废弃玻璃粉对水泥石高温抗压强度和微观结构的影响

废弃玻璃粉作为一种高SiO₂含量的固体废弃物,可以有效防止油井水泥石在高温下的强度衰退,从而提升深井、超深井固井水泥环长期封隔完整性。本文研究了150 ℃、21 MPa下,不同粒径废弃玻璃粉对水泥石抗压强度、渗透率和微观结构的影响。结果表明:150 ℃、21 MPa下净浆水泥石180 d抗压强度为8.57 MPa,较1 d衰退76.04%;掺入废弃玻璃粉可以提高水泥石抗压强度的长期稳定性,在内掺40%(质量分数)粒径为45 μm的废弃玻璃粉情况下,水泥石在180 d时抗压强度为31.85 MPa,较1 d仅衰退3.95%,渗透率为1.28×10^-2 mD,较1 d降低16.88%;掺入废弃玻璃粉改变了水泥石150 ℃、21 MPa下的物相组成,净浆水泥石的主要结晶相为氢氧化钙和水硅钙石,掺入不同粒径废弃玻璃粉的水泥石主要结晶相为硬硅钙石和托贝莫来石;内掺40%粒径为45 μm的废弃玻璃粉的水泥石中托贝莫来石晶粒尺寸稳定;随龄期增加,净浆水泥石孔结构向大孔径发展,内掺40%粒径为45 μm的废弃玻璃粉的水泥石的孔结构更加致密,180 d内各龄期均以凝胶孔为主。     

SiO2晶态物性对高温水泥石力学性能的影响

油井水泥石高温力学性能衰退会对深层油气井安全性及服役寿命造成很大影响。研究水泥石高温强度衰退规律将有助于改善水泥石的长期高温力学性能。硅溶出是造成水泥石高温力学性能衰退的主要原因之一,但未引起重视。重点研究了温度对不同晶态硅溶解度的影响,并结合高温加砂水泥石抗压强度进行分析。结果表明,硅溶解度随温度上升而增加,相同温度下非晶硅的溶解度远大于晶体硅;随硅溶解度的增大,水化前期的硅溶解促进水泥石早期高温抗压强度发展,高温反应后期水化产物会发生硅溶出,造成水泥石高温强度衰退;静态水中水泥石高温抗压强度比动态水中更高且更加稳定;养护环境中硅饱和程度高,水泥石的高温力学性能更稳定。从高温硅溶出角度分析,以晶体硅为主,少量非晶硅为辅的不同晶态硅将有助于保持水泥石高温力学性能稳定。      

高温高压下石英砂粒径对油井水泥石性能的影响

在油井水泥中掺入石英砂是防止水泥石在高温高压下强度衰退的常用手段,通过在G级油井水泥中内掺35%不同粒径的石英砂,并在高温高压（240 ℃×21 MPa）下养护至180 d,来探究石英砂粒径对油井水泥石高温力学性能的影响。实验测试了加入不同粒径石英砂的水泥石的抗压强度和渗透率,分析了水泥石的水化产物和孔隙结构。结果表明,石英砂能够防止水泥石在高温下强度衰退,但是水泥石的抗压强度随石英砂粒径的减小而降低;掺入石英砂可降低水泥石的渗透率,石英砂的粒径越小,水泥石的渗透率越低。掺入较大粒径石英砂的水泥石中,生成的针状硬硅钙石较长,是水泥石具有较高抗压强度的主要原因。以300目35%加砂水泥为基础,复配其他外加剂形成高温高压水泥浆配方,在南海DX-11-2井应用,现场固井施工顺利,24 h时CBL和VDL测井显示固井质量优良。