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一种新型超高温固井水泥石抗强度衰退材料

周崇峰 费中明 李德伟 赵江波 蒋世伟 刘慧婷 徐明

周崇峰,费中明,李德伟,等. 一种新型超高温固井水泥石抗强度衰退材料[J]. 钻井液与完井液,2022,39(1):71-75 doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2022.01.012
引用本文: 周崇峰,费中明,李德伟,等. 一种新型超高温固井水泥石抗强度衰退材料[J]. 钻井液与完井液,2022,39(1):71-75 doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2022.01.012
ZHOU Chongfeng, FEI Zhongming, LI Dewei, et al.Research on a new material to prevent the strength decline of set cement under ultra-high temperature[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid,2022, 39(1):71-75 doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2022.01.012
Citation: ZHOU Chongfeng, FEI Zhongming, LI Dewei, et al.Research on a new material to prevent the strength decline of set cement under ultra-high temperature[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid,2022, 39(1):71-75 doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2022.01.012

一种新型超高温固井水泥石抗强度衰退材料

doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2022.01.012
基金项目: 中国石油集团核心攻关项目“抗温240 ℃以上的环保井筒工作液新材料”(2020A-3913)
详细信息
    作者简介:

    周崇峰,工程师,1987年生,2010年毕业于东北石油大学石油工程专业,现主要从事固井外加剂和水泥浆体系研发和推广工作。电话13311528970;E-mail:167383@qq.com

  • 中图分类号: TE256.6

Research on A New Material to Prevent the Strength Decline of Set Cement Under Ultra-High Temperature

  • 摘要: 在200 ℃以上超高温下,加砂水泥石强度发生衰退,导致超高温深井固井水泥环层间封隔失效,无法满足高温油气井长期开采的需求。对加砂水泥石的强度衰退机理进行探索,研究发现超高温下加砂水泥水化生成平行疏松的硬硅钙石,孔隙率增大,是其力学性能衰退的根本原因。通过高温水化产物优化设计,优选晶体层间距为纳米尺寸的含铝矿物和纳米管材料,开发了一种新型超高温水泥石抗强度衰退材料DRB-4S。在240 ℃下,DRB-4S加量为10%~20%时,水泥石28 d强度不衰退且大于50 MPa。通过X射线衍射分析、扫描电镜测试、孔结构测试等方法进一步对DRB-4S抗强度衰退机理进行了分析,晶体层间距为纳米尺寸的含铝矿物促进了高温稳定水化产物铝硅钙石的生成,纳米管的加入抑制了雪硅钙石向硬硅钙石转化,并且在水泥石中起到桥联填充作用,降低了水泥石的孔隙率。掺有DRB-4S的固井水泥浆失水量小于50 mL,稠化时间易调,稳定性良好,总体施工性能良好,为高温油气井长期开采提供了有力的技术支持。

     

  • 图  1  不同养护龄期下超高温加砂(50%混掺石英砂)油井水泥石抗压强度测试结果

    图  2  不同高温条件下加砂水泥石的SEM图片

    图  3  抗高温强度衰退水泥石的X射线衍射分析(240 ℃)

    图  4  抗高温强度衰退水泥石的微观结构(240 ℃)

    图  5  加入8%DRB-4S水泥浆的稠化曲线

    表  1  添加不同材料的超高温(220 ℃)水泥石抗压强度

    水泥石抗强度衰退
    材料
    p2 d/
    MPa
    p7 d/
    MPa
    p14 d/
    MPa
    p28 d/
    MPa
    1#空白33.237.832.922.3
    2#铝矾土36.735.217.215.7
    3#无定形硅铝35.233.837.131.5
    4#埃洛石34.231.431.229.5
    5#煤矸石33.534.220.419.8
    6#DRB-4S38.244.050.151.5
      注:水泥浆配方为G级水泥+50%混掺石英砂+10%抗强度衰退材料+1.5%悬浮剂DRY-S2+3%增韧材料DRE-3S+
    0.9%分散剂DRS-1S+1.5%降失水剂DRF-12S+4%缓凝剂DRH-22L+0.5%消泡剂DRX-1L+56%自来水
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    表  2  掺有DRB-4S的超高温水泥石抗压强度(220 ℃、21 MPa)

    DRB-4S/%p2 d/MPap7 d/MPap14 d/MPap28 d/MPa
    1038.244.050.151.5
    1538.745.653.255.4
    2040.143.549.652.7
      注:水泥浆配方:G级水泥+50%混掺石英砂+DRB-4S+
    3%矿物纤维+分散剂+降失水剂+缓凝剂+水
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    表  3  掺有DRB-4S的超高温水泥石抗压强度(240 ℃、21 MPa)

    DRB-4S/%p2 d/MPap7 d/MPap14 d/MPap28 d/MPa
    1044.650.751.252.2
    1545.455.356.158.2
    2044.145.653.257.3
      注:水泥浆配方:G级水泥+50%混掺石英砂+DRB-4S+
    3%矿物纤维+分散剂+降失水剂+缓凝剂+水
    下载: 导出CSV

    表  4  DRB-4S对水泥石孔隙率及渗透率的影响

    DRB-4S/
    %
    孔隙率/%渗透率/mD
    2 d7 d28 d 2 d7 d28 d
    035.236.940.20.0200.0320.043
    1028.930.130.60.0050.0060.006
      注:水泥浆配方:G级水泥+50%混掺石英砂+DRB-4S+
    3%矿物纤维+分散剂+降失水剂+缓凝剂+水
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-09-30
  • 修回日期:  2021-11-15
  • 刊出日期:  2022-05-06

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