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基于粉煤灰-矿渣胶凝增强材料的研究与应用

秦仲奎 董志明 浦健 曾勇 兰小林

秦仲奎,董志明,浦健,等. 基于粉煤灰-矿渣胶凝增强材料的研究与应用[J]. 钻井液与完井液,2023,40(4):527-534 doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2023.04.016
引用本文: 秦仲奎,董志明,浦健,等. 基于粉煤灰-矿渣胶凝增强材料的研究与应用[J]. 钻井液与完井液,2023,40(4):527-534 doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2023.04.016
QIN Zhongkui, DONG Zhiming, PU Jian, et al.Study and application of a fly ash-slag bonding reinforcement material[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid,2023, 40(4):527-534 doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2023.04.016
Citation: QIN Zhongkui, DONG Zhiming, PU Jian, et al.Study and application of a fly ash-slag bonding reinforcement material[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid,2023, 40(4):527-534 doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2023.04.016

基于粉煤灰-矿渣胶凝增强材料的研究与应用

doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2023.04.016
基金项目: 中国石油集团川庆钻探工程有限公司科技项目“长裸眼水平井全封固低摩阻固井工作液研究 ”(CQ2022B-21-1-3)。
详细信息
    作者简介:

    秦仲奎,工程师,1969年生,大专学历,现从事于固井现场服务及固井外加剂研究。电话 18717353886;E-mail:cqgqzk@cnpc.com.cn。

    通讯作者:

    董志明,工程师,1990年生,硕士研究生,现主要从事固井现场施工和水泥浆体系评价及研发。电话 18328068701;E-mail:cqgjdzm@cnpc.com.cn。

  • 中图分类号: TE256

Study and Application of a Fly Ash-slag Bonding Reinforcement Material

  • 摘要: 为解决固井低密度水泥浆体系早期强度低、与水泥配伍有偏差以及成本高等问题,以粉煤灰、矿渣为研究对象,使用 XRF、XRD、SEM等检测手段对原材料的化学成分、比表面积及微观形貌进行表征,得出粉煤灰、矿渣颗粒级配分布密集的区域为0.36~89.34、1.56~39.91 μm,比表面积为0.822、1.790 m2/g,且呈现出光滑且密集堆积的现象。通过对增强材料作用机理分析研究,以粉煤灰水泥浆体系的抗压强度为首要技术指标,优选出无机、有机增强材料,并完成各组分配比分析研究,确定增添材料的最优化加量,形成35%KZ+8%FMH+8%WK+3%NY+2%NS+6%CS的增强材料,制备了碱激发粉煤灰矿渣复合胶凝材料,研究了碱激发粉煤灰-矿渣复合胶凝增强材料在QZ、FMH水泥浆体系不同加量的反应进程、微观结构以及抗压强度的变化规律,评价综合性能,当QZ、FMH水泥浆增强材料加量至10%、9%时,其性能达到应用要求。初步现场应用7井次,固井封固井段合格率为100%,固井质量结果达到预期目标,增强材料应用效果良好。

     

  • 图  1  粉煤灰(a)与矿渣(b)的粒径分析图

    图  2  G级水泥、矿渣、粉煤灰SEM图

    图  3  不同配比组分增强材料对FMH水泥浆体系强度影响

    图  4  QZ、FMH水泥浆抗压强度影响规律

    图  5  不同增强材料加量QZ体系水化热放热速率及累积放热量

    图  6  不同增强材料加量FMH体系水化热放热速率及累积放热量

    图  7  不同增强材料加量QZ体系水化热累积放热量

    图  8  不同增强材料加量FMH体系水化热累积放热量

    图  9  不同增强材料加量 QZ 体系(Q0、Q5、Q10)24 h 产物微观形貌

    图  10  不同增强材料加量 FMH 体系(F0、F3、F9)24 h 产物微观形貌

    图  11  不同增强材料加量 FMH、QZ体系XRD图

    表  1  用X荧光光谱仪分析物质化学成分(%)

    物质CaOSiO2Fe2O3Al2O3MgOSO3其他组分
    G级水泥 67.59 18.05 5.75 2.67 1.63 2.34 1.97
    粉煤灰 10.30 47.96 8.82 20.88 2.57 3.16 6.31
    矿渣 45.21 28.56 0.53 14.14 7.10 2.17 2.29
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    表  2  粉煤灰和矿渣的钙硅比

    物质CaO/SiO2SiO2/Al2O3Ca/SiSi/Al
    粉煤灰 0.21 6.76 0.30 6.37
    矿渣 1.58 2.02 2.26 1.74
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    表  3  增强材料组分筛选

    配方增强材料组分p24 h/MPap48 h/MPa
    空白5.59.2
    ZQ1KZ+FMH+CS+WK+AS6.210.1
    ZQ2KZ+FMH+CS+WK+NS+NSO7.311.0
    ZQ3KZ+FMH+CS+WK+NY+QS8.613.2
    ZQ4KZ+FMH+CS+WK+NS+KY7.511.8
    ZQ5KZ+FMH+CS+WK+NS+NY9.214.5
      注:空白基础配方为40%G级水泥+9%ZQ+50%FMH+4%GJ-K,W/C=0.80。
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    表  4  增强材料优化组分配比

    配方FMH/%KZ/%WK/%NY/%CS/%NS/%
    ZH110305452
    ZH25406352
    ZH38358362
    ZH483510363
      注:基础配方为40%G级水泥+9%ZQ+50%FMH+4%GJ-K,W/C=0.80。
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    表  5  低密度水泥浆体系性能参数

    水泥浆ρ/
    g·cm−3
    游离液/
    %
    FL/
    mL
    初始稠度/
    Bc
    t稠化/
    min
    p 24 h/
    MPa
    p 48 h/
    MPa
    FMH1.550.4481914510.214.1
    QZ1.330.865151937.112.6
      注:失水实验条件为30 min、7 MPa;稠化实验条件为75 ℃、35 MPa;抗压强度实验条件为45 ℃;水灰比为0.80。
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    表  6  试验井固井质量统计表

    井号封固井
    段/m
    合格率/
    %
    井号封固井
    段/m
    合格率/
    %
    苏东
    42-X4
    500~
    2700
    99.38 苏36-
    23-X
    2300~
    2850
    90.23
    苏东
    27-X3
    525~
    2750
    94.71郭X2227~
    2605
    99.80
    苏东
    22-X
    550~
    2600
    99.41盐37-X1000~
    1200
    98.75
    苏14-
    17-X
    800~
    3000
    97.07
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-02-10
  • 修回日期:  2023-03-05
  • 刊出日期:  2023-07-30

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