低温早强水泥体系的研究

摘要

随着深水油气资源的勘探与开发，深水浅层的固井作业成为目前固井行业研究的重点和热点之一。深水固井施工环境温度较低（泥线温度在4℃左右），导致油井水泥的强度增长严重减缓；并且深水浅部地层胶结性能差、质地松软，固井时容易出现漏失。因此，要求深水表层固井水泥浆要具有密度低、早期强度高和失水量低的特点。但是现有的固井水泥浆低温水化速度较慢，为此，本文开展对低密度高早强水泥体系的研究。 通过对常用水泥和外掺料的优选，结合紧密堆积理论分析，确定低温早强水泥体系的材料为：P.O52.5R水泥（质量分数31～41%）、超细胶凝材料（40～41%）、微硅（10～17%）、玻璃微珠（8～12%）。并通过实验确定出了低温早强水泥体系组成为：P.O52.5R水泥与超细胶凝材料按1:1组成混合水泥+12%微硅+10%～20%玻璃微珠（Y6000）。该水泥体系密度在1.37～1.54g/cm3之间，15℃下1d抗压强度大于6.5MPa，是纯G级水泥石的1.9倍。 通过考察纳米二氧化硅低温早强特性及递进式叠加优化，研究得出了纳米二氧化硅复合早强剂：纳米二氧化硅+硫酸钠+三乙醇胺+铝酸钠，总掺量为水泥的3.05%。在4℃和15℃养护温度下，相比未加早强剂的水泥石，加入该早强剂的水泥石1d抗压强度增强率为150%和157%。通过XRD和SEM分析得出，纳米二氧化硅具有早期火山灰效应和纳米成核效应，作为水泥水化早期的活性中心，加速了水泥熟料的水化反应进程，但对水化产物类型无影响。 通过实验优选出低温早强水泥体系的配套外加剂，最终形成的低温早强水泥浆体系的性能参数为：密度1.38～1.55g/cm3、在4℃水浴养护1d抗压强度3.8～6.2MPa、API标准失水量37～41mL、游离液为0mL、水泥浆沉降稳定性良好、水泥石的渗透率小于0.0067×10-3μm2（满足国标小于0.01×10-3μm2的要求）、水泥浆的静胶凝强度48～240Pa的过渡时间小于30min、水泥石胶结强度较强（大于纯G级水泥石胶结强度的2倍）。本文研究的低温早强水泥体系优异的低温早强、低密度、防气窜性能，为解决深水固井面临的低温、易漏、浅层水/气流动等难题奠定了基础。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 研究的目的及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 低温固井面临的问题与水泥性能要求

1.2.2 低温固井水泥体系研究现状

1.2.3 现有水泥体系存在的问题

1.3 主要研究内容与研究方法

1.3.1 主要研究内容

1.3.2 研究方法及技术路线

第二章 低温固井水泥体系初步研究

2.1 常用水泥的低温性能评价

2.1.1 实验原料

2.1.2 G级水泥抗压强度评价

2.1.3 P.O 52.5R水泥抗压强度评价

2.1.4 超细油井水泥抗压强度评价

2.1.5 超细胶凝材料抗压强度评价

2.2 常用矿物材料对水泥低温性能的影响研究

2.2.1 实验原料

2.2.2 超细矿渣对水泥石早强性能的影响

2.2.3 偏高岭土对水泥石早强性能的影响

2.2.4 微硅对水泥石早强性能的影响

2.3 纳米材料对水泥低温性能的影响研究

2.3.1 实验原料

2.3.2 纳米氧化铝对水泥石早强性能的影响

2.3.3 纳米二氧化硅对水泥石早强性能的影响

2.4 密度减轻材料优选研究

2.4.1 密度减轻材料的选择

2.4.2 密度减轻材料的实验研究

2.5 本章小结

第三章 固井水泥紧密堆积理论研究

3.1 紧密堆积理论的原理

3.2 紧密堆积模型选择

3.2.1 单元与多元体紧密堆积模型

3.2.2 可连续粒度体系最紧密堆积模型

3.3 原料粒径测试

3.3.1 P.O 52.5R水泥

3.3.2 超细胶凝材料

3.3.3 微硅

3.3.4 Y6000空心玻璃微珠

3.4 紧密堆积模型计算与优化

3.4.1 二组分混合体系紧密堆积分析

3.4.2 三元四组分混合体系紧密堆积分析

3.4.3 纳米二氧化硅增加水泥紧密堆积性能的可行性分析

3.5 本章小结

第四章 低密度水泥体系的实验研究

4.1 水泥配方的初步实验研究

4.1.1 超细胶凝材料与P.O 52.5R水泥配比实验研究

4.1.2 低密度水泥配方的初步实验

4.2 微硅对混合水泥早期强度的影响

4.2.1 微硅种类的选择

4.2.2 微硅优选实验研究

4.3 低密度水泥体系性能测试

4.3.1 抗压强度测试

4.3.2 密度与稠化性能测试

4.3.3 失水性能测试

4.3.4 流变性能测试

4.4 本章小结

第五章 早强剂的实验研究

5.1 常用早强剂的性能对比

5.1.1 常用早强剂介绍

5.1.2 早强剂作用机理

5.2 早强剂优选实验

5.2.1 常用早强剂优选实验

5.2.2 纳米二氧化硅早强性能研究

5.3 纳米二氧化硅复合早强剂的研究

5.3.1 纳米二氧化硅增强早强剂性能的研究

5.3.2 纳米二氧化硅复合早强剂递进叠加优化

5.4 早强剂机理分析

5.4.1 XRD表征

5.4.2 SEM表征

5.4.3 机理分析

5.5 本章小结

第六章 低温早强水泥浆体系的构建

6.1 低温早强水泥体系外加剂优选

6.1.1 降失水剂优选

6.1.2 分散剂优选

6.2 低温早强水泥浆体系性能评价

6.2.1 常规水泥浆体系性能参数评价

6.2.2 水泥浆体系悬浮稳定性评价

6.2.3 水泥石渗透率评价

6.2.4 水泥石胶结强度评价

6.2.5 水泥浆体系防气窜性能评价

6.3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间取得的学术成果

致谢