摘 要

深水固井一直面临着诸多挑战，为了解决深水固井用水泥浆体密度大，容易压漏地层，及低温条件下水泥石早期强度发展缓慢等问题，低温高早强低密度水泥浆体系应运而生。本文通过优选实验选出每种早强剂的最佳掺量，再从五种早强剂的最佳掺量中选出最适合的配方。结合文献资料，选择使用膨润土、偏高岭土和硅灰调整比例选出合适的配方，再和漂珠低密度水泥浆体系做价格对比，选择其中价格低的作为低密度配方。将选出来的早强剂配方和低密度配方复合，通过流动度、密度、初终凝时间和抗压强度试验，对配方做出调整，最终得到符合使用要求的低温高早强低密度水泥浆体系。

关键词:　固井 低温 早强剂 低密度

Preparation of Low Temperature High Early Strength and Low Density Cementitious Material System

Abstract

Deepwater cementing has always faced many challenges. Faced in the highest density of deep water cement slurry and to form pressure is easily. The problem of slowly development of early strength contain cement stone under lower temperature conditions. Application of low temperature, high earlier strength, low density cement systems. The optimum dosage of each earlier strength agent is selected by a preferred experiment, and the most suitable formulation is selected from the optimum dosages of the five early strength agents. Combined with the literature, choose the appropriate formula using bentonite, metakaolin and silica fume adjustment ratio, and then compare the price with the low-density cement slurry system of floating beads, and choose low-density formula with low price. The selected early strength agent formula and low-density formula are compounded, and the formula is adjusted by the fluidity, density, initial setting time and compressive strength test, and finally the low-temperature high-strength low-density cement slurry which meets the requirements for use is finally obtained. system.

Key Words: Cementing; Low temperature; Early strength agent; Low density

目 录

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 国内外深水表层固井水泥浆体系研究现状 2

1.2.1 快凝石膏水泥浆体系 2

1.2.2 泡沫水泥浆体系 2

1.2.3 OPSD水泥浆体系 2

1.2.4 高铝早强水泥浆体系 2

1.2.5 低密度水泥浆 3

1.3 国内外低温外加剂研究现状 3

1.3.1 深水低温早强剂的应用 3

1.3.2 硅灰的应用 4

1.3.3 低温促凝剂的应用 4

1.3.4 纳米二氧化硅的应用 5

1.4 题研究的意义和主要内容 6

第二章 早强剂的优选试验 7

2.1 实验仪器及样品配比 7

2.2 实验结果与分析 9

2.2.1 密度、流动度及初终凝时间对比 9

2.2.2 抗压强度的对比 11

2.2.3 最终配比的确定 15

2.3 本章小结 15

第三章 低密度配方的选择 17

3.1 低密度配方的初选 18

3.1.1 低密度土配方的选择 18

3.1.2 低密度土与漂珠基本性能对比 19

3.2 高早强低密度配方的调整 19

3.2.1 加入降失水剂 20

3.2.2 加入促凝剂及增加硅灰用量 21

3.3 最终配方确定 22

3.4 微观分析 23

3.5 本章小结 26

第四章 结论与展望 27

4.1 结论 27

4.2 展望 27

参考文献 28

第一章 绪论

1.1 研究背景

截至本世纪人类的主要能源还是偏重化石类的能源，而在这之中石油类资源在其中占着巨大的比重，全世界在石油的勘探和采集上都投入了相当大的精力。伴随着海洋科学的不断深入研究，学者们在海洋的深水以及过深水区发现了巨量的石油及天然气贮备，如今各发达国家都开始大力推动海上石油钻井的开发与利用。然而在目前的开采过程中，较深层的钻井区域其固井工程成为一项难以突破的工程^[1]。介于海底的地质层较为松软、存在浅流层且海底的低温环境等不利因素导致固井作业十分困难^[2]。为了适应水下的较低温度环境，要求水泥的稠化时间必须相应的缩短，同时水泥的早期发展强度则必须提高，这样才能确保低温固井的工作质量^[3]。科学家们为了改善水下固井水泥浆的种种理化性能，根据深水区域的低温固井的特殊使用规范条件，研究出耐低温性的高早强、低密度的水泥浆体，在常规油井水泥浆体中加入一些外加剂，包括耐低温性的早强剂、凝胶强度促进剂等，尝试改变水泥浆体的凝结时间以及早期的发展强度等，实现低温状态下的加速凝结，并提高深水区域下低温固井的质量^[4]。

　随着不断的钻探海洋资源，国内外深水表层固井水泥浆体系也在越来越多的领域得到应用，同时遇到的各种复杂情况也越来越多。各科研机构、石油企业为了更好的服务于海上石油资源开采，投入了巨大的资源，用尽方法在固井材料（水泥和外掺料）、水泥外加剂等材料以及相关理论等方面开展了广泛而深入的研究，有些已取得了不小的成果，开发出了不少成熟的水泥浆体系^[5]。三十多年来，但是从总体上讲，国内的理论研究、技术水平由于起步晚，实践机会少，相对于发达国家的技术而言有着一定的距离。

1.2 国内外深水表层固井水泥浆体系研究现状

1.2.1 快凝性石膏水泥浆体系

在油井水泥浆体的搅拌过程当中，引入半水石膏从而生成的复合物就是我们常说的快凝性石膏水泥，半水石膏能起到促进水泥早期强度的发展的作用，所以在水泥浆体中加入半水石膏可以调整水泥水化的速度和凝结时间，使水泥的耐久性得到提升，同时还可以降低水泥的干缩变形^[6]。

1.2.2 泡沫性水泥体系

泡沫水泥浆体系的制备，需要在传统油井水泥浆搅拌过程中按照一定的比例充入氮气或者空气，使水泥浆体带有稳定的泡沫，这样就能达到降低密度的目的，泡沫水泥浆体系具有很低的密度、抗压强度高、较好的隔热性能、较高的顶替效率、可压缩性、防气窜性能好的特点，所以泡沫水泥浆体系能够很好的解决浅层水的流动问题，自使用以来已经得到了广泛的认可^[7]。

1.2.3 OPSD水泥浆体系

OPSD水泥体系就是是由水泥浆中的材料粒径分布实验，择优选取出特定粒径的材料，使得混合后的固相颗粒之间紧密堆积，从而提高单位体积的固含量的一种水泥浆体系^[8]。这种水泥相较于普通的水泥有不少优点，例如：

（1）在相对低温条件下能够在非常短的时间内完成初、终凝，能够缩短施工时间；

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