油井水泥石脆性降低的途径及其作用机理

针对国内油田薄油层井、小间隙井和侧钻井固井后射孔及后续增产措施造成的水泥环脆裂(即二次窜流)问题,为了降低水泥石的脆性,正确评价不同材料对水泥石韧性或弹性的影响,对掺有胶乳、橡胶粉和PVA纤维水泥石的抗折强度、抗压强度、抗冲击功和弹性模量等力学性能进行了研究,并对3种材料的作用机理进行了剖析.研究结果表明,与净浆水泥石相比,掺有胶乳和橡胶粉水泥石的弹性模量分别降低了69%～76%和49%～60%,掺有PVA纤维水泥石的抗冲击功和抗折强度分别提高了9%～89%和16%～37%.胶乳、橡胶粉与水泥水化产物的有效铰接和桥联作用显著提高了水泥石的弹性,PVA纤维的有效阻裂作用显著提高了水泥石的韧性.     

碳纤维改善水泥石韧性试验研究

针对油田中后期开发面临的固井质量问题，即水泥环脆性破裂问题，对水泥石韧性测定方法进行了讨论，采用水泥试件抗折强度和弹性模量试验以及薄片分析对碳纤维改善水泥石的韧性进行了考察，并分析了碳纤维改善水泥石韧性的机理。结果表明，纤维的加入可以使水泥石的抗折强度提高30％以上；随纤维掺量的增加，水泥石的弹性模量减小，泊松比增加；纤维在水泥石中的分布有效地阻止了裂纹的发展，增强了水泥石的韧性抗断裂能力。对于水泥石的抗折强度存在着最佳纤维长度和纤维掺量，本试验条件下，纤维的最佳长度为700～l400μm，最佳掺量为0．12％～0．19％。     

油井水泥纤维增韧材料的研究与应用

为了解决国内油田薄油层井、小间隙井和侧钻井固井后射孔及后续增产措施造成的水泥环脆裂(即二次窜流)问题,研制开发了油井水泥纤维增韧材料(增韧剂F17F).对增韧水泥石的各种力学性能(抗折强度、抗冲击功、弹性模量和应力/应变关系等)及纤维增韧水泥浆体系的工程性能进行了测试.结果表明,增韧水泥石的弹性模量降低了16.9%~48.0%,抗冲击功提高了27.0%~68.0%,抗折强度提高了15.9%~33.0%;增韧水泥的流动性得到改善,其失水量和析水率显著降低.此外,还进行了聚能射孔试验、地面打灰试验、1口井的现场打水泥塞试验和2 口井的现场固井试验.室内实验和现场试验结果表明:增韧水泥的强度、抗冲击能力及其综合工程性能均能满足固井施工的要求.     

碳纤维改善水泥石韧性试验研究

针对油田中后期开发面临的固井质量问题,即水泥环脆性破裂问题,对水泥石韧性测定方法进行了讨论,采用水泥试件抗折强度和弹性模量试验以及薄片分析对碳纤维改善水泥石的韧性进行了考察,并分析了碳纤维改善水泥石韧性的机理。结果表明,纤维的加入可以使水泥石的抗折强度提高30%以上;随纤维掺量的增加,水泥石的弹性模量减小,泊松比增加;纤维在水泥石中的分布有效地阻止了裂纹的发展,增强了水泥石的韧性抗断裂能力。对于水泥石的抗折强度存在着最佳纤维长度和纤维掺量,本试验条件下,纤维的最佳长度为700～1400μm,最佳掺量为0.12%～0.19%。     

丁苯胶乳对固井水泥石性能的影响

针对油田中后期开发面临的固井水泥环受腐蚀、脆性破裂的问题,采用水泥石抗腐蚀性分析、试件抗压和抗折强度实验,对胶乳改善水泥石的抗腐蚀性和韧性进行了研究,分析了胶乳改善水泥石抗腐蚀性和韧性的机理。结果表明,胶乳水泥石比普通水泥石抗腐蚀能力明显提高;随着水泥石中胶乳加量增加,水泥石的脆性系数逐渐减小,抗折强度逐渐增大,韧性增强。m(胶乳)∶m(水泥)在1∶10～1.5∶10时,水泥石的致密程度最高,渗透率最小。     

高温高压气井复合型水泥浆体系研究与应用

针对超深高温高压气井固井难点,通过优选DC200型胶乳增强水泥浆防气窜性能,降低水泥石渗透率;优选改性弹性粒子、有机聚合物纤维和无机矿物纤维为复合增韧材料,有效增强水泥石弹韧性,研制出了高温防气窜性能和弹韧性能优良的复合型水泥浆体系。评价显示:体系耐温达160℃以上,SPN值1,静胶凝强度过渡时间仅为12 min,防气窜效果好;与常规水泥石相比,渗透率可降低80%左右,弹性模量可降低60%左右,抗折强度可增加84%左右,水泥石抗冲击载荷可增加86.69%左右,显示出优异的力学性能;该体系在塔中顺南401井和顺南4-1井成功应用,整体固井质量良好。说明该体系可满足超深高温、高压气井固井技术要求,应用前景良好。     

油田固井用S90纤维复配材料增韧性能及作用机理

油井水泥石固有的脆性使井下水泥环受射孔弹高能聚流的作用,形成宏观裂纹.S90纤维复配材料降低水泥石的弹性模量,显著提高水泥石的韧性.将S90纤维复配材料分数在水泥浆中,测试水泥石试样的抗拉强度、抗拉断裂能、静态和动态弹性模量以及动态泊松比.结果表明:与净浆相比,S90体系水泥石抗拉强度和抗拉断裂能分别提高了30.1%和 46.6%,静态、动态弹性模量分别降低了11.6%、8.17%,动态泊松比增加了2.53%.S90体系中高弹模微纤维起阻裂作用,低弹模长纤维起增韧作用.     

碳纤维水泥配伍性试验研究

水平井、小眼井钻井技术的应用以及薄油层的开发易使水泥石射孔开裂，从而造成上下油水层串通，因此对水泥石韧性有了更高的要求。为了满足固井施工过程中对水泥浆性能以及对水泥石性能的要求，根据国家固井水泥性能测定操作标准，对碳纤维水泥进行了针对性的配伍性试验研究，包括水泥浆流变性、稠化时间、失水量以及水泥石抗压强度、抗折强度等方面的配伍性试验。研究结果表明，碳纤维与水泥以及水泥添加剂具有良好的配伍性：一定尺寸的短碳纤维可以有效地提高水泥浆的流变性和水泥石的抗折、抗压强度。     

碳纤维水泥配伍性试验研究

水平井、小眼井钻井技术的应用以及薄油层的开发易使水泥石射孔开裂,从而造成上下油水层串通,因此对水泥石韧性有了更高的要求。为了满足固井施工过程中对水泥浆性能以及对水泥石性能的要求,根据国家固井水泥性能测定操作标准,对碳纤维水泥进行了针对性的配伍性试验研究,包括水泥浆流变性、稠化时间、失水量以及水泥石抗压强度、抗折强度等方面的配伍性试验。研究结果表明,碳纤维与水泥以及水泥添加剂具有良好的配伍性;一定尺寸的短碳纤维可以有效地提高水泥浆的流变性和水泥石的抗折、抗压强度。     

丁苯乳液-橡胶粉改性水泥基材料性能及其机理研究

以丁苯乳液(SBR)和废弃橡胶粉作为改性组分,研究它们对水泥基材料流变性、力学性能和微观结构的影响。结果表明:SBR能明显增大水泥净浆的流动度并使其表观黏度减小,改善硬化浆体的微观结构,提高硬化浆体的抗折强度和韧性;橡胶粉对硬化水泥浆体的抗压强度有不利影响,但能填充水泥石中的孔隙,提高其韧性;SBR-橡胶粉复合改性时,SBR在水泥颗粒表面成膜,限制熟料矿物的水化,使水化加速期的持续时间延长,水化产物生成量减少,但聚合物膜与水化产物及橡胶粉颗粒形成相互交织的空间网络结构,使浆体更加密实,显著提高水泥浆体的力学性能。     

可再分散乳胶粉对水泥稳定碎石材料性能影响的试验研究

为研究可再分散乳胶粉对水泥稳定碎石材料性能的影响，开展水泥胶砂试验及无侧限抗压强度、抗折强度、干缩、温缩路用性能试验，并通过XCT、SEM微观试验分析胶粉的作用机理。试验结果表明：胶粉应用于低剂量水泥基材料时，对强度和抗裂性具有显著的提升效果。考虑水泥稳定碎石的抗压强度、抗折强度及韧性，5%胶粉用量最优。5%胶粉水泥稳定碎石7 d无侧限抗压强度提高9.8%、抗折强度提高9.6%、弯曲韧性提升21.0%。掺入胶粉后，水泥稳定碎石的7 d、28 d干缩系数分别降低41.5%、34.0%，温缩系数降低17.1%，收缩性能得到显著改善。XCT图像分析显示，加入胶粉改变了水泥胶砂的孔隙特征，减少了大孔的数量，孔隙率和平均孔径是影响胶砂强度的主要因素。SEM结果显示胶粉可以增强水泥稳定碎石的界面粘结，优化其孔隙结构，并且与水泥水化产物联结形成弹性空间网络结构，是水泥稳定碎石韧性和收缩性能提升的主要原因。     

胶乳对油井水泥浆作用机理的实验研究

利用实验方法系统研究了聚乙烯醇胶乳对油井水泥浆的失水、稠化性能、游离水和水泥石抗压强度等参数的影响。结果表明 ,胶乳加量增大时 ,油井水泥浆的失水量迅速变小 ,稠化时间延长 ,初始稠度减小 ,游离水得到有效的控制 ,水泥石的抗压强度减小而柔性增大。试验证明 ,聚乙烯醇胶乳通过成膜、吸附、水化等作用能有效地控制油井水泥浆的液相运移情况 ,调节其稠化性能 ,改善水泥石的物理力学性能。自行设计了一套测定水泥石胶结强度的装置 ,实验证明所提出的测定方法是可行的。     

PVA接枝纤维增强水泥材料的研究

分别以丙烯酸和丙烯酰胺为单体 ,通过接枝反应向 PVA纤维表面引入带有极性羧基基因或酰胺基团的支链 ,考察了 PVA接枝纤维对其增强水泥材料力学性能的影响。结果表明 ,与未接枝 PVA纤维相比 ,PVA接枝纤维增强水泥材料的极限弯曲强度明显增大 ,增幅可达 30 % ,而其弯曲模量、屈服弯曲强度和断裂韧性几乎没有变化 ;随着接枝率的增大 ,PVA接技纤维增强水泥材料的极限弯曲强度减小。     

纤维/晶须材料对固井水泥石的增韧机理研究

扫描电子显微镜（SEM）用于水泥基材料研究,可以准确、快速、直观地提供水泥石断面的微观形貌等信息。固井水泥环这一水泥基材料在井下工况受复杂应力影响易产生微裂缝与微环隙,造成水泥环封固能力下降。高弹模纤维、低弹模纤维、晶须等材料有助于降脆增韧水泥环。为了弄清高弹模纤维、低弹模纤维、晶须等材料对水泥环的降脆增韧机制,用扫描电镜对水泥石微观形貌进行了观察分析,探讨了增韧机制。实验结果表明,高弹模纤维、低弹模纤维、晶须等材料降脆增韧水泥环的机制包括拔出、桥连和裂纹偏转。相对于单掺纤维或单掺晶须,将二者混杂使用的增韧效果更好,其原理在于晶须属于微米级材料,可以阻止微米级微裂纹的产生和扩展;纤维属于毫米级材料,可以阻止毫米级微裂缝的产生与扩展;二者混杂使用可以起到多层次阻裂和增韧的目的。     

一种碳纤维分散液的制备及其在固井水泥浆中的应用

碳纤维是一种高性能纤维,能有效改善水泥石的力学性能。为了克服碳纤维在使用过程中不易分散的缺点,对碳纤维分散剂种类、分散剂加量及碳纤维加量进行优选,制备出一种碳纤维分散液,并对该碳纤维分散液在固井水泥浆中的应用效果进行评价,最后对加入碳纤维分散液的水泥石微观形貌进行观察。结果表明：碳纤维分散剂CDA-2能改善碳纤维在水溶液中的分散效果,当加量为0.6%时,形成的碳纤维分散液较稳定;当碳纤维分散液中碳纤维的加量为4%,此时形成的碳纤维分散液稳定性最好且碳纤维加量最优。使用碳纤维分散液配制的固井水泥浆体系与将碳纤维直接加入的固井水泥浆中相比,水泥浆体系常规性能相差不大,但力学性能明显提高,养护3 d后碳纤维分散液水泥石的抗压强度、抗冲击强度、抗折强度比直接加碳纤维水泥石分别提高6.8%、7.6%、10.1%。碳纤维分散液能使碳纤维更好的分散在水泥石中,形成网状结构,通过桥联阻裂、拔出耗能作用增强增韧水泥石。     

废旧轮胎橡胶颗粒对水泥浆和砂浆抗裂性能的影响

通过圆环开裂试验和弯曲试验探讨了不同体积分数的废旧轮胎橡胶颗粒掺入水泥浆和砂浆后对抗裂和变形性能的影响．研究结果表明，在水泥净浆中掺入废旧轮胎橡胶颗粒，可延迟圆环试件的开裂时间，提高抗裂性，延迟时间的长短与橡胶颗粒的掺量有关，当橡胶颗粒的体积分数在20％～50％时，延迟效果最为显著；在砂浆试件中掺入橡胶颗粒，可显著改善其弯曲变形性能，试件破坏形式为延性破坏，破坏时的极限变形值比基准试件大得多，并且随着橡胶颗粒体积分数的增加而迅速增大．     

单轴应力条件下水泥石强度与弹性模量的关系

利用高温高压养护釜、压力试验机等设备对油井水泥石的应力-应变曲线进行了检测.分析了温度、外加剂对水泥石强度和弹性模量的影响规律,研究了强度与弹性模量关系模型的建立问题.结果表明,单轴应力条件下水泥石具有明显的弹性变形及脆性破坏特征;强度与弹性模最初随养护温度提升而增大,达到一定温度后,随温度继续升高而减小;各体系的强度及弹性模量均随养护时间的增长而增加,分散剂、降失水剂、胶乳能降低强度和弹性模量,早强剂、膨胀剂能增加强度和弹性模量,硅砂能增加高温条件下水泥石的强度及弹性模量;采用数据回归分析方法建立水泥石强度与弹性模量之间的关系模型,可以依据所建立的模型利用水泥石强度测试数据估算弹性模量.     

硅藻土改善胶乳水泥性能的室内研究

利用国产胶乳开发胶乳水泥体系时,通常采用外加剂的复配克服胶乳外渗和消除体系气泡。由于复配中需要注意的问题很多,给实际应用带来诸多困难;化学添加剂价格昂贵也增加 了 固井成本;这些问题给胶乳水泥体系的开发形成了障碍。通过室内研究发现,按照材料科学干涉原理,在胶乳水泥体系中加入一定量硅藻土,可克服胶乳外渗、消除体系气泡,并能提高水泥石的抗压与抗折强度、降低滤失量与析水量、增强体系的防窜性能;同时硅藻土价格低廉且用量较少,现场使用较为方便,具有很好的应用价值。     

水泥石粉胶结盐渍土的抗剪强度试验研究

为了研究水泥和石粉胶结盐渍土的可行性,采用平罗县的盐渍土,分别掺入水泥和石粉进行盐渍土固化,其中水泥掺量分别为1. 5%、3%、4. 5%、6%,石粉掺量分别为2%、4%、6%、8%。设计了21组试验,利用三轴仪进行了7 d、28 d龄期盐渍土的抗剪强度指标测定。试验结果表明:石粉单掺入盐渍土中,其仅能依靠物理填充作用提高盐渍土的黏聚力,而内摩擦角降低显著。石粉与水泥复配加固盐渍土,水泥中的氢氧化钠可以有效诱发石粉的活性,从而大幅提高盐渍土的抗剪强度。采用石粉和水泥复配固化盐渍土达到4. 5%、6%单掺水泥的盐渍土的抗剪强度时,水泥可以分别节约33. 3%和25%。