有助于改善层间封隔能力的聚合物多元水泥体系材料特性研究

论文摘要

水泥环长期有效的层间封隔能力是实现油气田开发增产的前提，是油气井长期开采寿命的保障；本文针对油井水泥环在生产后期层间封隔能力的失效问题，抓住影响层间封隔的主要因素，从水泥浆材料研究的角度出发，进行了改善层间封隔能力的聚合物多元水泥浆体系的材料特性研究，通过材料设计来优化水泥浆的液态性能和凝固后水泥石的固态性能，改善层间封隔能力，延长油气井开采寿命。 论文研究中优选了胶乳SBR、纤维XW、橡胶粉XJF-80和变形粒子EP-Ⅱ，优选了SBR胶乳水泥浆体系配套的稳定剂SA、分散剂DS-1、消泡剂GR-1及缓凝剂HN-1，开发了高、中、低三种密度的SBR胶乳水泥浆体系及复合材料水泥浆体系，实现了国产胶乳在油井水泥浆中应用。所开发的胶乳水泥浆体系和复合材料水泥浆体系具有高流变低滤失性能，稠化时间可调且呈直角稠化，复合材料水泥石具有较好力学形变能力。 进行了胶乳水泥浆防窜能力、水泥石抗地层水腐蚀能力评价及微观作用机制研究。胶乳SBR的加入既减缓了油井水泥浆失重过程又增大了油井水泥浆在凝结过程中的气侵阻力，实验采用X-衍射分析、电镜扫描及能谱分析等多种现代分析测试手段，结果表明胶乳在油井水泥石内部隙间充填及聚集成网形成结构是提高水泥浆自身防窜能力和提高水泥石抗腐蚀能力的主要原因。 针对油井水泥环所处的实际工况，全面分析了胶乳、纤维及弹性颗粒材料对油井水泥石环境力学形变能力的影响，常规认为油井水泥石是典型的脆性材料具有一定的片面性。单轴、三轴应力及应力疲劳实验表明：胶乳及橡胶粉的加入有助于提高水泥石塑性形变能力，纤维的加入既增强了油井水泥石在低应力下的弹性形变恢复能力，同时也提高了油井水泥石在高应力下的塑性形变能力；随养护时间的延长，水泥石低压应力下的弹性形变恢复能力和高压应力下的塑性形变能力均降低；水泥石在单轴受压时表现为脆性，但在围压作用下特别是高围压作用下却表现出较为明显的脆塑性行为。 从油井水泥的水化过程及硬化体结构来探讨了油井水泥石力学性能改善的理论基础，阐述了水泥石降脆增韧的三种途径：提高水泥水化产物C-S-H凝胶相含量、对水泥水化产物进行基质塑化以及阻碍水泥石内部裂缝扩展；提出了改善油井水泥石力学性能的基质塑化设计模型：结晶相基质塑化、凝胶相基质塑化、粒间充填基质塑化及粒间搭桥基质塑化，利用胶乳聚合物的“层间成膜作用”、纤维材料的“拉筋搭桥”作用以及弹性颗粒材料的“止裂增韧”作用来达到水泥石力学性能改善的目的，从而有效提高水泥环层间封隔能力；基质塑化设计模型的提出有助于指导油井水泥外加剂的研究开发，为油井水泥石力学性能的改善奠定理论研究基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTACT
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究意义
• 1.3 研究现状
• 1.3.1 影响层间封隔能力的因素
• 1.3.2 提高层间封隔能力的水泥浆性能设计
• 1.3.3 提高层间封隔能力的水泥浆材料研究现状
• 1.4 研究目标、思路及研究内容
• 1.4.1 研究目标
• 1.4.2 研究思路
• 1.4.3 研究内容
• 2 室内材料优选及水泥浆研究
• 2.1 胶乳及胶乳水泥研究
• 2.1.1 胶乳的制备及表征
• 2.1.2 胶乳水泥配套处理剂优选
• 2.1.3 胶乳水泥浆体系综合性能评价
• 2.2 纤维及纤维水泥石增韧研究
• 2.2.1 选择纤维材料的依据
• 2.2.2 纤维增强及增韧油井水泥作用机制
• 2.2.3 纤维的优选
• 2.2.4 纤维增韧作用效果
• 2.3 颗粒材料及抗冲击水泥研究
• 2.3.1 弹性颗粒材料XJF-80的确定
• 2.3.2 变形粒子EP-11的确定
• 2.4 多元材料复合水泥体浆体系研究
• 2.4.1 多元材料复合水泥体系
• 2.4.2 多元材料复合水泥浆体系综合性能
• 2.4.3 多元材料复合水泥石固态力学性能
• 2.5 本章小结
• 3 水泥浆防窜及水泥石抗腐蚀性能研究
• 3.1 胶乳水泥浆体系防窜作用及机理研究
• 3.1.1 胶乳水泥浆防窜研究
• 3.1.2 胶乳水泥防窜机理研究
• 3.2 胶乳水泥石抗地层水腐蚀研究
• 3.2.1 胶乳水泥石抗地层水侵蚀能力评价
• 3.2.2 胶乳水泥石抗地层水侵蚀机理分析
• 3.3 胶乳在水泥石内部聚集
• 3.4 本章小结
• 4 水泥石力学形变能力评价及材料影响研究
• 4.1 单轴循环应力作用下水泥石力学形变特征
• 4.2 单轴恒速加载下水泥石形变特征
• 4.2.1 直接加载至破坏过程中的形变差异
• 4.2.2 多周应力循环过程中的形变特征
• 4.3 同等强度下水泥石的力学形变能力差异
• 4.3.1 单轴直接加载至破坏对形变的影响
• 4.3.2 单轴应力循环过程对形变的影响
• 4.4 单一材料对水泥石力学形变能力的影响
• 4.4.1 胶乳对水泥石力学形变能力的影响
• 4.4.2 纤维和橡胶粉对水泥石力学形变能力的影响
• 4.5 复合材料对水泥石力学形变能力的影响
• 4.5.1 三轴应力直接加载至破坏对水泥石形变的影响
• 4.5.2 三轴应力多周循环时复合材料水泥石形变特点
• 4.6 时间和围压对水泥石力学形变能力的影响
• 4.6.1 时间对水泥石力学形变能力的影响
• 4.6.2 围压对水泥石力学形变能力的影响
• 4.7 本章小结
• 5 油井水泥石基质塑化设计研究
• 5.1 油井水泥水化硬化过程及硬化体结构
• 5.1.1 油井水泥水化硬化过程
• 5.1.2 油井水泥硬化体结构
• 5.2 油井水泥石基质塑化及实验测试
• 5.2.1 油井水泥石降脆增韧的途径
• 5.2.2 油井水泥基质塑化设计
• 5.2.3 基质塑化作用效果测试
• 5.3 本章小结
• 6 结论与建议
• 6.1 结论
• 6.2 创新点
• 6.3 建议
• 参考文献
• 致谢