冻土钻探纳米复合水泥基护壁堵漏材料研究

摘要

随着我国经济的蓬勃发展，西部工程建设施工以及矿产资源的勘探开发有了更深入的进展。我国西部地区存在大量永久冻土层，冻土地层条件复杂。在钻探过程中部分井段构造发育，软硬互层、岩体松散破碎、水敏性强，特别是陡倾裂隙为恶性漏失创造了条件，从而导致井壁垮塌、缩径及浆液漏失等现象频繁。护壁堵漏是在冻土钻探中面临的十分严峻的现实问题，开展针对冻土钻探的护壁堵漏研究工作迫在眉睫。目前采用钻井液进行护壁堵漏还存在一些不足之处，亟需探索新的护壁堵漏材料，解决冻土钻探过程中的护壁堵漏难题。
　　采用水泥基材料进行护壁堵漏是一种传统而重要的方法，在解决复杂地层的护壁堵漏方面具有一定的优越性，但是其也存在一些缺陷。在低温环境下施工时，单一水泥往往不能很好的满足现场施工要求，致使护壁堵漏效果差更甚者可能达不到其护壁堵漏目的。复合化能够有效地改善水泥性能，将普通硅酸盐水泥与硫铝酸盐水泥复合后具有意想不到的“水化协同”效应。复合水泥这一特性对于时常发生孔壁垮塌埋钻的冻土地区钻孔护壁堵漏是非常优良的特性，以这一优良特性为研究基础，进一步解决其流变性、凝结时间与浆体强度之间的协调统一问题。
　　通过前期试验确定以硅酸盐-硫铝酸盐复合水泥作为护壁堵漏材料的研究基础，以冻土地区钻探对护壁堵漏材料性能的要求为前提，添加外加剂对复合水泥进行改性，使其达到施工要求。最终选择以纳米SiO2、减水剂JSS、早强剂LC以及防冻剂CC作为外加剂组合，并通过正交实验确定各个外加剂的最优加量，研制出纳米复合水泥基护壁堵漏材料。
　　通过试验对纳米复合水泥基护壁堵漏材料的流动度、凝结时间、抗压强度等特性进行测试，试验结果可知纳米复合水泥的各项性能均达到冻土钻探护壁堵漏的要求。并且测试低温条件下纳米复合水泥浆液在不同剪切速率下的剪切应力，采用线性回归方法对所得数据进行分析，发现其流型符合赫巴流变模式。对水泥浆液的表观粘度、动切力、流性指数、稠度系数等进行表征，为建立护壁堵漏扩散模型打好基础。
　　为凸显出纳米复合水泥独特的“水化协同”效应，通过水化热试验从热力学角度解释纳米复合水泥的“直角稠化”以及初终凝时间间隔极短的特性。使用X射线衍射(XRD)对不同养护龄期的水化产物进行分析，研究水化产物的类型与数量随着反应时间的变化，从水化产物入手揭示了纳米复合水泥的“水化协同”效应。采用电镜扫描(SEM)对水泥结石进行观察，从定性分析和定量分析两方面对不同养护龄期的水泥结石结构进行分析解释，从微观结构角度进一步探索纳米复合水泥的水化硬化过程，为复合水泥体系的理论研究提供参考。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1．1 选题依据

1．1．2 研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 冻土钻探护壁堵漏材料研究现状

1．2．2 水泥基材料性能、复合改性研究现状

1．2．3 水泥基材料水化反应过程研究现状

1．2．4 冻土钻探护壁堵漏材料存在的问题分析

1．3．1 研究内容

1．3．2 技术路线

1．4 创新点

2．1．1 水泥

2．1．2 纳米材料

2．1．3 防冻剂

2．1．4 减水剂

2．1．5 早强剂

2．2 试验仪器

2．3 试验方法

2．3．1 流动度与可泵期测试

2．3．2 凝结时间测试

2．3．3 流变性测试

2．3．4 抗压强度

2．3．5 水化热

2．3．6 微观分析

第3章 纳米复合水泥基护壁堵漏材料研制

3．1 概述

3．1．1 冻土层钻探的特点

3．1．2 冻土层钻探护壁堵漏材料的技术指标

3．2 水泥复合化基础试验研究

3．2．2 硫铝酸盐水泥

3．2．3 硅酸盐-硫铝酸盐复合水泥

3．3 纳米复合水泥基护壁堵漏材料研制

3．3．1 防冻剂

3．3．2 纳米材料

3．3．3 减水剂

3．3．4 早强剂

3．3．5 纳米复合水泥护壁堵漏材料研制

3．4 本章小结

第4章 纳米复合水泥基护壁堵漏材料低温性能评价

4．1 低温流变性

4．2 流动度与可泵期

4．3 凝结时间

4．4 抗压强度

4．5 本章小结

第5章 纳米复合水泥基护壁堵漏材料低温水化过程

5．1 水化放热

5．2 X射线衍射

5．3 电镜扫描

5．3．1 微观结构定性分析

5．3．2 微观结构定量分析

5．4 纳米复合水泥基护壁堵漏材料低温水化过程

5．5 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果