高温下赤泥与硅粉协同强化固井水泥石力学性能

为了抑制水泥石高温下强度衰退现象，研究硅粉加量，以及赤泥与硅粉在高温下的协同作用对G级油井水泥石抗压强度的影响，并借助X射线衍射、热重分析高温下水泥水化产物的变化，通过扫描电镜观察水泥石的微观形貌。结果表明：225℃高温养护7 d后，35%硅粉(质量分数)可以提高水泥石高温力学性能，5%赤泥(质量分数)可以协助硅粉进一步提高水泥石高温下的强度，同对照组相比抗压强度提高11.3%。赤泥掺入促进水泥石内部生成纤维状硬硅钙石(Ca₆Si₆O₁₇(OH)₂, C₆S₆H)物相，水泥石内部孔结构减少，水泥石内部结构致密。     

纳米流体复合水泥固结导热及力学性能试验研究

地热井固井水泥材料的力学强度及导热特性是目前众多研究者的关注重点。本工作开展了纳米流体复合水泥材料研制、固结导热特性评价及机理分析,选用铁粉为基本导热填料,研究了纳米流体种类、颗粒质量分数、纳米流体用量对铁粉复合水泥石力学及导热性能的影响,最终得出优化配方：G级油井水泥+15%铁粉(以水泥用量外掺)+20%Al₂O₃-水纳米流体(以拌合用水用量内掺,纳米颗粒质量分数0.5%,水灰比0.44)。性能测试结果表明：添加Al₂O₃-水纳米流体能够降低水泥石孔隙率,提高中、后期抗压强度,提升导热性能近32%,而干混式加入Al₂O₃纳米颗粒对水泥石力学强度及传热性能几乎无提升。观察了水泥石的微观结构,分析了其物相成分,对纳米流体复合水泥的固结导热机理进行了研究。分析结果表明：纳米流体中均匀分散的Al₂O₃纳米颗粒起到促进水化、填充孔隙的作用。纳米流体的使用为地热井固井水泥材料的力学及导热性能优化提供了新思路。     

CO2驱油井环境下N80钢与3Cr13钢的电偶腐蚀行为

N80钢与3Cr13钢常作为油管和水力锚等的材料使用,在CO₂驱油井环境中不可避免偶接使用易产生电偶腐蚀。为此,通过开展CO₂环境下N80钢和3Cr13钢的腐蚀速率试验和电偶腐蚀试验,明确了CO₂含量、温度、压力和矿化度等因素作用下2种钢的电偶腐蚀规律。结果表明：CO₂驱油井中2种钢产生电偶腐蚀,3Cr13钢为阴极,且不受电偶腐蚀影响,N80钢为阳极,电偶腐蚀速率增大;且N80钢的电偶腐蚀速率随CO₂含量、温度、压力和矿化度的增大而增大;电偶腐蚀敏感因子随CO₂含量和压力增大而减小,当CO₂含量达到20.0%时电偶腐蚀敏感因子为负值,随温度升高先减小后增大,随矿化度增加而增大,电偶腐蚀速率最大可高于常规腐蚀69%。     

粉煤灰改性磷酸镁水泥性能及机理分析

以粉煤灰、MgO和KH₂PO₄为原料制备磷酸镁水泥(MPC)。测定MPC在不同粉煤灰掺量下的抗压强度、抗折强度、凝结时间、孔隙率,并分析其微观结构。研究结果表明：MPC抗压强度随粉煤灰掺量的增加先升高后降低,掺量为20%时强度最大为34 MPa,抗折强度随粉煤灰掺量的增加而降低,韧性随粉煤灰掺量的增加而降低;粉煤灰改善了MPC孔结构,粉煤灰掺量为40%时MPC孔隙率降低了67.2%;粉煤灰延长了MPC凝结时间,粉煤灰掺量为40%时MPC凝结时间延长至13.7 min;随着粉煤灰掺量的增加水化产物MgKPO₄·6H₂O(MKP)生成量先增多后减少,粉煤灰掺量20%时MKP生成量最大。粉煤灰对MPC强度的影响主要取决于MKP生成量。     

复合纳米材料对混凝土动态力学性能的影响

制备了掺量为0.2%(以水泥质量为基准)的纳米Fe₂O₃(NF)、复掺纳米Fe₂O₃和纳米CaCO₃ 2种纳米材料(NFC)以及复掺纳米Fe₂O₃、纳米CaCO₃和纳米SiO₂ 3种纳米材料(NFCS)的混凝土,之后采用直径100 mm分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置测试了养护龄期为28 d的3种混凝土在不同平均应变率等级下的动力特性并与普通混凝土(PC)进行对比研究。结果表明:准静态载荷下,复合纳米材料的掺入可有效调高混凝土的抗压强度;冲击载荷作用下,中低水平平均应变率时, NFC动态抗压强度最高, 80 s-1时NFC比PC高31.6%,高水平平均应变率下NF动态抗压强度具有优势,在125 s-1时, NF比PC高16%;NF在冲击载荷作用下峰值应变具有显著优势,具有良好的变形性能;以比能量吸收作为韧性评价指标,在平均应变率为75 s-1和125 s-1时, NF比PC增幅达到66.6%和75.7%。通过SEM照片分析,纳米Fe₂O₃颗粒增大了水泥石密实度,进而改善了NF的强度和韧性;由压汞试验分析,纳米CaCO₃颗粒在混凝土中,改善了水泥石孔隙结构。      

碳纤维增强油井水泥石的力学性能

油井水泥石在井下易脆裂,造成油井层间封隔失效,进而影响油井开采。为了解决这一问题,需要对水泥石进行降脆增韧。首先,考察了甲基纤维素和羧甲基纤维素对碳纤维的分散效果;然后,研究了碳纤维对油井水泥石抗压强度、抗折强度和劈裂抗拉强度的影响,并模拟井下环境测试了水泥石单轴和三轴应力-应变曲线;最后,使用扫描电子显微镜对碳纤维增强水泥石的微观形貌进行观察,探讨碳纤维对水泥石的增韧机制。结果表明:0.2wt%的羧甲基纤维素溶液可有效分散碳纤维;养护28d后,0.3wt%碳纤维增强水泥石的抗压强度、抗折强度和劈裂抗拉强度较纯水泥石的分别提高8.6%、31.5%和52.4%,三轴直接加载条件下,其弹性模量较纯水泥石的低49.5%;经过分散的碳纤维在水泥石中乱向分布,形成三维网络结构,通过桥联、剥离及拔出耗能作用增强水泥石。研究结果为解决油井水泥石易脆裂的问题提供了理论参考。     

利用电石渣替代水泥开发固碳胶凝材料

本研究利用电石渣替代部分水泥,制备新型固碳胶凝材料,研究了不同电石渣含量的胶凝材料对600 kg/m³等级泡沫混凝土的基础性能及固碳性能的影响。研究表明：电石渣的掺入导致泡沫混凝土气孔变大,28 d抗压强度先升高后降低,保温性能提高;当电石渣取代10%水泥,制备出的泡沫混凝土干密度为595 kg/m³,28 d抗压强度比未掺加电石渣的提高4.2%,达5.0 MPa;当电石渣取代50%水泥,制备出的泡沫混凝土导热系数比未掺加电石渣的降低17.1%,为1.131 W·m^-1·K^-1。电石渣掺加有利于改善泡沫混凝土收缩,当电石渣掺量增加,泡沫混凝土先呈现收缩减小后出现膨胀。碳化养护不仅能够固化封存CO₂,还能提高泡沫混凝土的力学性能与保温性能。电石渣掺量越高,泡沫混凝土固碳能力越强,电石渣掺量为50%时,CO₂的捕获量达到46.02 wt%。     

偏铝酸钠激发石灰石粉的胶凝材料合成机理研究

石灰石在地球上储量丰富。为了对石灰石粉进行高效利用，本工作采用偏铝酸钠与石灰石粉制备胶凝材料，探究了偏铝酸钠掺量对其凝结时间、力学性能的影响，分析了胶凝材料的物相组成、红外吸收特性及微观结构，揭示了石灰石粉的碱激发活化机理。试验结果进一步表明，当偏铝酸钠质量掺量为15%时，浆体在71 min时初凝；掺入20%(质量分数)的偏铝酸钠时，试样3 d抗压强度可达25.3 MPa。偏铝酸钠可促进石灰石粉的缓慢溶解、重结晶，生成层状双氢氧化物Ca₄Al₂(OH)₁₂(CO₃)·5H₂O。然而当掺入过量偏铝酸钠时，Na⁺、Al(OH)₄^-、OH^-等离子无法及时与石灰石进行反应，使得所形成胶凝材料的凝结时间延长。因此，在制备碱激发石灰石粉胶凝材料时，需控制偏铝酸钠掺量在胶凝材料总量的20%以下。本研究为碳酸钙基胶凝材料的高效应用提供重要参考。     

J55钢在模拟CO2注入井环空环境中的关键性腐蚀因素

基于实际CO₂驱注井环空环境计算环空参数、测试电化学和进行相关性分析,研究了环境总压、CO₂分压、pH值以及温度对J55钢腐蚀电化学行为的影响。结果表明,CO₂分压和温度是影响J55钢腐蚀速度的关键因素。CO₂分压与电荷转移电阻(R_ct)显著相关,Spearman相关系数为-0.623;CO₂分压的升高使溶液的pH值降低从而促进析氢反应,使腐蚀速率提高。温度与R_ct的相关行显著,Spearman相关系数为-0.692;温度的降低抑制材料的电化学反应活性且阻碍腐蚀产物膜的形成,减缓了J55钢的腐蚀。溶液初始p H值的降低能促进J55钢的腐蚀,但是温度和CO₂分压的影响可将其覆盖。     

气相压力对CO2/H2O气液两相泡状流中20#钢初期腐蚀行为的影响

在气液两相流条件下,为研究CO₂压力对20#钢初期腐蚀行为的影响,采用气液两相流的动态腐蚀平台,通过失重法、SEM、EDS、XRD等系统研究了20#钢在不同CO₂压力下的腐蚀速率、腐蚀形貌及产物。结果表明：在不同腐蚀时间下,腐蚀速率均随CO₂压力的增大呈先减小后增大的趋势,在CO₂压力为0.1 MPa时出现最小值,同一CO₂压力下腐蚀速率偏差随着时间的延长明显降低,表面腐蚀产物的致密度随着CO₂压力的增加而提高,不同CO₂压力下管壁表面腐蚀后的形貌呈现两种不同的特征,即粗糙区和相对平滑区,两种特征区内均包括相对均匀产物与突起产物,均匀产物中C和O的含量均低于突起产物,两种产物中C和O的含量随CO₂压力的升高而升高,表面腐蚀产物的主要构成相为FeCO₃、γ-FeOOH、Fe₃O₄。     

纳米TiO2改性水泥基混凝土复合材料的制备及性能研究

以纳米TiO₂为填料,通过调整纳米TiO₂的掺杂比例(0,2%,4%和6%)(质量分数),制备出了不同掺量的纳米TiO₂改性水泥基混凝土复合材料,对混凝土复合材料的力学性能、微观形貌和耐久性能等进行了分析。结果表明,随着纳米TiO₂掺杂含量的增加,混凝土复合材料的抗压强度和抗折强度均呈现出先升高后降低的趋势,孔隙率和磨损量表现出先降低后略微升高的趋势。当纳米TiO₂的掺杂含量为4%(质量分数)时,28 d抗压强度和抗折强度均达到最大值,分别为42.57和5.62 MPa,孔隙率最低为9.57%,磨损量最少为1.81 kg/m²,磨损降低率最大为42.54%。抗盐冻性测试表明,在经过7次冻融循环后,随着纳米TiO₂掺杂含量的增加,次冻融循环后的质量损失率持续降低,抗盐冻性能得到显著改善。SEM分析可知,掺入适量纳米TiO₂后,钙矾石的形貌有从针状向扁圆形转变的趋势,促进了凝胶的形成,提升了整体结构的致密性,从而提高...     

海洋CO2管道输送技术现状与展望

管道输送是经济高效的CO₂运输方式,海洋CO₂运输是离岸碳捕集、利用与封存(CCUS)产业链的关键环节和规模化开展离岸CCUS工程建设所需的核心技术。本文明晰了我国实施离岸CCUS的优势、典型海洋碳运输情境和海洋CO₂运输方式,剖析了国内外海洋CO₂管道输送的技术与工程概况;从CO₂流体相态及流动安全,沿程腐蚀风险评估、监测及预警,CO₂泄漏实时监测技术,高压CO₂泄放及对环境的影响等方面梳理了海洋CO₂管道输送工艺技术现状;从CO₂管道材料断裂行为及止裂措施、高耐蚀及密封材料、碳钢管道长寿命运行的关键腐蚀控制技术、注采井筒的腐蚀风险评估等方面梳理了海洋CO₂管道材料技术现状。研究认为,加快发展适应海洋CO₂管道输送复杂工况的材料体系、全流程CO₂管道的智慧管理与数字孪生技术、海底CO₂管道全生命周期运行...     

316L不锈钢在不同浓度Cl-和CO2条件下的腐蚀行为

为了探明在辽河油田采出水环境中Cl^-和CO₂对316L不锈钢腐蚀行为的影响,通过浸泡实验、交流阻抗(EIS)和极化曲线技术分别研究了不同Cl^-浓度和CO₂分压对316L不锈钢的影响,其中Cl^-浓度梯度为0,0.030 0,0.051 5,0.070 0 mol/L,CO₂分压为0.2,0.4,0.6 MPa,并结合X射线衍射技术(XRD)对腐蚀产物进行了分析。结果表明：Cl^-浓度的增大使容抗弧直径减小,弥散指数降低,腐蚀情况加剧;容抗弧的直径随着CO₂分压的增大先变小后变大,弥散指数先降低后升高,腐蚀情况先加剧后减缓。这是由于Cl^-会破坏316L表面的钝化膜,而CO₂会与基体反应生成FeCO₃,随着CO₂分压升高,FeCO₃保护膜愈加致密。     

纳米SiO2改性聚合物水泥基复合材料早期微观结构及性能

利用纳米SiO₂(nano SiO₂)早期可促进聚合物水泥基复合材料水化速率、提升其力学性能、改善其界面过渡区(ITZ)性能及优化其孔隙结构等特点,借助XRD、SEM、EDS、显微硬度(MH)及压汞(MIP)等试验,揭示了nano SiO₂对聚合物水泥基复合材料早期性能影响的微观机制。结果表明:当nano SiO₂掺量为2wt%时,聚合物水泥基复合材料的力学性能最优,3 d和7 d龄期抗压强度分别为57.5 MPa和67.3 MPa,较仅仅掺加聚合物的水泥基复合材料分别提高了12.7%和13.9%;nano SiO₂的掺入改变了聚合物水泥基复合材料水化产物数量及微观形貌。对于ITZ性能,nano SiO₂掺入后,聚合物水泥硬化浆体-骨料的ITZ厚度减小,形貌变得更加致密;ITZ的钙硅比因nano SiO₂的加入变小而其显微硬度变大;此外,nano SiO₂加入后可以进一步填充聚合物水泥基复合材料更加细小的孔隙,使其凝胶孔比例变高,最可几孔径变小,大大优化了聚合物水泥基复合材料的孔隙结构。      

解毒飞灰对水泥稳定碎石抗压强度的影响机制研究

为了探究解毒飞灰对水泥稳定碎石抗压强度形成与发展的影响机制，研究了水泥-解毒飞灰浆体中Ca(OH)₂与Friedel盐变化、水化产物微观形态以及水化产物元素的变化规律，揭示了水泥-解毒飞灰水化产物变化与水泥稳定碎石试件的抗压强度演变间的关系，基于解毒飞灰的合理掺配区间，提出不同氯盐含量下解毒飞灰在水泥稳定碎石中的掺量限制范围。结果表明，水泥稳定碎石抗压强度随解毒飞灰掺量的增加先升高后降低，后期强度呈现回升趋势；解毒飞灰中可溶氯盐的含量是影响水泥水化产物生成量与强度发展的关键因素，低解毒飞灰掺量引入了合理含量的可溶氯盐，水化产物中Ca(OH)₂含量增加，且生成新的水化产物Friedel盐，促使浆体结构更加密实和优化，抗压强度得以增长；随解毒飞灰掺量的增加，Ca(OH)₂生成量先增后降，而Friedel盐持续增长；当解毒飞灰掺量超过一定掺量后，体系中出现游离的氯盐，在水泥熟料颗粒表面形成包裹层阻碍其进一步水化，从而抑制抗压强度的发展。为保证水泥稳定碎石早期与后期强度稳定发展，建议该解毒飞灰掺量控制在4%以内，各地区解毒飞灰掺...     

高浓度盐环境下偏高岭土对水泥石抗盐冻性能的影响

为研究高浓度盐环境下偏高岭土对提高水泥石抗冻性的使用效能,本工作通过探究偏高岭土掺量对冻融循环后水泥石强度损失率、水化产物含量、盐侵蚀产物含量的影响规律,建立了水化及侵蚀产物含量与抗压强度损失率间的线性回归方程,并计算出偏高岭土对提升水泥石抗盐冻性能的最佳掺入范围。结果表明：偏高岭土可有效提高水泥石的抗盐冻性能,且材料的强度损失率随掺量的增加呈线性降低趋势;高浓度盐环境下水泥石表层氢氧化钙会与钙离子和氯离子反应生成膨胀型晶体水合氯氧化钙;氢氧化钙和水合氯氧化钙的含量随偏高岭土掺量的增加呈下降趋势,且线性相关;以强度损失率作为评价标准拟合出水泥石免受破坏的氢氧化钙和水合氯氧化钙临界值分别为9.2%和7.1%。     

CO2/O2环境下L320钢在不同流速下的腐蚀行为研究

为了确定L320钢在CO₂/O₂环境中不同流速下的腐蚀行为,通过多相流瞬态模拟仿真软件,模拟目标管道的流动状态,确定室内模拟试验的流速范围,选择L320钢进行CO₂/O₂共存体系下不同流速的高温高压动态反应釜试验,采用扫描电镜、X射线衍射仪对腐蚀产物进行微观形貌表征和成分分析。结果表明:温度和压力随着里程的增加呈现下降的趋势;管道气体流速和壁面剪切力随着里程的增加呈现逐渐上升的趋势。基于Pearson相关系数法,确定了流速是影响腐蚀速率的主控因素。随着流速的增加,L320在CO₂/O₂共存条件下的均匀腐蚀速率逐渐增大。CO₂/O₂共存体系的腐蚀产物为Fe 2 O₃、FeOOH、Fe(OH)3、Fe 3 O 4、FeCO₃等。研究结论可为不同流速下的L320钢在CO₂/O₂共存环境中的防护提供借鉴。     

高温CO2介质中N80钢的腐蚀行为

目前,对油气田环境中N80钢高温CO₂腐蚀的研究不多。采用高温高压腐蚀失重法研究了N80钢在60³50℃内、CO₂分压为2 MPa的多元热流体水样中的腐蚀状况,对其腐蚀产物形貌及成分进行了观察分析,并探讨了其腐蚀机理。结果表明:100℃时N80钢的二氧化碳腐蚀速率出现极大值,而在200℃左右腐蚀速率有极小值。温度对N80钢CO₂腐蚀产物的形貌和组成有较大影响,80¹00℃的腐蚀产物出现规则晶体,晶体粗大且堆积较疏松,120¹80℃的腐蚀产物晶体排布得越来越致密,200℃以后腐蚀产物发生了变化,CO₂腐蚀的主要产物由FeCO₃变成了Fe₂O₃。     

磷酸镁水泥修补材料耐磨性影响因素研究

以重烧MgO和磷酸二氢铵为主要原料制备磷酸镁水泥修补材料,研究了氧化镁与磷酸二氢铵的比值(M/P)、水胶比(W/B)、硼砂掺量、粉煤灰掺量及龄期对磷酸镁水泥石耐磨性的影响,采用X射线衍射分析和扫描电镜探讨不同龄期水化产物的物相组成及结构。结果表明,M/P=4时磷酸镁水泥石耐磨性最强;7d内磷酸镁水泥石耐磨性随W/B增大而减弱;掺入硼砂和粉煤灰都会影响磷酸镁水泥石的耐磨性,且掺量越大耐磨性越差;磷酸镁水泥石耐磨性随龄期延长而提升。     

稻壳灰对固井水泥石性能影响研究

本实验通过在实验室制备稻壳灰并测试其相关性能,然后将稻壳灰按照实验设定的方案加入水泥中,待其水化硬化再从宏观和微观两个方面进行分析,以此来评价稻壳灰对固井水泥石的影响因素。结果表明:稻壳灰含有孔状结构,是一种多孔材料,同时它易磨,易制备,经过研磨后的稻壳灰比表面积较大,微集料填充效应良好。另外本实验探究得出稻壳灰掺量为12%时,养护得到的水泥石试样早期强度同比净浆一天增长15%~20%,两天增长25%~30%,因此可得出稻壳灰能改善固井水泥石的早期强度,最佳掺量为12%。利用XRD、SEM、EDS和TG等实验设备分析稻壳灰提高固井水泥石早期强度的原理为稻壳灰可以使水泥石中不同粒度的原料呈最密堆积,提高水泥石的致密度;稻壳灰中的高活性Si O2会与水泥的水化产物Ca(OH)2发生火山灰反应促进水泥的二次水化,生成了大量胶凝相即水化硅酸钙,提高水泥石的力学性能和改善水泥石微观结构。