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固井水泥石界面胶结性能改善方法研究

作　者: 李彬
导　师: 杨英姿
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 材料学
关键词: 油井水泥胶结能力掺合料膨胀剂
分类号: TU528
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

油井水泥是用于封固油气井的特种水泥,在固井的过程中,起到稳定套管的作用,但是大多油气井出现的问题,都是由于水泥石界面的胶结性能变差,导致油气从界面薄弱处发生油气水窜,我国大多数油气井都是由于界面的原因而导致产量降低或油井破坏。因此,界面的胶结性能就显得尤为重要。前人对界面胶结能力做了一些研究,但是没有进行系统的试验研究,此外其测试手段也没有一个简便并准确的方法。针对这一状况,本文选取了粉煤灰、矿渣、硅灰、偏高岭土、膨润土以及硫铝酸盐膨胀剂和MgO膨胀剂,研究了各掺料及掺量对水泥浆新拌性能、基本力学性能、变形以及胶结性能的影响,其中胶结性能的测试使用的是自制油井模拟装置,最后得出影响规律并推荐了各掺合料的最佳掺量。掺合料对水泥浆流动性的影响主要与掺合料的颗粒性质有关,颗粒细小或本身吸水量大会降低浆体的流动性,各种掺合料对水泥浆体流动性降低的次序是:膨润土>偏高岭土>硅灰>矿渣>粉煤灰。膨胀剂对水泥浆体流动度降低的次序是:MgO膨胀剂>硫铝酸盐膨胀剂。抗折抗压性能随着水胶比的减小而增大,各掺合料对强度影响的优劣顺序是:硅灰>偏高岭土>矿渣>粉煤灰>膨润土,其强度主要是随着掺料活性的增大而增强。膨胀剂一般会增大抗折抗压强度。偏高岭土和膨润土会起到微膨胀的功能(0.01%,0.02%),而硅灰、矿渣、粉煤灰或因为养护条件为RH100%而没有明显变化,硫铝酸盐膨胀剂对水泥石产生的膨胀效果明显(0.15%),主要发生在水化前期,MgO膨胀剂有一定的膨胀效果(0.02%),但发展较缓慢,温度对其影响较大。通过自制胶结强度测试装置,对各种配比的水泥进行胶结强度测试,结合界面微观分析,分析了胶结性能的改善程度与机理,并得出结论:随着水胶比的降低二界面胶结性能得到改善,而一界面胶结能力会减弱。部分掺合料对界面胶结能力有提高的作用,主要作用在于对二界面胶结性能的提高上,对二界面胶结性能改善能力的掺料顺序为:粉煤灰(200%)>偏高岭土(175%)>硅灰(160%)>矿渣(140%)>基准水泥>膨润土(<50%)。而膨胀剂会使水泥石产生膨胀从而提高界面胶结能力,试验中使用的两种膨胀剂对胶结性能改善能力的膨胀剂顺序为:硫铝酸盐(223%)>MgO(160%)。同时结合微观结构分析提出了一界面和二界面的模型。综合以上结果分析,对于15d之内的水泥石胶结能力改善效果最好的是硫铝酸盐膨胀剂>粉煤灰>偏高岭土>MgO>硅灰>矿渣。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-19
  1.1 课题背景  9-13
    1.1.1 固井过程  9-10
    1.1.2 油井水泥种类及改性  10-12
    1.1.3 油井水泥性能要求  12-13
    1.1.4 存在的问题  13
  1.2 国内外的研究现状及分析  13-16
    1.2.1 典型掺合料及膨胀剂作用  13-15
    1.2.2 固井界面影响因素  15-16
  1.3 胶结性能测试方法  16-17
    1.3.1 声幅测井  16-17
    1.3.2 钻屑一油井水泥混合浆固化体抗压强度测定法  17
    1.3.3 胶结强度测试装置  17
  1.4 主要研究内容  17-19
第2章油井水泥浆新拌性能  19-27
  2.1 试验原材料  19-20
    2.1.1 油井水泥  19
    2.1.2 掺合料及膨胀剂  19-20
    2.1.3 减水剂  20
    2.1.4 水  20
  2.2 试验方法  20-22
    2.2.1 水泥浆制备  20-21
    2.2.2 体积密度  21
    2.2.3 净浆流动度  21-22
  2.3 试验方案  22
  2.4 水泥浆性能新拌性能  22-25
    2.4.1 水胶比对水泥浆新拌工作性的影响  22-23
    2.4.2 掺合料对水泥浆新拌工作性的影响  23-24
    2.4.3 膨胀剂对水泥浆新拌工作性的影响  24-25
  2.5 本章小结  25-27
第3章油井水泥石基本力学性能  27-40
  3.1 油井水泥石基本力学性能试验  27
  3.2 试验结果与分析  27-39
    3.2.1 水胶比对水泥石基本力学性能的影响  27-30
    3.2.2 掺合料对水泥石基本力学性能的影响  30-36
    3.2.3 膨胀剂对水泥石基本力学性能的影响  36-39
  3.3 本章小结  39-40
第4章油井水泥石的变形  40-46
  4.1 油井水泥石变形试验  40
  4.2 试验结果与分析  40-45
    4.2.1 掺合料对水泥石变形的影响  40-42
    4.2.2 膨胀剂对水泥石变形的影响  42-45
  4.3 本章小结  45-46
第5章油井水泥石胶结性能  46-63
  5.1 试件制作  46-47
    5.1.1 胶结性能测试模具  46
    5.1.2 试验方法  46-47
  5.2 胶结能力测试结果及分析  47-54
    5.2.1 水胶比对胶结性能的影响  47-48
    5.2.2 掺合料对水泥石胶结性能的影响  48-52
    5.2.3 膨胀剂对水泥石胶结性能的影响  52-54
  5.3 界面形态微观结构分析  54-60
  5.4 技术改善措施  60-61
  5.5 本章小结  61-63
结论  63-64
参考文献  64-69
致谢  69

固井水泥石界面胶结性能改善方法研究

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