基于分形级配理论的油井水泥体系设计及评价

针对目前油井水泥混合料配比设计困难、缺乏合理颗粒级配模型的现状,基于分形几何理论建立了颗粒群分形连续级配模型.利用激光粒度测试仪分析了级配原材料的粒径分布状况,并将分形级配模型与Andreasen方程进行对比,得到实现最紧密堆积的分形维数范围.结合塔里木现场要求取分形维数为2.561,优化设计出浆体密度为1.40 g/cm3的三元体低密度水泥浆体系,并对体系性能进行了室内评价.结果表明,该体系水泥石抗压强度(24 h)大于18.4 Mpa,养护压力对强度影响很小,水泥浆失水量和游离液含量较低,稠化和流变性能满足要求,体系稳定性好,验证了体系粒径分布的合理性和分形级配模型的可行性.     

四元体高强低密度纤维水泥体系的研制

为了解决目前油井水泥拌合料配比设计困难的难题,进一步拓展漂珠微硅类低密度水泥体系的应用范围,基于颗粒级配增强、纤维增韧的技术思路,研制了颗粒级配增强材料KZ和早强剂ZR,并优选了长度为600μm和1050μm的化学改性纤维作为增韧材料,最终在1．15～1．45g／cm^3范围内优化设计出4种不同密度的新型四元体低密度水泥体系,并对该体系的水泥石力学性能和浆体性能进行了系统评价．实验结果表明：四元体系强度明显高于目前现场使用的同一级别的低密度水泥,改性纤维的架桥阻裂作用可显著提高水泥石韧性,水泥浆失水量和游离液含量较低,防窜能力强,稠化和流变性能满足要求,体系稳定性好,验证了四元体系粒径分布的合理性．研究结果为多元体油井水泥体系设计提供了一条新途径．     

磷渣颗粒级配与磷渣水泥强度的关系

将3个工厂的磷渣,按粉磨时间序列处理成若干不同颗粒级配的试样,配制成一系列磷渣硅酸盐水泥（磷渣掺量均为30％）,进行胶砂强度检验。采用灰色关联分析方法研究磷渣各粒径范围颗粒含量与水泥强度之间的关系。结果表明,磷渣中含磷量不同,磷渣的颗粒分布对水泥各龄期强度的影响也有很大差异,即磷（P2O5）质量分数为3．5％,粒径〈10μm的磷渣颗粒对强度有削弱作用;磷（P2O5）质量分数为1．44％,粒径〈10μm的磷渣颗粒对强度有增强作用;磷（P2O5）质量分数为2．64％,粒径〈10μm的磷渣颗粒对3d强度有削弱作用,而对28d强度有增强作用。     

RAP粒径对水泥稳定再生混合料的性能影响研究

为了研究旧沥青混凝土对水泥稳定再生混合料的性能影响,拟定了4种粒径范围的RAP替代相同粒径范围的RBP集料,对比采用骨架密实级配和悬浮密实级配的再生混合料,通过室内力学试验进行分析,并利用电子显微镜对RAP替代不同粒径RBP的混合料界面进行观察.试验结果表明:采用骨架密实和悬浮密实级配的混合料,当RAP替代粒径大于4.75mm,随着RAP替代粒径的增大,再生混合料的强度、模量均有明显降低,干燥收缩系数逐渐增大.粒径范围为2.36~4.75mm的RAP集料替代相同粒径范围的RBP集料,采用骨架密实级配的水泥稳定再生混合料,强度和模量降低幅度较小,同时干燥收缩系数有明显提高,RAP粒径越小,RAP与RBP界面融合程度越高.     

矸石充填料浆流变特性与颗粒级配相关性试验研究

为了明确矸石充填料浆流变参数与颗粒级配指标的相关性,通过开展不同级配骨料、静置时间条件下的充填料浆流态变化规律试验,研究静置时间、颗粒级配对料浆流态变化的影响。以山西省孝义市新阳某矿矸石胶结充填采煤为工程背景,基于料浆流变特性,分析管道堵塞、磨损机理,得到最优的骨料颗粒级配(2号料浆骨料级配);建立料浆不沉颗粒临界粒径公式,明确2号料浆中不沉临界粒径为14 mm。试验结果表明:料浆的初始剪切力和表观黏度均随着静置时间的延长而增加;料浆的流变特性是个多种模型复合特性的综合体现,随着剪切速率的增加,料浆流变曲线呈上凸状;粒径d10(即粒径累积分布中累积粒径含量达到10%时对应的粒径)、d30(即粒径累积分布中累积粒径含量达到30%时对应的粒径)与料浆的表观黏度和初始剪切力相关性最强,表明0~30μm粒径颗粒对料浆的流变性能影响最大;料浆静置时间越长,表观黏度与粒径d10,d30的相关性强度逐渐降低,而初始剪切力与之相关性则增强。     

颗粒组成和分布对大掺量粉煤灰水泥性能的影响

中国是粉煤灰资源大国,粉煤灰综合利用率低,在水泥中粉煤灰的掺加量低于40%。研究粉煤灰掺加量大于50%的粉煤灰水泥技术已引起学术界和工程界的密切关注。将粉煤灰直接大量掺入水泥会导致水泥早期强度的降低和凝结时间的延长。本文研究的大掺量粉煤灰水泥,在水泥原材料中加入3%的晶核素,通过晶核诱导作用,使粉煤灰中的硅、铝氧化物迅速生长成稳定的水化矿物相,提高了粉煤灰水泥的早期强度,解决了大掺量粉煤灰水泥早期强度低的问题。粉煤灰的掺加量为50%和60%时,大掺量粉煤灰水泥达到了GB175-2007通用水泥标准的32.5#粉煤灰水泥性能指标要求。在此基础上,通过改变粉磨时间和粉煤灰掺加量,得到若干组不同的粉煤灰水泥试样,采用灰色关联分析研究方法,研究了颗粒组成及分布对大掺量粉煤灰水泥性能的影响。从而进一步研究颗粒级配和水泥性能之间的关系,并通过改变粉煤灰水泥的颗粒级配及组成来达到改善水泥性能的目的。结果表明：对同一配比的粉煤灰水泥,当粉磨时间改变后,影响水泥强度性能的颗粒区间会发生变化;不同配比的粉煤灰水泥,当粉磨时间不同时,其有效作用区间颗粒也有较大的差别,对不同龄期的抗压强度和抗折强度起作用的区间颗粒也不完全相同。     

封堵炮眼用防漏水泥浆体系的研制

针对胜利油田部分油井用水泥浆封堵炮眼时出现的漏失问题,研制了防漏水泥浆体系.利用自制的模拟封堵装置,研究了不同封堵材料的封堵性能和封堵效果,优选出封堵材料的加量,加入各种添加剂形成了防漏水泥浆体系,并评价了体系的性能.结果表明:以1.2mm的漏失孔为例,聚丙烯纤维和橡胶粉分别封堵效果不佳,复合封堵时具有较好的封堵效果,复合封堵时纤维的加量为0.4%,橡胶粉的加量为1%.选用水泥添加剂并根据其建议加量,确定防漏水泥浆体系的配方为:胜潍G级水泥+0.4%聚丙烯纤维+1%橡胶颗粒+3%降失水剂+0.4%缓凝剂+0.5%分散剂,经评价水泥浆的失水性能优良,稠化性能可调,流变性能较好,强度性能优良.     

基于分形理论的固井水泥浆体系设计

为了有效解决复杂工况下油井水泥混合料配比设计面临的难题,引入分形几何理论建立了颗粒群分形级配模型,结合激光粒度测试得到的材料粒径分布状况及分形维数的合理筛选(D=2.561),假定在小于1.68、1.68～56.23、大于56.23μm三个粒径范围内分别填充微硅、水泥和漂珠,设计出密度为1.40g/cm3的低密三元级配体系,并参照塔里木深井固井技术指标对体系水泥石力学性能(抗压、抗折和界面胶结强度)和浆体性能进行了测试.结果表明,三元体系紧密堆积效果显著,水泥石强度明显高于同密度的微硅或漂珠类二元体系,浆体失水量和析水率较低,稳定性好,稠化和流变性能均满足固井施工要求.实验结果验证了应用分形级配理论辅助设计固井水泥浆体系的可行性.     

“三高”气田固井水泥体系研究

针对高压、高产、高含硫化氢(H2S)气体("三高")气田在固井过程中面临的难点,探讨"三高"气田对固井水泥浆的要求,在分析水泥腐蚀机制的基础上,提出"三高"气田水泥防腐策略;采用水泥浆不同配料组分的颗粒粒径合理级配原理优化设计水泥,通过正交试验筛选出可形成致密水泥石、防腐性能优良的低密度高强度水泥和纤维-胶乳-微膨胀水泥2种体系4个配方,对其形成的水泥石进行抗硫化氢和二氧化碳(H2S/CO2)腐蚀性能评价试验,包括水泥石强度、渗透率、质量损失、腐蚀深度和腐蚀前后内部结构的变化情况,依据试验数据从理论上预测水泥石的抗腐蚀寿命。龙岗气田现场应用表明,所筛选的水泥浆的固井质量得到明显提高,可用于"三高"气田固井,并能延长气井寿命。     

矿物掺合料在水泥砂浆中的填充机理及试验研究

主要讨论了矿物掺合料在水泥砂浆中的填充机理,并且以粉煤灰、矿渣粉及硅灰单一组分、复合组分考察其对水泥胶砂强度及微观结构的影响.研究表明,不同细度的矿物掺合料掺入到水泥浆体中后,可以优化粉体的次级颗粒级配,提高密实度.从而表现出水泥砂浆的强度得到提高,微观结构趋于密实.     

不同粉磨工艺水泥的颗粒、矿物组成分布及性能

研究了采用不同粉磨工艺制备的水泥的颗粒分布及矿物组成分布对水泥与混凝土物理性能的影响．研究结果表明：水泥颗粒分布与粉磨设备条件及工艺参数密切相关,选用高效选粉机,增大循环负荷及控制适当的比表面积,可获得较窄的颗粒分布;由于C3S易磨性较好,易富集于水泥细颗粒中,通过提高水泥颗粒的集中程度及适当增大比表面积,可有效地把熟料中的C3S富集于30μm以下的水泥颗粒中;当水泥熟料质量、混合材质量、水泥比表面积控制水平较接近,水泥颗粒分布集中(主要集中在5～30μm范围)时,水泥的标准稠度需水量较大,凝结时间较长,1d强度较低,但3d,28d抗压强度较高,在混凝土中则表现为新拌混凝土泌水较严重,1d抗压强度偏低,3d．28d抗压强度增幅较大．     

高密度高炉矿渣水泥浆固井技术研究

以低密度矿渣水泥浆研究结果为基础 ,设计高密度水泥浆 ,使油气井全井段使用矿渣水泥浆固井 ,以提高固井质量 ,降低固井成本 .以高炉矿渣为水化胶凝材料 ,添加少量水泥和碱性激活剂 ,结合 MTC固井技术和多功能钻井液固井技术 ,设计密度 1 .75～ 1 .93 g/cm3 的矿渣水泥浆、矿渣MTC浆和矿渣 UF浆 .对 3种高密度矿渣水泥浆在 45～ 75℃条件下水泥石的抗压强度 ,水泥浆的凝结时间、流变性和稳定性进行试验对比 .试验结果表明 :3种水泥浆水泥石抗压强度从大到小依次为 :矿渣 UF浆 ,矿渣 MTC浆 ,矿渣水泥浆 .3种体系水泥石抗压强度满足油气井井下射孔作业对水泥石抗压强度的要求 .在 45～ 75℃条件下 ,随着温度的升高 ,高密度矿渣水泥浆和矿渣 UF浆水泥石抗压强度呈降低趋势 .矿渣 MTC浆和矿渣 UF浆的流变性、稳定性和稠化时间可通过钻井液的加量及性能来调整     

粒度分布对赤铁矿浮选的影响

以赤铁矿为研究对象,通过浮选试验、扩展的DLVO(EDLVO)理论和凝聚动力学研究了粒度分布(粒径小于18μm的微细粒比例)对赤铁矿浮选的影响.浮选结果表明赤铁矿的浮选回收率与粒度的大小和分布有关,粗粒(粒径大于18μm)赤铁矿的粒度较大时或粒度分布均衡时(微细粒与粗粒含量接近)浮选回收率较高.EDLVO理论计算表明微细粒赤铁矿与粗粒赤铁矿之间存在吸引力,且吸引力的大小与粗粒粒度正相关;凝聚动力学分析表明粒度分布均衡时颗粒间的凝聚速率较大.这是粒度分布对赤铁矿的浮选回收率产生影响的主要原因.     

钢渣粒度分布对钢渣水泥水化特性影响的灰度分析

利用机械激发的原理,从强度与Ca(OH)₂含量两个方面,研究不同球磨时间下钢渣粉的粒度特性以及比表面积对钢渣水泥胶砂水化性能的影响,同时采用灰色关联分析方法探讨钢渣颗粒粒径与钢渣水泥胶砂强度和水化程度的影响规律.结果表明:球磨时间增加,钢渣比表面积增大,活性随之增强;通过DTG热分析发现钢渣的比表面积的变化会影响水化产物Ca(OH)₂结晶和晶体生长速率;钢渣粉中10~20μm粒级对钢渣水泥强度促进作用最大,5~10 μm粒级对钢渣水泥28 d Ca(OH)₂含量促进作用最大,因此增加5~20 μm范围的钢渣颗粒含量,有利于提高钢渣活性.     

不同骨料粒径在不同浆膜厚度下的透水混凝土试验

采用2～10 mm、10～13. 2 mm、13. 2～16 mm的骨料粒径分别在骨料表面浆膜厚度为0. 4 mm、0. 5 mm、0. 6 mm的情况下进行透水混凝土性能的研究。试验发现:透水混凝土内部骨料表面在相同浆膜厚度下,随着骨料粒径不断增大,其有效孔隙率的增大并不明显,且不同骨料粒径试样的28 d平均抗压强度值变化幅度相差不大;随着骨料表面的浆膜厚度增加到后期,相同骨料粒径的透水混凝土抗压强度增加幅度不大,而浆膜厚度为0. 4～0. 5 mm时其抗压强度增加值较明显;当骨料表面的浆膜厚度较薄时,试样透水系数的增大趋势随着骨料粒径前期的增大比后期更快;而当浆膜厚度更厚时,不同骨料粒径试样的透水系数增大趋势较均匀。     

基于分形方法的煤炭研磨颗粒粒度分布模型

为了预测并控制煤炭在研磨过程中任意时刻的颗粒粒度分布,利用分形方法建立了表征煤炭研磨颗粒粒度分布动态变化的颗粒数分布模型、颗粒表面积分布模型和颗粒质量分布模型.颗粒数分布模型直观地描述了颗粒粒径主要存在的范围;颗粒表面积分布模型可以用来研究研磨过程中能耗的变化;颗粒质量分布模型可以用来计算研磨颗粒的堆密度和成浆浓度.通过分形粒度分布与实际粒度分布的比较,验证了模型的正确性.     

矾土基Al_2O_3-MgO质振动浇注料的流变性能

采用新型浇注料全组分流变仪,针对矾土基Al_2O_3-MgO质振动浇注料,测定了不同种类硅灰及其加入量、镁砂粉加入量、三聚磷酸钠加入量和不同粒度分布系数对流变性能的影响. 研究结果表明:在振动条件下,全组分铝镁质振动浇注料具有Bingham流体的特征,并具有剪切稀化和正触变性. 硅灰种类对浇注料的流变性有一定的影响. 硅灰含量(质量分数3%～5%)对浇注料的流变性有较大影响,随着硅灰加入量的增大,浇注料的流变性逐渐变好. 在实验的镁砂粉粒度下,镁砂粉含量(质量分数4%～12%)对浇注料的流变性影响较小. 三聚磷酸钠加入量(质量分数0.13%～0.19%)对浇注料的流变性影响较大,随分散剂加入量的增加浇注料的流变性逐渐变好,在0.19%时又变差,最佳加入量为0.15%～0.17%. 随粒度分布系数增大(0.23～0.31),浇注料所需的加水量逐渐降低,流变性逐渐变好,0.29以后变化不大. 浇注料的流变性和流动性有较好的相关性. 浇注料的流变性越好,流动性也越好.