泥浆防窜性能影响分析37-38
  • 4.2 微硅对水泥浆性能影响38-46
  • 4.2.1 微硅加量对水泥浆性能影响的实验设计38
  • 4.2.2 微硅水水泥浆性能的影响38-45
  • 4.2.3 微硅对水泥防窜性能影响分析45-46
  • 4.3 复掺微硅与晶须对水泥浆性能的影响46-55
  • 4.3.1 复掺微硅与碳酸钙晶须对水泥浆性能的实验设计46
  • 4.3.2 复掺微硅与碳酸钙晶须对水泥浆性能的影响46-54
  • 4.3.3 复掺碳酸钙晶须与微硅对水泥浆防窜性能的影响54-55
  • 4.4 本章小结55-57
  • 第5章 最优水泥配方的综合性能评价57-60
  • 5.1 优化外掺料水泥浆体系配方57
  • 5.2 水泥浆体系工程性能评价57-59
  • 5.2.1 水泥浆常规性能评价57
  • 5.2.2 水泥浆沉降稳定性能评价57-58
  • 5.2.3 水泥浆稠化性能评价58-59
  • 5.2.4 水泥石强度性能评价59
  • 5.3 本章小结59-60
  • 第6章 结论及建议60-62
  • 6.1 结论60-61
  • 6.2 建议61-62
  • 致谢62-63
  • 参考文献63-67
  • 攻读硕士期间发表的论文67

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