玄武岩纤维对铝酸盐水泥石性能的影响

为进一步改善稠油热采井固井用铝酸盐水泥石的性能，研究了玄武岩纤维对水泥石性能的影响。通过测试水泥浆工程性能、水泥石力学性能及渗透性，结合扫描电镜（SEM）分析其微观结构，探讨了玄武岩纤维增强铝酸盐水泥石力学性能的作用机理。结果表明:铝酸盐水泥中掺入适量的玄武岩纤维，低温常压环境下，水泥浆的工程性能变化不大，纤维水泥石力学性能有效提高，具有明显的韧性；高温高压环境下，纤维水泥石强度、渗透性保持稳定，具有良好的耐高温性能。观察水泥石微观形貌并分析纤维作用机理发现:铝酸盐水泥石中的玄武岩纤维稳定存在，水泥石的微观孔结构得到改善，微裂纹的产生和发展得到控制，纤维与水泥水化产物紧密黏结，起到了阻裂作用，纤维脱离黏结和拔出，增加了水泥石的断裂能，从而实现了玄武岩纤维对固井用铝酸盐水泥石性能的改善。     

抗冲击防窜水泥浆体系性能研究

通过比较胶乳水泥浆体系和纤维增韧防窜水泥浆体系的力学性能、工程性能以及作用机理可知:掺入胶乳的水泥浆其固化体水泥石的弹性模量能显著降低,但胶乳水泥石的抗冲击功较低,不能提高水泥石的韧性;纤维增韧材料FR可以降低水泥石的脆性,显著提高水泥石的韧性;与胶乳水泥浆相比,纤维增韧防窜水泥浆的增韧和防窜效果更优异,其水泥石抗冲击功增加54%～62%,抗压强度基本保持不变,弹性模量降低18.0%～19.5%,渗透率降低(趋于零),失水量较低,自由水为零,流变性能较好,稠化时间可调,该水泥浆的工程性能满足固井施工的基本要求。     

低密度胶乳水泥石抗CO2腐蚀性能研究

针对低压易漏地层固井遇到的水泥环抗CO2腐蚀性能差的问题,呆用静态CO2酸性腐蚀的方法,对加入丁苯胶乳的低密度水泥石进行了腐蚀实验,得到的样品经体视显微镜、XRD、压力试验机测试后,讨论了腐蚀前后丁苯胶乳低密度水泥石的内部形貌、表面形貌、府蚀深度、质量变化以及抗压强度的变化。结果发现,当低于120℃时,丁苯胶乳均匀地分散在水泥水化产物的周围,形成膜包覆结构,提高了低密度胶乳水泥石的抗CO2腐蚀能力,表明在低密度水泥中掺入丁苯胶乳,可以改善低温水泥早期抗压强度低、抗酸性差的缺点;而在高于120℃时,丁苯胶乳薄膜在高温下的稳定性变差,CO2通过薄膜空隙进入水泥石内部,并与水化产物Ca（OH）2和CSH反应生成可溶性的Ca（HCO3）2,从而对低密度水泥石的结构造成破坏。     

矿物纤维低密度水泥石力学性能研究

目前低密度水泥石多存在韧性不足、抗拉强度、抗折强度低等问题,给低密度水泥浆在深井、超深井井筒完整性带来忧患,因此改善低密度水泥石力学性能具有重要的意义。通过考察抗压强度、抗拉强度、抗折强度、弹性模量,对新型材料玄武岩纤维和目前现场常用的聚丙烯纤维改善水泥石力学性能的效果进行了对比。结果显示:在较低加量范围内玄武岩纤维对水泥浆流动性影响不大,可以和聚丙烯纤维一样显著降低水泥浆API失水和自由水含量,提高水泥石的抗压和抗折强度,显著提高水泥石的抗拉强度,在掺量为0.5%时可使水泥石抗拉强度提高50%;同时可以降低水泥石弹性模量,提高水泥石的韧性。玄武岩具有较好的经济适用性,在油气井固井中有较大的开发应用潜力。     

外加剂对水泥石力学性能的影响

传统水泥石的硬脆性是致使油井整体性在复杂多变的井下工况及油气井后续施工中受到破坏、导致层间封隔失效的主要原因。为进一步提高水泥石性能,解决石油固井等实际问题,在普通固井水泥(G级纯水泥)中掺加定量的丁苯胶乳、硅粉、石棉等外加剂,形成胶乳水泥(G级水泥添加丁苯胶乳)、二元复配水泥(G级水泥添加丁苯胶乳和硅粉)和三元复配水泥(G级水泥添加丁苯胶乳、硅粉和石棉),研究了外加剂对水泥石抗压强度、杨氏模量、泊松比和体积弹性模量等9项力学性能的影响。结果表明,普通固井水泥、胶乳水泥、二元复配水泥和三元复配水泥四种水泥石的泊松比均接近0.20。与普通水泥石相比,胶乳水泥石、二元复配水泥石和三元复配水泥石抗压强度分别提高24.6%、12.3%和降低11.2%。二元复配水泥石的杨氏模量和体积弹性模量均提高,分别为11.8%和12.9%;而胶乳水泥石分别降低2.9%和8.2%;三元复配水泥石分别降低14.7%和18.6%。二元复配水泥石有较强的刚度,胶乳水泥石和三元复配水泥石表现出较好的弯曲性能,具有柔性好的特点,此外胶乳水泥石表现出较好的抗冲击韧性。胶乳水泥为石油固井的最佳选择。     

����������;�ˮ�ཬ���ܵ�Ӱ���о�

针对胶乳种类对油井水泥浆性能的影响；胶乳加量对油井水泥浆性能的影响；降失水剂对胶乳水泥浆体系性能的影响；胶乳对水泥石强度的影响。实验研究了国产丁苯胶乳对油井水泥浆的失水、流变性、自由液和水泥石抗压抗折强度的影响。结果表明 ,随胶乳加量增大，胶乳对水泥浆体系的流变性影响不大，但使体系的失水量及自由液明显降低，对水泥石的抗压强度减小而抗折强度增大。理论分析了胶乳对油井水泥浆性能影响的因素。     

基于损伤力学变内压条件下水泥环密封完整性模拟

针对变内压条件下水泥环密封完整性失效问题，基于连续损伤力学理论，采用同时考虑水泥石损伤和屈服后应力—应变关系的塑性损伤本构模型来描述实际水泥石的全应力—应变力学性能，研究了水泥石力学性能对密封完整性的影响。研究结果表明，向常规水泥浆中加入弹韧性材料形成弹韧性水泥，降低了水泥环弹性模量，既可以预防微间隙形成和减小微间隙尺寸，又可以预防和减少水泥环拉伸破坏。但并非弹性模量越低，弹韧性水泥密封完整性越好，密封完整性还与水泥环拉压弹性变形性能有关，同等情况下水泥环最大拉压弹性应变越大，其密封完整性越不容易失效。建议根据水泥环的弹性模量和拉压全应力—应变关系来评价水泥环密封完整性。研究结果为水泥环密封完整性评价和水泥石力学性能优化提供了一定依据。     

增韧纤维水泥浆在胜利油田小间隙井的应用研究

为解决胜利油田开发中后期小间隙固井中存在的诸多问题,从水泥石的弹性和韧性等方面开发出了增韧纤维水泥浆。优选出了增韧纤维,评价了增韧纤维对水泥浆流变性、稠化性能、降滤失性能以及与其他添加剂配伍性能的影响。同时研究了纤维对水泥石的力学性能、渗透率、泊松比和弹性模量以及胶结强度的影响。结果表明,增韧纤维在适宜的加量和长度范围内对水泥浆流变性、稠化性能、失水性能的影响不大,但对水泥石的力学性能影响显著;在小间隙固井中,使用增韧纤维可以改善水泥环的韧性和弹性,防止窜流发生;增韧纤维水泥石的韧性(抗折强度)较原浆水泥石明显提高。该水泥浆体系在23口小间隙井或漏失井进行了应用,解决了现场固井技术难题。     

高密度弹韧性水泥浆力学数值模拟

深层页岩气具有埋藏深、地温高、破裂压力高等特点，压裂过程中，大排量、高泵压的施工方式导致气井环空带压问题较为突出。相较于浅层页岩气，深层页岩气井由于气层高压，水泥浆需要进行加重以满足现场施工需要，水泥环不仅是由纯水泥构成，还包含加重剂以及弹韧性改造用的弹性剂。因此，为从水泥浆配方上改善深层页岩气井水泥环的力学性能，针对高密度弹韧性水泥浆体系建立了相应的细观力学模型，初步分析了外掺料的加入对水泥石力学性能的影响。研究发现：(1)加重剂与弹性剂由于其刚度的差异，改变了水泥环的宏观力学性能；(2)水泥浆体系设计需考虑弹性剂与加重剂的几何尺寸，并提高弹性材料与水泥基体的胶结强度；(3)优选类菱形加重材料及亲水性弹性材料，通过合理配比设计出密度为2.3 g/cm³的高密度弹韧性水泥浆，该水泥浆48 h抗压强度大于20 MPa，弹性模量小于7 GPa，实现了深层页岩气水泥环低弹性模量、高强度的力学性能改造目标。研究成果对深层页岩气水泥浆体系的设计具有重要指导意义。     

碳酸钙晶须对油井水泥增强抗收缩机理及应用

为了解决因水泥石韧性不足与体积收缩而引发的水泥环完整性破坏的问题,考察了碳酸钙晶须对油井水泥的力学性能、体积收缩与综合性能的影响。在油井水泥中分别掺入0、1%、2%、3%、4%碳酸钙晶须,测试1、3、7、14、28 d时的抗折强度、抗压强度、体积收缩率与水泥浆的综合性能。结果显示,养护28 d后,掺入3%碳酸钙晶须的水泥石比未掺入碳酸钙晶须的水泥石,抗压强度增加36%,抗折强度增加33.67%,体积线收缩率减小82.97%,碳酸钙晶须的加入会减少水泥浆的稠化时间,增加流动阻力,但综合性能依然满足固井作业的要求。     

水泥石力学变形能力的影响因素实验分析

针对从实验角度计算水泥石在一定井下条件的变形能力研究相对较少的问题,结合弹性耦合力学模型,利用实验结果计算并分析了在一定工况下,水泥浆配方、实验温度、围压、养护时间、水泥环厚度5个方面对水泥石变形能力的影响。结果表明,加入弹韧性材料能够降低水泥环的弹性模量,且加入胶乳后的水泥环力学变形能力较纤维水泥环明显要好;随着养护温度的升高,水泥石的弹性模量减小,从而增加了水泥环的总变形能力;随着围压的增大,水泥环变形能力有减弱趋势;随着水泥环在井下的时间增长,在一定程度上提高了水泥环的力学变形能力;虽然水泥环厚度对水泥石自身性能无影响,但水泥环厚度从38.1 mm减小到19.1 mm,水泥环在井下条件的变形可增大85.5%。     

一种柔性水泥浆体系的室内评价

多分枝井固井作业中需要提高主井眼和分枝井眼连接处水泥石的柔韧性,保证固井作业质量。室内选择胶乳与纤维作为增加水泥石的柔韧性能的材料。通过评价不同胶乳加量下水泥石的柔韧性能,确定了柔性水泥浆体系中胶乳的最优加量;通过评价加入了不同长度纤维的水泥石的柔韧性能,确定了柔性水泥浆体系中纤维的最佳长度,同时研究了纤维加量变化对水泥石力学性能的影响。将所建立的柔性水泥浆体系和常规聚合物水泥浆体系进行对比试验,结果显示柔性水泥石的抗冲击强度以及胶结性能有着大幅度提高,弹性模量大幅度降低。这不仅说明了该柔性水泥浆体系具有良好的柔韧性,同时也确立了柔性水泥浆的优越性与良好的应用前景。     

基于损伤力学变内压条件下水泥环密封完整性模拟

针对变内压条件下水泥环密封完整性失效问题,基于连续损伤力学理论,采用同时考虑水泥石损伤和屈服后应力—应变关系的塑性损伤本构模型来描述实际水泥石的全应力—应变力学性能,研究了水泥石力学性能对密封完整性的影响。研究结果表明,向常规水泥浆中加入弹韧性材料形成弹韧性水泥,降低了水泥环弹性模量,既可以预防微间隙形成和减小微间隙尺寸,又可以预防和减少水泥环拉伸破坏。但并非弹性模量越低,弹韧性水泥密封完整性越好,密封完整性还与水泥环拉压弹性变形性能有关,同等情况下水泥环最大拉压弹性应变越大,其密封完整性越不容易失效。建议根据水泥环的弹性模量和拉压全应力—应变关系来评价水泥环密封完整性。研究结果为水泥环密封完整性评价和水泥石力学性能优化提供了一定依据。     

油井水泥增韧剂BF的室内研究

针对油井水泥石固有的极限应变小，抗冲击性能差、脆性大的缺点，研究了以混合短纤维为主要成分的油井水泥增韧剂BF，并对加有BF增韧剂水泥浆的力学性能进行了系统评价，同时还考察了BF增韧剂与油井水泥降失水剂F17B及油井水泥减阻剂USZ的配伍性能，室内实验表明，BF增韧剂能使水泥浆的流动度减小，凝结时间延长，析水率和失水量减小，且BF增韧剂与外加剂USZ和F17B的配伍性良好；BF增韧剂能够显著提高水泥石试样的韧性，使水泥石韧性增长20％，有效降低射孔对水泥环的破坏，改善水泥石的力学性能，抗折强度增长幅度为16％－29％，抗冲击功增量为17％－64％，而且水泥石抗压强度均大于14MPa；BF增韧剂掺量小（2.6%），其增韧效果优于中国现有的油井水泥增塑剂S（掺量为4％）。     

抗高温弹韧性水泥浆体系优化研究

在顺北区块和塔中北坡勘探开发过程中,面临着传统水泥石硬脆性明显,在压裂施工中易出现环空微间隙,破坏水泥环完整性的问题。通过理论分析及实验研究,研发了水泥石弹韧性改性新方法,由传统技术的材料高性能发展为结构高性能,通过亲水改性的聚氟胶粉改善水泥石的弹性,有机、无机纤维协同作用增加水泥石的韧性,纳米二氧化硅改善水泥石微观结构增加强度,研发了抗高温弹韧剂,其耐温大于150 ℃,能降低水泥石弹性模量达37.13%,同时保持水泥石具有较高强度,并且具有较好的经济性。以高温弹韧剂为关键,通过评价配套的高温固井外加剂,开发出一套性能良好的高温弹韧性水泥浆体系,体系流变性良好、稠化时间合理、API失水量为45 mL,水泥石弹性模量为6.089 GPa、抗压强度大于30 MPa,满足固井施工要求,为高温高强高韧性水泥浆体系的推广应用奠定了基础。      

防气窜丁苯胶乳水泥浆的性能研究

对丁苯胶乳水泥浆的泥浆稠化性能、防气窜性、水泥石的抗冲击性及弹性进行了室内研究,并通过采用丁苯胶乳与降失水剂的复配对降失水性进行探讨,研究表明：丁苯胶乳的加入增强了水泥石的抗冲击性及弹性,复配后水泥浆的降失水性性能很好。     

低温胶乳盐水水泥浆体系研究与应用

针对浅层盐穴储气库井固井中存在的强度发展缓慢、水泥石韧性差等问题,开发了适用于浅层盐穴储气库井固井的低温胶乳盐水水泥浆体系.室内实验研究表明,该体系具有稳定性好、失水量低、水泥浆稠化时间可调、水泥石力学性能优良等特点,并且胶乳增强了水泥石的弹性形变能力,使水泥石韧性增强,有助于提高水泥石抗冲击破坏的能力.胶乳盐水水泥浆体系综合性能良好,能改善第一、二界面胶结,提高浅层盐穴储气库井固井质量.并成功应用于安宁盐穴储气库安资2井.     

水镁石纤维对固井水泥石力学性能的增强效果及机理

固井水泥石的脆裂微裂缝破坏了水泥环完整性,从水泥材料方面改善水泥石的性能一直是国内外固井界研究的一个热点。为此,实验研究了水镁石纤维对水泥石劈裂抗拉强度、抗压强度和抗折强度的影响;模拟井下环境进行了水镁石纤维水泥石的三轴应力-应变测试;使用扫描电镜观察水镁石纤维水泥石的微观形貌,进而探讨了水镁石纤维对水泥石的增强机理。结果表明：①水镁石纤维掺量适当时,水泥浆的应用性能良好;②水镁石纤维显著增强水泥石力学性能,水镁石纤维掺量为5.0%（质量分数）时,水镁石纤维水泥石的28 d劈裂抗拉强度、抗压、抗折强度较之纯水泥石分别提高32.8%、15.3%和32.2%,而其弹性模量较之空白试样水泥石降低34.5%;③水镁石纤维的亲水性良好,可在水泥石中乱向分布形成三维网络结构,通过拔出耗能作用和桥联作用控制了微裂纹的产生和发展,增强了水泥石力学性能。     

改性乙烯醋酸乙烯酯共聚物对水泥浆性能的影响

针对水泥环脆性较高,在固井后的施工作业中其完整性易遭受破坏的问题,将用太古油改性的EVA(乙烯醋酸乙烯酯共聚物)作为增韧材料加入油井水泥中,研究了其对油井水泥浆体系常规性能和力学性能的影响,分析了其对水泥石力学特性的影响机理。结果表明,改性EVA与水泥浆的相容性较好,其对浆体的流动性、失水量影响较小,水泥浆稠化时间随改性EVA掺量增加而延长;改性EVA对水泥石抗压强度影响较小,但能提高水泥石的抗折强度和韧性,当改性EVA加量为3%时,水泥石75℃养护3 d的抗折强度提高4.4%,压折比减小28.0%,掺量为4%时,水泥石弹性模量降低39.5%。改性EVA水解产物和水泥水化产物相结合,生成的晶体和脱水聚合物使水泥石内部结构更加致密,减小或消除了水泥石内应力集中,阻止了裂缝扩展,改善了水泥石的力学特性。     

碳纤维增韧防窜油井水泥体系的实验研究

针对现有水泥体系防气窜能力薄弱、力学性能均衡性差,难以提高复杂情况下固井质量的实际,提出了采用碳纤维增加水泥石韧性,同时与优选的防窜剂复配提升水泥浆防窜能力的技术方案,并进行了系统的实验研究,其中水泥石的韧性以抗折强度和抗压强度评定,水泥浆的防窜性能则用SPN法进行评价.研究结果表明所提出的技术方案可行,碳纤维与防窜剂及其它添加剂具有良好的配伍性,一定尺寸及加量的碳纤维可有效改善水泥石韧性,适量防窜剂可显著提高纤维水泥浆的防窜性能.在此基础上对纤维水泥增韧及防窜机理进行了分析.研究结果为解决当前固井工程中的一些实际问题提供了一个新的途径.