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針狀硅灰石微粉改善固井水泥漿性能研究

來源:江西奧特     發布日期:2019-01-22   |    加入收藏

固井作業是在套管與地層環空注入水泥漿,水泥漿凝固后形成水泥環,對地層進行有效層間封隔,同時支撐和保護套管。固井完成后,水泥環在后續試壓、射孔、壓裂等施工過程中,會受到各種作業帶來的沖擊力的考驗,這就要求水泥石具有好的力學性能。油井水泥是一種脆性材料,抵抗外力破壞的能力較差,向水泥中摻入增強材料可以彌補油井水泥的缺陷。針狀硅灰石

硅灰石(CaSiO3或Ca3[Si3O9])是一種具有特殊晶體結構的鏈狀偏硅酸鹽礦物,當其粉碎成粉末時,仍可保持針狀纖維形態,兼有礦物微粉和纖維的特性。硅灰石微粉具有穩定的物理化學性能,吸水率低,耐熱性好,機械性能優良,已廣泛應用于塑料、橡膠、冶金和耐火材料等行業中。硅灰石粉在水泥混凝土中的研究開始于20世紀90年代,起步較晚。

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實驗材料

三峽G級水泥,硅灰石微粉,降失水劑、增強劑、緩凝劑、分散劑、膨脹劑、消泡劑。

02

結果與討論

 針狀硅灰石微粉水泥漿常規性能

 

水泥漿常規性能主要有流變性、稠化時間、失水量。水泥漿的流變性和稠化時間是固井施工安全的標志。流變性影響水泥漿的可泵性,稠化時間決定了水泥漿泵送周期的安全性,失水量對固井施工安全及固井質量有較大影響。室內評價了不同針狀硅灰石微粉加量的水泥漿的常規性能,并與不添加針狀硅灰石微粉的空白水泥漿性能進行對比。

從實驗結果可以看出:①針狀硅灰石微粉對水泥漿流變性有影響,在針狀硅灰石微粉加量較少時,對水泥漿流變性影響較小,隨著針狀硅灰石微粉加量的增大,水泥漿明顯變稠。針狀硅灰石微粉加量達到4%時,φ600和φ300已經大于300。針狀硅灰石微粉在油井水泥中應用時,需要加入合適加量的分散劑,保證水泥漿良好的流變性;②針狀硅灰石微粉會縮短水泥漿的稠化時間,在加量為4%時,稠化時間較空白水泥漿縮短18min,針狀硅灰石微粉對水泥漿稠化時間影響不大;③從圖2中失水量曲線可以看出,針狀硅灰石微粉加量為1%時,失水量為36mL,較純水泥漿下降13mL。不同針狀硅灰石微粉加量的水泥漿失水量較空白水泥漿都有所下降,針狀硅灰石微粉可以控制水泥漿的失水,在一定程度上改善水泥漿應用性能。針狀硅灰石

針狀硅灰石微粉水泥石抗壓強度發

水泥石的抗壓強度表征受壓應力時保持水泥石完整性的能力,這是固井水泥石應用最重要的評價指標,它是單位受力接觸面上由勻速壓應力作用下使水泥石破壞的最大應力。室內采用壓力試驗機對不同針狀硅灰石微粉加量的水泥石抗壓強度進行測試,評價水泥石抗壓強度發展情況,測試結果見圖3。從圖中數據可以看出,隨著養護時間的延長,水泥石抗壓強度不斷增大。養護1d后,4%硅灰石粉水泥石抗壓強度較空白水泥漿提高32.2%;養護28d后,硅灰石粉加量為4%時水泥石抗壓強度達到54.8MPa。與空白試樣相比,在0.5%、1%、2%、3%、4%針狀硅灰石微粉加量情況下,養護28d后,水泥石抗壓強度分別提高約5.4%、7.1%、11.8%、16.1%、17.6%。針狀硅灰石微粉可以提高水泥石抗壓強度,有助于提高水泥環抵抗外部載荷破壞的能力。

針狀硅灰石微粉水泥石抗折強度

抗折強度可以表征水泥環承受外力剪切的能力,間接的表征水泥石的韌性。室內對針狀硅灰石微粉水泥試樣抗折強度進行評價。從評價結果可以看出,針狀硅灰石粉可以明顯提高水泥石抗折強度。隨著養護齡期的增加,水泥石抗折強度增大。圖中數據表明,當針狀硅灰石微粉加量為4%時,水泥試樣抗折強度發展較快,在28d后達到11MPa,較空白試樣抗折強度提高約20.9%。針狀硅灰石粉

 

圖4 不同養護齡期水泥石抗折強度

針狀硅灰石微粉水泥石抗沖擊強度

抗沖擊強度是水泥試件受沖擊斷裂后所消耗的能量,表示水泥石承受沖擊的能力??箾_擊強度是檢驗水泥石韌性的一個重要指標,其大小能直接反映出水泥石的韌性和定量表征水泥石的增韌效果。室內采用簡支梁沖擊試驗儀對針狀硅灰石微粉水泥石不同養護齡期的抗沖擊強度進行測試,結果見圖5。從圖5數據可以看出,針狀硅灰石微粉與常規纖維一樣可以提高水泥石的抗沖擊強度,針狀硅灰石微粉可以使水泥石的破碎吸收能得到提高。隨著養護齡期的延長,試樣抗沖擊強度增大。針狀硅灰石微粉水泥試樣在養護1d后,抗沖擊強度較空白試樣最大提高率達到12.7%。在養護28d后,五種針狀硅灰石微粉加量的水泥石抗沖擊強度比不加針狀硅灰石微粉的水泥試樣分別提高了2.1%、10.5%、11.6%、15.8%、21.1%。硅灰石微粉加量在4%時,水泥試樣抗沖擊強度發展最好

03

針狀硅灰石粉水泥石力學性能改善機理

針狀硅灰石微粉及加入3%針狀硅灰石微粉水泥石,針狀硅灰石微粉大部分為針狀或纖維狀,粗細和長度均不等。圖8a可以看出,加入硅灰石微粉的水泥漿凝固后,針狀硅灰石雜亂分散在水泥石中的狀態;圖8b和圖8c可以看出硅灰石微粉在水泥石內部“拔出”和“橋接”作用。由于針狀硅灰石微粉為纖維狀,加入到固井水泥漿后,形成的水泥石遭受外力破壞引起裂紋時,纖維狀的硅灰石會導致水泥石裂紋發生彎曲和偏轉,起到阻礙裂紋發展的作用。在針狀硅灰石微粉分布與裂紋發展方向一致的部分,裂紋很難偏轉,只能沿著原來方向繼續擴展,此時緊靠裂紋尖端處的針狀硅灰石并未斷裂,而是在裂紋兩岸形成類似纖維的“搭橋”作用,使裂紋兩邊連接在一起,在裂紋表面產生一個壓應力,在一定程度上抵消外加應力作用,從而阻止裂紋擴展,起到增強水泥石力學性能的作用。

04

針狀硅灰石微粉水泥石滲透率

水泥漿體系用于封固油氣層,特別是氣層,除了要求水泥石具有較好的力學性能外,水泥石自身的滲透率也與封固質量有較大關系。室內評價了不同硅灰石微粉加量水泥石的氣體滲透率。從測試結果可以看出,硅灰石微粉可以降低水泥石滲透率。當硅灰石微粉加量在4%時,其滲透率較空白水泥石下降38.3%。硅灰石礦物微粉的填充作用在一定程度上增加了水泥石的密實度,使水泥石滲透率下降  針狀硅灰石

結論

( 1) 針狀硅灰石微粉對水泥漿流變性有影響,在油井水泥中應用時,需要加入適量的分散劑,保證水泥漿良好的流變性。同時,針狀硅灰石微粉對水泥漿稠化時間影響不大,并可以在一定程度上控制水泥漿的失水,降低水泥石滲透率。

( 2) 針狀硅灰石微粉可以提高水泥石力學性能,在90 ℃、21 MPa 條件下養護28 d 后,加入4%的針狀硅灰石微粉的水泥石較空白水泥石的抗壓強度、抗折強度、抗沖擊強度分別提高了17. 6%、20. 9%、、21. 1%。

( 3) 加入3%針狀硅灰石微粉后水泥石彈性模量比空白試樣降低約26. 9%,針狀硅灰石微粉提高水泥石彈韌性。

( 4) 固井水泥漿中添加針狀硅灰石微粉后,水泥石遭受外力作用時,纖維狀的硅灰石可在一定程度上阻止水泥石裂紋發生和擴展,提高水泥石抵抗外力破壞的能力。

 
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