摘 要

油井水泥石在110 ^oC及以上温度下水热养护后，会出现强度严重衰退的现象。加入石英砂到油井水泥浆后，可以有效减缓其强度衰退趋势。然而截止目前，人们对于石英砂目数对油井水泥高温下强度衰退的影响的结论还不一致。本文选取了四种粒径的石英砂，通过单掺实验，系统地探究了石英砂的不同掺量和粒径对于在80 ^oC常规水热养护和260 ^oC高温水热养护后油井水泥石力学性能的影响规律。利用电子万能压力试验机、X-射线衍射仪 (XRD)、压汞仪等设备，对80 ^oC和260 ^oC水浴养护后的油井水泥石的水化产物、微观形貌及力学性能等进行检测及分析。初步得到了不同粒径及掺量下的油井水泥石在常规养护及高温养护后的力学性能、水化产物、微观形貌及孔隙率的变化规律，并在此基础上，提出了油井水泥石的耐高温能力最佳情况下的石英砂最优粒径和掺量。为今后的研究者们研究石英砂目数对于油井水泥石抗高温能力的影响奠定基础。

关键词：油井水泥 石英砂 力学性能 水化产物 高温性能

The effect of Silica partical-size on mechanical properties of silica-stabilized G class oil-well cement

ABSTRACT

Oil-well set cement cured in 110 ^oC constant temperature water box will occur a tremendous strength retrogression. Adding silica into cement slurry can effectively defeat this strength decline. However, researcheres have not get consist on the relation between size of silica and harsh environment resistence of cement stone to date. Therefor, we mixed four particle size of silica to cement formulations, in the aim of systematically explore the impact of silica's dosage and size on mechanical behavior of set cement, which was cured in either 80 ^oC or 260 ^oC water bath for 7 days. In order to investigated hydration, microstructure and compressive strength of aged cement samples underwent 7 days 80 ^oC or 260 ^oC cure, X-Ray Diffractometer (XRD), mercury porosimeter (MIP), isothermal calorimeter and compression-testing machine were used. Then we obtained the data of mechanical behavior, hydration, microstructure, and porosity. According to them, we put forward the optimal amount and size of silica. It should be a pavement for other researcher in studying use silica to improve cement's high temperature resistence.

Key words: Oil well cement; Silica; Mechanical properties; Hydration characteristics; High temperature performance;

目 录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 3

1.1 油井水泥的由来 3

1.2 高温条件下油井水泥的水化 4

1.3 加砂油井水泥 4

第二章 实验介绍 6

2.1 实验原料 6

2.2 实验配方 7

2.3 实验步骤 8

2.3.1 制备浆体 8

2.3.2 成型 8

2.4 性能测试 9

2.4.1 基本性能测试：流动度、密度和初、终凝时间 9

2.4.2 力学性能测试 9

第三章 80 ^oC水热养护下，石英砂目数对油井水泥石力学性能的影响 10

3.1 80 ^oC 水热养护7天时，样品的XRD测试结果 10

3.1.1 样品制备 10

3.1.2 XRD测试 10

3.1.3 XRD结果分析 13

3.2 80 ^oC水热养护不同龄期，样品的力学性能 14

3.2.1 抗压强度测试 14

3.2.2 抗压强度结果分析 17

第四章 260 ^oC水浴养护下，石英砂目数对油井水泥石力学性能的影响 19

4.1 样品高温高压釜（260 ^oC）养护 19

4.2抗压强度测试 20

4.3 抗压强度结果分析 22

4.4 X射线粉末衍射分析 23

4.4.1样品测试前的准备 23

4.4.2 测试结果与分析 24

4.5 压汞分析 25

4.5.1 样品测试前的准备 25

4.5.2 测试结果与分析 26

参考文献 28

致谢 30

第一章 绪论

1.1 油井水泥的由来

石油作为一种战略资源，其历史由来已久。但人们真正大规模的开采出石油，这还得追溯到1858年。在北美洲的安大略湖边，人类在此成功钻下了第一口石油开采井。这个人的名字叫德雷克（Edwin L. Drake）。起初，他们钻下的井总是出现井壁坍塌的问题。德雷克先生和他的钻井团队们一起，经过长时间的思考，终于想到了在刚钻下的井口放下一根铁管来阻挡井壁泥沙的坍塌。最终，这个方法被证明是有效的。他们成功钻出了一条69．5英尺的井，并且从井口喷出了石油。

随着时间的流逝，这些用来阻挡井壁泥沙的铁管被土壤慢慢的腐蚀，最后在井内出现裂缝，导致开采的石油会从这个裂缝渗回地下。这个时候就需要一种东西来保护铁管不被腐蚀。当时人们想到的是水泥。水泥和水混合后，在刚开始的一段时间内具有很好的流动性，这可以帮助它从铁管和地层的缝隙流入后，能够均匀的包裹住铁管，然后再等一段时间后，水泥开始硬化并最终像一个石头做成的管子一样，紧紧的包裹在铁管四周，从而保护了铁管不受腐蚀。这里用到的水泥是当时已经被广泛使用的普通硅酸盐水泥 (OPC)，又叫波特兰水泥。在这之后，钻井的深度越来越深，而从地表往下越深的地方，温度也会越高。这就要求用来保护铁管的水泥管能承受的温度也越高。而这时水泥管将面临一个问题——强度衰退。

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