论文总字数：21625字

摘 要

油井水泥需要配合外掺料使用来改善油井水泥石的性能，减少水泥的用量以降低水泥工业产生的污染和固井的成本。微晶石英作为一种新型的天然矿物材料，主要成分为微晶质SiO₂，粉体流动性良好，具有微弱的火山灰活性。本课题通过在油井水泥中掺入微晶石英，测试其力学性能、流变性能、水化特性和抗高温性能，探索微晶石英在油井水泥中应用的可行性。实验采用的水泥浆水固比为0.44，通过抗压强度和抗冲击功评价油井水泥的力学性能。水化特性和流变性能分别通过TAM Air等温量热仪和六速旋转粘度仪测试。干热法(600℃×6h)用于判断油井水泥石的抗高温性能。研究结果表明，掺入30%微晶石英的油井水泥石(K30)，具有较高的抗冲击功和抗压强度。K30浆体流变性能较差，但加入0.2%USZ可以显著提高浆体的流变性能。微晶石英能轻微的促进水泥的水化，具有一定的火山灰活性，能够提高油井水泥石的抗高温性能且效果优于石英砂。

关键词：油井水泥 微晶石英 力学性能 水化特性 耐高温性能

Effect of Microcrystalline Quartz on Mechanical Properties of Oil Well Cement

ABSTRACT

Mineral admixtures were used to improve the performance of oil well cement, reducing the pollution of cement industry and the cost of cementing. As a new type of natural mineral materials, microcrystalline quartz consists of microcrystalline SiO₂ with well powder fluidity and weak volcanic ash activity. In this paper, the feasibility of the application of microcrystalline quartz in oil well cement was explored by testing mechanical properties, rheological properties, hydration characteristics and high temperature resistance. The water-solid ratio of cement slurry was 0.44, and the mechanical properties of hardened cement slurries were evaluated by compressive strength and impact resistance. The hydration characteristics and rheological properties of cement slurries were tested by TAM Air isothermal calorimeter and Six-speed rotation viscometer. Dry heat method (600℃×6h) can estimate the high temperature performance of hardened cement pastes. The results show the oil well cement with 30% microcrystalline quartz(K30) presented high compressive strength and impact resistance. K30 slurry rheological performance was inferior, but adding 0.2% USZ can significantly improve the rheological properties of the slurry. Because of volcanic ash activity of microcrystalline quartz, it can slightly promote the hydration of oil well cement, showing better high temperature resistance performance than oil well cement with quartz sand.

Key words: Oil well cement; Microcrystalline quartz; Mechanical properties; Hydration characteristics; High temperature performance.

目 录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1课题研究的背景 1

1.1.1铝酸盐水泥 1

1.1.2 磷酸盐水泥/磷铝酸盐水泥 1

1.1.3 加砂油井水泥 2

1.2油井水泥常用外掺料概述 5

1.2.1 石英砂 6

1.2.2矿渣 6

1.2.3 硅灰 6

1.2.4 粉煤灰 6

1.2.5 偏高岭土 7

1.2.6 微晶石英 7

1.3课题研究的主要内容 7

1.3.1 研究内容 7

1.3.2技术路线 7

第二章 实验原料和方法 9

2.1实验原料 9

2.2实验仪器与设备 10

2.3基本性能测定 10

2.3.1流动度测试 10

2.3.2 密度测试 10

2.3.3 凝结时间测试 10

2.4力学性能测试 11

2.4.1抗压强度测试 11

2.4.2 抗冲击功测定 11

2.5工程性能测试 12

2.5.1 流变性能测试 12

2.6水化热测试 13

2.7耐高温性能测试 13

第三章 实验结果与讨论 14

3.1基本性能 14

3.2力学性能 14

3.2.1抗压强度 14

3.2.2抗冲击功 15

3.3流变性能 16

3.4水化特性 17

3.5抗高温性能 18

第四章 结论 20

4.1结论 20

参考文献 21

致谢 25

第一章 绪论

1.1课题研究的背景

油气井固井的目的是为了密封井眼中的油气水层，保护生产层，防止在钻井，增产和生产过程形成窜流并加固井体和支撑套管，提高油气井固井的质量以延长其寿命。高温，高压，气窜，漏失和小间隙是固井面临的主要问题^[1-2]。

国内稠油油藏通常井深较浅、地层疏松，固井时主要技术难点有：①地层温度低，水泥浆早期强度发展慢。在地层温度比较低的情况下，浆体的凝结时间长，早期的强度较低。在候凝过程中易引发环空窜流，导致水泥环密封性差；②水泥环耐热性能不足。在蒸汽注入的过程中，高温蒸汽环境下水泥石的强度严重衰退，致使水泥环断裂破坏，因此严重缩短油井的使用寿命^[3]。普通硅酸盐油井水泥(G级高抗硫油井水泥)已不适用于稠油热采井的高温条件^[4]。为此，相继出现了G级加砂水泥、铝酸盐水泥及磷铝酸盐水泥等适用于高温固井条件的油井水泥体系。

1.1.1铝酸盐水泥

铝酸盐油井水泥体系的特点是低温(0℃~18℃)凝结硬化时间短，早期强度发展迅速，1d抗压强度可达最高强度的80%以上，被用于各类抢修工程^[5]。但温度高于18℃后铝酸盐水泥石中的CA(一铝酸钙)及CA₂ (二铝酸钙)相出现转晶，从而延长凝结时间并大幅降低其力学性能，30℃下的铝酸盐水泥石强度很低，高于50℃强度随龄期增长缓慢甚至出现倒缩 (稳定在10~15MPa) ^[6]。由于其水化产物中无Ca(OH)₂生成，和硅酸盐水泥相比，高温条件下不存在Ca(OH)₂发生晶格转变所带来的结构缺陷。因此铝酸盐水泥石可在保证早期强度的前提下，具备良好热稳性^[7]。在30℃以上，水化产物会发生晶相转变，这会使其后期抗压强度减小，很大程度上限制了其使用范围，使得铝酸盐水泥石不适合用于需要长期承重结构的井下高温情况^[8]。

1.1.2 磷酸盐水泥/磷铝酸盐水泥

磷酸盐/磷铝酸盐水泥具有早期强度高，耐腐蚀、抗高温的特性，可以应用于含有酸性腐蚀介质的高温井^[9]。磷酸盐水泥硅酸盐水泥敏感，需清洗所有管道及灰罐，凝结时间难以控制。磷铝酸盐水泥中掺入30%~40%的矿渣，能够进一步提高其早期强度及耐高温性能。但磷铝酸盐水泥浆凝结时间短，稠化时间仅有几分钟，目前还未有配套的高温(＞110℃)缓凝剂，故无法满足固井技术要求。

1.1.3 加砂油井水泥

G级油井水泥中加入适量硅砂(SiO₂)能改善高温下水泥石抗压强度^[10]。硅砂的反应活性非常低，其水化反应是从硅砂表面慢慢向内部进行，反应不足，反应不充分的硅砂颗粒使得水泥石中残存部分表面伴生结晶产物，而这些晶体粒子的胶结性能差，使得油井水泥的结构完整性受到破坏^[11]，因而造成G级加砂水泥石早期强度远远低于G级油井水泥石，满足不了稠油热采井固井对材料早期强度的需求。G级加砂水泥是最为常见的稠油热采井固井水泥浆系统，高温(gt;300℃)后水泥石抗压强度低，渗透率高和早期强度发展缓慢等缺陷，这限制了其在稠油热采井固井中的应用。

请支付后下载全文，论文总字数：21625字