等离子体改性氧化镁晶须增强铝酸盐水泥高温力学性能

水泥石的高温脆性和低拉应力限制了其在稠油热采井中的应用。笔者选用等离子体改性氧化镁晶须来增强铝酸盐水泥的高温力学性能。结果表明,等离子体改性氧化镁晶须的表面微观结构更为粗糙,可更好地与水泥石产生胶结,进而提高力学性能。在500℃下养护7 d后,掺入2%等离子体改性氧化镁晶须的水泥石相比于掺入2%未改性氧化镁晶须的水泥石,其高温力学性能明显提升,抗压、抗拉强度分别增长了24.5%和14.1%;同时掺入2%等离子体改性氧化镁晶须的水泥石的应力应变性能也更为优异,具有更高的应力峰值与更低的弹性模量。最后通过SEM和EDS等表征方法,对掺入晶须的水泥石微观形貌进行分析,认为晶须作用于水泥基体时,分别通过裂纹偏转、晶须断裂和桥联等途径达到增强水泥石力学性能的效果。      

页岩油地层固井用改性铝酸盐水泥的水化行为及性能

页岩油原位转化的资源潜力巨大,属于中国油气的战略性替代资源。但是,低成熟度页岩油在原位转化过 程中极端高温会导致固井水泥石强度衰退。系统研究了改性材料六偏磷酸钠对铝酸盐水泥水化行为及在 650 ℃高温环境下应用性能的影响规律,并对其宏观性能和微观结构进行了深入探究。低场核磁共振分析测试 技术显示,改性材料六偏磷酸钠对铝酸盐水泥初期水化行为存在较为显著延缓作用,且可有效改善其流变性 能。50 ℃环境下,掺入六偏磷酸钠能显著降低铝酸盐水泥石的渗透率,但对强度提升不明显;650 ℃处理后,掺 入5%六偏磷酸钠的改性铝酸盐水泥石的抗压强度最高为47.19 MPa。铝酸盐水泥石在650 ℃处理前后水化产 物发生明显转化,主要是C₃AH₆和AH₃转化为C₁₂A₇和CA,其中,C₃AH₆和AH₃主要在180～400 ℃期间发生热分解。同时,压汞孔径分布显示,净浆铝酸盐水泥石以及5%六偏磷酸钠改性铝酸盐水泥石孔径范围主要分布在 100～1000 nm之间,且两种类型水泥石高温650 ℃处理后由于晶型的转化均导致孔隙明显增大。     

高炉矿渣改善固井水泥界面胶结性能研究

基于对双界面封固系统的认识和对高炉矿渣物化特性的分析，研制了用于模拟固井界面胶结的试验装置，利用胶结强度模拟试验等方法评价了高炉矿渣水泥体系的性能。结果表明，矿渣和激活剂加量范围分别为25％～35％和3.5％～4.5％时能明显提高水泥第一界面的胶结强度，且受养护温度的影响较大；矿渣水泥在干心、水湿和有滤饼3种界面条件下的第二界面胶结性能都优于基浆，第二界面胶结强度远小于第一界面，体系性能满足现场固井要求。试验证实了模拟装置的可行性，高炉矿渣独特的水化特点、良好的界面亲和性及与水泥间的颗粒级配为解决固井工程中的界面胶结问题提供了实际可行的解决方案和必要的理论依据。     

高酸性气体对硫铝酸盐水泥石腐蚀作用机理

为了研究硫铝酸盐水泥石在含有H₂S的高酸性环境的性能变化及腐蚀机理,采用氮吸附比表面积及孔径分析测试仪(BET和BJH方法)测试了腐蚀前后水泥石比表面积和孔隙结构变化,利用X射线衍射仪(XRD)和热分析仪(TG/DTG)分析了腐蚀前后水泥石水化产物的变化,采用扫描电子显微镜(SEM)观察对比了腐蚀前后水泥石水化产物微观形貌的变化。结果表明：SAC在60℃时强度发展较好,60℃腐蚀14 d后水泥石主要产物为AFt,90℃腐蚀14 d后主要生成物是CaSO₄·2 H₂O;水泥石被H₂S腐蚀后会产生明显的分层现象,外层最先被腐蚀,内层会由于膨胀作用出现短期内的强度提高;H₂S的腐蚀机理为水泥水化产物中的C-S-H和CH分别与H₂S发生反应,生成具有膨胀性的AFt和CaSO₄·2 H₂O,进而使水泥石产生裂纹,导致抗压强度下降。研究结果为硫铝酸盐水泥在高含硫油气井的固井应用提供了一定的实验及理论基础。     

CO2液相及气相下铝酸盐水泥石强度发展规律

火烧油层工况下,固井水泥石服役温度高达500 ℃以上。硅酸盐水泥难以在此温度范围下稳定存在,同时井内伴生大量腐蚀性气体。因此,研究了矿渣改性铝酸盐水泥（CAC）力学性能的可行性,同时模拟火烧油层实际工况,探究了改性铝酸盐水泥石强度发展规律。采用X射线衍射仪、扫描电子显微镜等测试了腐蚀前后改性铝酸盐水泥石的物相组成和微观形貌特征,分析了模拟火烧油层工况下改性铝酸盐水泥石的强度发展规律。结果表明,随着矿渣掺量的增加铝酸盐水泥石抗压强度出现先增加后降低的趋势,且当矿渣掺量为30%左右时其改性效果较好。在50 ℃液相环境下,水泥石被腐蚀产生碳酸钙并产生了孔洞和微裂纹,破坏了水泥石的完整性造成抗压强度降低;而在高温气相环境下,二氧化碳未对水泥石产生腐蚀破坏。在高温下改性CAC水泥石仍可保持较高的抗压强度,并且经过二次高温养护后改性CAC水泥石强度进一步得到发展,具有较好的耐高温性能。该研究为火烧油层工况下CAC水泥石力学性能优化和耐CO₂腐蚀提供了一定的理论基础。      

硫铝酸盐固井水泥石-套管界面胶结强度增强机理

硫铝酸盐水泥是一种潜在固井材料,其固井界面胶结强度及微观结构尚不明确,为此进行硫铝酸盐水泥浆胶结界面胶结强度增强机理实验研究。采用X射线衍射仪研究硫铝酸盐水泥浆的水化机理,利用胶结强度测试装置测定硫铝酸盐水泥浆固井界面胶结强度,利用扫描电子显微镜和X射线能谱分析表征固井界面的微观结构及化学组分。研究结果表明:龄期为1 d、3 d、7 d时,硫铝酸盐水泥与套管的胶结强度比同龄期G级水泥分别提高了24.3%、20.1%和25.3%;微观分析结果表明,套管表面聚集着大量Al元素(AH₃凝胶),其高聚合度可以降低界面处的孔隙率,从而提高硫铝酸盐水泥石的界面封固性能。     

高炉水淬矿渣结构特性及水化机理

高炉水淬矿渣作为泥浆转化为水泥浆技术中的主体材料，已引起广泛重视并获得初步成功。本文叙述了矿渣的形成、结构形态、化学组成、水化活性与激活剂、碱激活矿渣的水化机理及水化产物等。     

高炉水淬矿渣固井液配方与性能研究

用乌鲁木齐钢厂的高炉水淬矿渣(BFS),MTC激活剂BAS-1和分散剂MT-1,吐哈油田5口井使用的聚合物钻井液配制了一系列高(1．81～1．84g／cm^3)、低(1．56～1．66g／cm^3)密度高炉水淬矿渣固井液(BFSCF)并在不同温度下(65℃,85℃,93℃)对其性能进行了评定。列表给出了BFS的组成,钻井液的性能,各BRSCF的配方与性能(包括稠化时间,24小时强度,流动度及API滤失量)。实验结果表明,温度较高时BAS-1的加量应减小;在高密度BFSCF中BAS-1加量为3％～4％,低密度BFSCF中BAS-1加量大于4％;增大MT-1加量使高温(93℃)下BFSCF稠化时间延长;加入少量水泥可改善低温(65℃)下BFSCF的早期强度;高温(93℃)BFSCF的强度可达到30MPa以上。加入水泥的一种BFSCF的强度随65℃下养护龄期的延长而提高。BFSCF具有良好的沉降稳定性。表6参2。     

氧化钙激活水淬高炉矿渣的实验研究

讨论了水淬高炉矿渣的组成、激活原理及激活剂，指出氧化钙是适于油田井下环境的激活剂。使用组成、特性已知的一种高炉矿渣，取油井水泥、矿渣质量比为5：3，以CaO激活，水与水泥＋外掺料质量比1：1，在120℃密闭养护24h，矿渣水泥石抗压强度随CaO掺量（CaO与矿渣的质量比）增大而增大，掺量8％时有最大值（16．2MPa），掺量更大时趋于下降。断面电镜照片显示，CaO掺量不足时（5％）一部分矿渣粒子以原态存在，掺量过大时（20％），过量CaO晶体夹杂在水化产物中，均引起矿渣水泥石强度下降；过量CaO在清水养护过程中可变为Ca（OH），而被溶出，形成孔洞，造成强度下降。CaO掺量适当时矿渣粒子充分激活、水化，形成长而密集、相互交错的纤维状。CaO最佳掺量与矿渣组成有关。配浆水矿化度由2g／L增至100g／L时，8％CaO激活的矿渣水泥石强度在不大的幅度内上下变动，但在淡水中养护24d后则由14．3MVa降至7．24MVa，这是盐被溶出而形成空洞的结果．配浆水矿化度以≤10a／L为好。图5表3参1。     

外加剂对水泥石力学性能的影响

传统水泥石的硬脆性是致使油井整体性在复杂多变的井下工况及油气井后续施工中受到破坏、导致层间封隔失效的主要原因。为进一步提高水泥石性能,解决石油固井等实际问题,在普通固井水泥(G级纯水泥)中掺加定量的丁苯胶乳、硅粉、石棉等外加剂,形成胶乳水泥(G级水泥添加丁苯胶乳)、二元复配水泥(G级水泥添加丁苯胶乳和硅粉)和三元复配水泥(G级水泥添加丁苯胶乳、硅粉和石棉),研究了外加剂对水泥石抗压强度、杨氏模量、泊松比和体积弹性模量等9项力学性能的影响。结果表明,普通固井水泥、胶乳水泥、二元复配水泥和三元复配水泥四种水泥石的泊松比均接近0.20。与普通水泥石相比,胶乳水泥石、二元复配水泥石和三元复配水泥石抗压强度分别提高24.6%、12.3%和降低11.2%。二元复配水泥石的杨氏模量和体积弹性模量均提高,分别为11.8%和12.9%;而胶乳水泥石分别降低2.9%和8.2%;三元复配水泥石分别降低14.7%和18.6%。二元复配水泥石有较强的刚度,胶乳水泥石和三元复配水泥石表现出较好的弯曲性能,具有柔性好的特点,此外胶乳水泥石表现出较好的抗冲击韧性。胶乳水泥为石油固井的最佳选择。     

粒径对油井水泥水化热及力学性能的影响

油井水泥的粒径与其性能和用途密切相关,考察了3种粉磨方式下不同粒径分布油井水泥浆的性能。利用等温量热仪（ICC）、X射线衍射分析仪（XRD）、压汞仪（MIP）和扫描电镜（SEM）分别测试了不同粒径水泥颗粒早期水化放热速率、水泥石水化产物、孔结构及颗粒微观形貌。结果表明,物理粉磨方法只能将颗粒超细化,不能纳米化;相同水灰比的水泥浆,其原料颗粒粒径分布对浆体密度、水化产物无明显影响。但随水泥颗粒粒径的减小,浆体稠化时间缩短、流变性变差、析水率降低,稳定性增加。同时,超细水泥颗粒反应活性增强,水化放热量及放热速率增加,水灰比为0.5的0.013mm超细水泥（MC1000-0.5）24 h累积水化放热量较水灰比为0.5的普通G级水泥（G-0.5）提高了91.03%。在短期内生成了更多的水化产物,提高了水泥石早期强度及抗渗性能,且降低了水泥石的总孔隙率,水灰比为0.7的0.013 mm超细水泥（MC1000-0.7）水泥石的1 d龄期抗压、抗折强度较水灰比为0.7的普通G级水泥（G-0.7）分别提高了226.32%、153.13%,其28 d龄期总孔隙率及渗透率较G-0.7水泥石分别降低了10.1%及41.7%,但后期抗压强度增长幅度不大。      

Evaluating the Mechanical Properties of Admixed Blended Cement Pastes and Estimating its Kinetics of Hydration by Different Techniques

Mineral and organic admixtures are working together to give a compacting structure of cemetinous matrix to form ultra-high performance concrete (UHPC). Superplasticizers can be used to treat some problems occurring by adding mineral admixtures. Since silica fumes has high surface area, a high amount of water is required, which is reflected on the mechanical properties of concrete showing the importance of using organic admixtures. In this research, the effect of phenol formaldehyde sulfonilate, (SI) and phenol formaldehyde sulfonilate with low phenol content (SII) admixtures which prepared laboratory as well as a commercial admixture sikament-TG (TG) on the behaviour of blended cement (BC) pastes was studied. The standard water of consistency (S-WC), water reduction percentages and mechanical compressive strength (MCS) of the prepared pastes were examined. The hydration kinetics was examined by using thermal analysis techniques, chemically combined water (CC-W), degree of hydration (DH) and gel/space ratio (G/S). In addition, the X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscope were used to investigate the phase composition and micro-structure of the hydration products and confirm the results. The prepared admixtures are considered as a new group of admixtures that make high water reduction up to 54%. The doses of 0.25% TG, 0.50% SI and 1.00% SII are the optimum for the compressive strength as the have the highest values of gel/space ratio. UHPC can be achieved by using these types of admixtures.     

耐碱玻璃纤维对掺矿渣油井水泥石力学性能的影响

为了改善普通油井水泥物理力学性能的均衡性，提高普通油井水泥浆抗拉伸破坏的能力，实验研究了耐碱玻璃纤维对水泥石抗折强度、抗冲击韧性和抗压强度的影响，并通过孔隙结构和扫描电镜分析研究了耐碱玻璃纤维对水泥石微观结构的影响。结果表明，耐碱玻璃纤维在掺矿渣油井水泥浆中粘接性良好，分布均匀，对水泥石抗折强度、抗冲击韧性有显著提高；在矿渣油井水泥浆中加入0．5％的耐碱玻璃纤维，可以使水泥石的抗折强度提高20％左右，使抗冲击功增加10％左右；从孔隙结构得知，在50℃条件下增加耐碱玻璃纤维的加量可以改善水泥石的微观结构，增加凝胶孔和毛细孔比例降低，大孔比例减少，抗压强度相应增加，水泥浆性能良好，能满足现场施工的需要。     

固井水泥环不连续对套管力学性能的影响分析

固井过程中,固井质量不合格的情况经常发生。以青海油田某口井作为研究对象,建立平面应变力学模型,假设研究截面套管与地层之间的环空中有1／4未被水泥充填,采用有限元软件ABAQUS模拟套管的变形过程。计算结果表明：①由于固井水泥环不连续,该侧套管没有水泥的支撑和保护作用,在非均匀地应力作用下,套管极易发生变形损坏。②套管内压P0和水平地应力P1固定,改变水平地应力P2,当P2增大到一定值时,B点附近的套管内壁率先发生塑性变形,如果P2继续增大,套管内壁的塑性区域会逐渐增加,并向套管外壁延伸,直到套管整体发生塑性破坏。④水泥环的不连续改变了套管内壁的应力分布,从而使得等效应力曲线上最大的等效应力值不是在B点,而是发生在B点附近套管内壁处。该分析为改善固井质量采取有效措施提供了可靠的理论依据。     

HFW焊管高温力学性能和热物理性能分析

针对某80钢级HFW焊管在井下作业过程中需承受不同高温下的服役环境,通过EBSD相机分析管体微观组织,测试获得了该焊管试样几个典型温度下的强度变化规律及弹性模量-温度曲线、热膨胀-温度曲线及导热系数-温度曲线等。结果表明,试样在300℃左右表现出较高的强度,在600~900℃时,杨氏模量和剪切模量降低速度较快;试样开始相变温度A_(c1)=759℃,相变转变结束温度A_(c3)=860℃,导热系数在700℃时出现极低值23.3 W/m·K。通过测试研究管体的高温力学性能和热物理性能,可为某80钢级HFW焊管在高温下的实际生产和井下安全服役提供作业参考。     

自修复油井水泥石力学性能与微观结构

关于自修复剂掺入水泥浆后对水泥石力学性能及微观结构的影响研究较少。自修复乳液掺量分别为0%、5%、10%、15%和20%,液固比均为0.44,各水泥浆试样在90 ℃水浴中养护3 d。结果表明,自修复乳液的掺入,降低了水泥石的弹性模量,随掺量的增加,水泥石的弹性模量降低较显著;自修复水泥石的强度高于普通水泥石,掺量较小时抗压强度更高,掺量较大时,抗折强度增幅更大。自修复乳液改变了水泥水化产物Ca(OH)₂晶体的微观形貌,使其不再呈叠片状堆积,而是乱向、松散分布且晶体形貌不规则,自修复胶粒沉淀分布于水化产物凝胶网络结构之间。自修复乳液降低了水泥石的孔隙率,增加了水泥石的平均孔径和最可几孔径。