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针状硅灰石微粉改善固井水泥浆性能研究

来源:江西奥特     发布日期:2019-01-22   |    加入收藏

固井作业是在套管与地层环空注入水泥浆,水泥浆凝固后形成水泥环,对地层进行有效层间封隔,同时支撑和保护套管。固井完成后,水泥环在后续试压、射孔、压裂等施工过程中,会受到各种作业带来的冲击力的考验,这就要求水泥石具有好的力学性能。油井水泥是一种脆性材料,抵抗外力破坏的能力较差,向水泥中掺入增强材料可以弥补油井水泥的缺陷。针状硅灰石

硅灰石(CaSiO3或Ca3[Si3O9])是一种具有特殊晶体结构的链状偏硅酸盐矿物,当其粉碎成粉末时,仍可保持针状纤维形态,兼有矿物微粉和纤维的特性。硅灰石微粉具有稳定的物理化学性能,吸水率低,耐热性好,机械性能优良,已广泛应用于塑料、橡胶、冶金和耐火材料等行业中。硅灰石粉在水泥混凝土中的研究开始于20世纪90年代,起步较晚。

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实验材料

三峡G级水泥,硅灰石微粉,降失水剂、增强剂、缓凝剂、分散剂、膨胀剂、消泡剂。

02

结果与讨论

 针状硅灰石微粉水泥浆常规性能

 

水泥浆常规性能主要有流变性、稠化时间、失水量。水泥浆的流变性和稠化时间是固井施工安全的标志。流变性影响水泥浆的可泵性,稠化时间决定了水泥浆泵送周期的安全性,失水量对固井施工安全及固井质量有较大影响。室内评价了不同针状硅灰石微粉加量的水泥浆的常规性能,并与不添加针状硅灰石微粉的空白水泥浆性能进行对比。

从实验结果可以看出:①针状硅灰石微粉对水泥浆流变性有影响,在针状硅灰石微粉加量较少时,对水泥浆流变性影响较小,随着针状硅灰石微粉加量的增大,水泥浆明显变稠。针状硅灰石微粉加量达到4%时,φ600和φ300已经大于300。针状硅灰石微粉在油井水泥中应用时,需要加入合适加量的分散剂,保证水泥浆良好的流变性;②针状硅灰石微粉会缩短水泥浆的稠化时间,在加量为4%时,稠化时间较空白水泥浆缩短18min,针状硅灰石微粉对水泥浆稠化时间影响不大;③从图2中失水量曲线可以看出,针状硅灰石微粉加量为1%时,失水量为36mL,较纯水泥浆下降13mL。不同针状硅灰石微粉加量的水泥浆失水量较空白水泥浆都有所下降,针状硅灰石微粉可以控制水泥浆的失水,在一定程度上改善水泥浆应用性能。针状硅灰石

针状硅灰石微粉水泥石抗压强度发

水泥石的抗压强度表征受压应力时保持水泥石完整性的能力,这是固井水泥石应用最重要的评价指标,它是单位受力接触面上由匀速压应力作用下使水泥石破坏的最大应力。室内采用压力试验机对不同针状硅灰石微粉加量的水泥石抗压强度进行测试,评价水泥石抗压强度发展情况,测试结果见图3。从图中数据可以看出,随着养护时间的延长,水泥石抗压强度不断增大。养护1d后,4%硅灰石粉水泥石抗压强度较空白水泥浆提高32.2%;养护28d后,硅灰石粉加量为4%时水泥石抗压强度达到54.8MPa。与空白试样相比,在0.5%、1%、2%、3%、4%针状硅灰石微粉加量情况下,养护28d后,水泥石抗压强度分别提高约5.4%、7.1%、11.8%、16.1%、17.6%。针状硅灰石微粉可以提高水泥石抗压强度,有助于提高水泥环抵抗外部载荷破坏的能力。

针状硅灰石微粉水泥石抗折强度

抗折强度可以表征水泥环承受外力剪切的能力,间接的表征水泥石的韧性。室内对针状硅灰石微粉水泥试样抗折强度进行评价。从评价结果可以看出,针状硅灰石粉可以明显提高水泥石抗折强度。随着养护龄期的增加,水泥石抗折强度增大。图中数据表明,当针状硅灰石微粉加量为4%时,水泥试样抗折强度发展较快,在28d后达到11MPa,较空白试样抗折强度提高约20.9%。针状硅灰石粉

 

图4 不同养护龄期水泥石抗折强度

针状硅灰石微粉水泥石抗冲击强度

抗冲击强度是水泥试件受冲击断裂后所消耗的能量,表示水泥石承受冲击的能力。抗冲击强度是检验水泥石韧性的一个重要指标,其大小能直接反映出水泥石的韧性和定量表征水泥石的增韧效果。室内采用简支梁冲击试验仪对针状硅灰石微粉水泥石不同养护龄期的抗冲击强度进行测试,结果见图5。从图5数据可以看出,针状硅灰石微粉与常规纤维一样可以提高水泥石的抗冲击强度,针状硅灰石微粉可以使水泥石的破碎吸收能得到提高。随着养护龄期的延长,试样抗冲击强度增大。针状硅灰石微粉水泥试样在养护1d后,抗冲击强度较空白试样最大提高率达到12.7%。在养护28d后,五种针状硅灰石微粉加量的水泥石抗冲击强度比不加针状硅灰石微粉的水泥试样分别提高了2.1%、10.5%、11.6%、15.8%、21.1%。硅灰石微粉加量在4%时,水泥试样抗冲击强度发展最好

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针状硅灰石粉水泥石力学性能改善机理

针状硅灰石微粉及加入3%针状硅灰石微粉水泥石,针状硅灰石微粉大部分为针状或纤维状,粗细和长度均不等。图8a可以看出,加入硅灰石微粉的水泥浆凝固后,针状硅灰石杂乱分散在水泥石中的状态;图8b和图8c可以看出硅灰石微粉在水泥石内部“拔出”和“桥接”作用。由于针状硅灰石微粉为纤维状,加入到固井水泥浆后,形成的水泥石遭受外力破坏引起裂纹时,纤维状的硅灰石会导致水泥石裂纹发生弯曲和偏转,起到阻碍裂纹发展的作用。在针状硅灰石微粉分布与裂纹发展方向一致的部分,裂纹很难偏转,只能沿着原来方向继续扩展,此时紧靠裂纹尖端处的针状硅灰石并未断裂,而是在裂纹两岸形成类似纤维的“搭桥”作用,使裂纹两边连接在一起,在裂纹表面产生一个压应力,在一定程度上抵消外加应力作用,从而阻止裂纹扩展,起到增强水泥石力学性能的作用。

04

针状硅灰石微粉水泥石渗透率

水泥浆体系用于封固油气层,特别是气层,除了要求水泥石具有较好的力学性能外,水泥石自身的渗透率也与封固质量有较大关系。室内评价了不同硅灰石微粉加量水泥石的气体渗透率。从测试结果可以看出,硅灰石微粉可以降低水泥石渗透率。当硅灰石微粉加量在4%时,其渗透率较空白水泥石下降38.3%。硅灰石矿物微粉的填充作用在一定程度上增加了水泥石的密实度,使水泥石渗透率下降  针状硅灰石

结论

( 1) 针状硅灰石微粉对水泥浆流变性有影响,在油井水泥中应用时,需要加入适量的分散剂,保证水泥浆良好的流变性。同时,针状硅灰石微粉对水泥浆稠化时间影响不大,并可以在一定程度上控制水泥浆的失水,降低水泥石渗透率。

( 2) 针状硅灰石微粉可以提高水泥石力学性能,在90 ℃、21 MPa 条件下养护28 d 后,加入4%的针状硅灰石微粉的水泥石较空白水泥石的抗压强度、抗折强度、抗冲击强度分别提高了17. 6%、20. 9%、、21. 1%。

( 3) 加入3%针状硅灰石微粉后水泥石弹性模量比空白试样降低约26. 9%,针状硅灰石微粉提高水泥石弹韧性。

( 4) 固井水泥浆中添加针状硅灰石微粉后,水泥石遭受外力作用时,纤维状的硅灰石可在一定程度上阻止水泥石裂纹发生和扩展,提高水泥石抵抗外力破坏的能力。

 
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