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三高条件对弹韧性水泥浆性能的影响及短期腐蚀机理

于林 谭慧静 任阳 刘思艳 叶有

于林,谭慧静,任阳,等. 三高条件对弹韧性水泥浆性能的影响及短期腐蚀机理[J]. 钻井液与完井液,2023,40(2):222-232 doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2023.02.011
引用本文: 于林,谭慧静,任阳,等. 三高条件对弹韧性水泥浆性能的影响及短期腐蚀机理[J]. 钻井液与完井液,2023,40(2):222-232 doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2023.02.011
YU Lin, TAN Huijing, REN Yang, et al.Study on the influence of elastic toughness cement slurry performance and short-term corrosion mechanism under HPHTHS conditions[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid,2023, 40(2):222-232 doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2023.02.011
Citation: YU Lin, TAN Huijing, REN Yang, et al.Study on the influence of elastic toughness cement slurry performance and short-term corrosion mechanism under HPHTHS conditions[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid,2023, 40(2):222-232 doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2023.02.011

三高条件对弹韧性水泥浆性能的影响及短期腐蚀机理

doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2023.02.011
基金项目: 国家自然科学基金青年项目“基于温敏聚合物的地热井暂堵型高透水固结材料研究”(41902322);中国石油西南油气田分公司川东北气矿“川东北高含硫气井完整性评价技术研究”(JS2021-101)
详细信息
    作者简介:

    于林,高级工程师,1982年生,毕业于西南石油大学石油工程专业,现在从事油气田开发生产管理工作。电话(0818)2699765;E-mail:yulin10@petrochina.com.cn

    通讯作者:

    谭慧静,副教授,硕士生导师。E-mail:tanhuijing18@cdut.edu.cn

  • 中图分类号: TE256.6

Study on the Influence of Elastic Toughness Cement Slurry Performance and Short-term Corrosion Mechanism under HPHTHS Conditions

  • 摘要: 针对固井水泥石所处的高温高压含H2S/CO2腐蚀环境以及复杂工况,开展三高条件下弹韧性水泥浆的性能变化及短期腐蚀机理研究。基于弹韧性外掺料的3种主要类型,采用向G级油井水泥中分别加入10%橡胶粉末、0.3%玄武岩纤维以及10%丁苯胶乳的方式制备弹性水泥浆。通过力学性能测试、XRD、FTIR、MIP及SEM-EDS测试,分析弹韧性材料添加前后及腐蚀前后,水泥石的力学性能、孔径分布、水化产物类型及微观结构变化。结果表明,掺入3种弹韧性材料均有利于水泥石的脆度系数降低、韧性提高,其中玄武岩纤维最利于控制材料破坏时裂缝的发展,而丁苯胶乳最利于降低材料的弹性模量和保持较大的抗折强度。经过短期液相腐蚀后,水泥试样的力学强度均出现增长,特别是掺入玄武岩纤维和丁苯胶乳的试样。玄武岩纤维在该研究中的腐蚀条件下性能稳定,腐蚀反应生成的致密碳酸钙晶体堆积于玄武岩纤维与水泥基质界面孔隙处,引起了腐蚀后材料总孔容的减小及力学强度的大幅度增长。丁苯胶乳在水泥石中形成聚合物膜,覆盖及包裹水泥基质,可提高复合水泥表面的耐腐蚀性能。

     

  • 图  1  腐蚀前各水泥试样的抗压强度测试破坏形态

    图  2  水泥试样腐蚀前(a)与腐蚀后(b)的抗压强度应力-应变曲线

    图  3  试样腐蚀前(a)后(b)的XRD谱线

    图  4  试样腐蚀前(a)后(b)的FTIR谱线

    图  5  各组试块腐蚀前(a)后(b)孔径分布

    图  6  各组试块腐蚀前(a)后(b)孔径累计孔体积

    图  7  油井水泥腐蚀前(a)、(b)  后(c)、(d)的微观形貌

    图  8  掺10%橡胶颗粒水泥石腐蚀前后微观形貌及能谱结果

    注:图(a-c)为腐蚀前的,图(d-f)为腐蚀后的,图(g)和图(h)分别为腐蚀前、后的能谱扫描Mapping图,图(i)为腐蚀前后EDS谱线对比图

    图  9  掺0.3%玄武岩纤维水泥石腐蚀前后微观形貌以及能谱结果

    注:图(a-c)、图(d-f)分别为腐蚀前、后的微观形貌,图(g)和(h)分别为腐蚀前、后的能谱面图,图(i)为腐蚀前后谱线对比图

    图  10  掺10%丁苯胶乳水泥石腐蚀前后微观形貌

    表  1  弹韧性水泥浆实验配方

    配方油井
    水泥/g
    橡胶
    颗粒/g
    玄武
    岩纤维/g
    丁苯
    胶乳/g
    消泡
    剂/g
    稳定
    剂/g
    水灰比
    1#1000000000.44
    2#100010000000.44
    3#1000030000.44
    4#100000100330.44
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    表  2  试块腐蚀前后的力学性能

    试块抗压强度/
    MPa
    抗折强度/
    MPa
    弹性模量/
    GPa
    脆度系数
    1-A39.576.526.896.07
    2-A16.244.631.403.51
    3-A21.475.392.313.98
    4-A15.495.651.352.74
    1-B46.947.317.046.42
    2-B18.535.241.573.54
    3-B29.126.673.224.37
    4-B21.346.821.463.13
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    表  3  试样腐蚀前后压汞数据统计

    试块总孔容/
    mL·g−1
    平均孔径/
    4V/A
    中间孔径 V/
    nm
    中间孔径 A/
    nm
    1-A0.217940.788.115.2
    2-A0.2246118.5303.944.9
    3-A0.224143.515.796.0
    4-A0.161669.769.657.9
    1-B0.186832.570.212.7
    2-B0.229942.5122.913.9
    3-B0.185930.563.312.9
    4-B0.210030.456.514.5
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-12-09
  • 修回日期:  2023-01-06
  • 刊出日期:  2023-03-30

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