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油井用复合低温早强剂的制备与性能研究(第一部分)

摘要

针对低温环境导致水泥浆强度发展缓慢的难题,本文合成了C-S-H早强晶种,并将其与Li2CO3、Na2SO4、NaAlO2共混制备了一种适用于深水低温环境的油井水泥早强剂。首先,采用FT-IR、XRD、EDS与SEM分析了C-S-H早强晶种的化学组成、结构与微观形貌;其次,对复合低温早强剂的早强性能进行了研究。结果表明:5℃下,低温早强剂的早强效果显著,将水泥石8h、12h、24h的抗压强度由0MPa提升至0.6、0.8、1.4MPa。早强机理分析结果表明:低温早强剂中的C-S-H早强晶种的成核作用与Na2SO4、NaAlO2、Li2CO3共同作用,加速了水化诱导期水化颗粒表面不渗透膜的破裂,使水泥浆水化诱导期提前结束进入加速阶段,从而提高低温下水泥石的早起抗压强度。

 

深水油气资源已成为常规油气资源最重要的战略接替资源。深水油气开发由于其特殊的环境,如水深、地层结构、天气条件、油田设施的缺乏等,使得开发过程更加复杂。在油气资源开发过程中,深水固井技术是深水油气资源产能释放的重要保障。深水固井面临低温、低裂缝梯度、浅流风险和天然气水合物等各种挑战,这些挑战直接影响着固井安全和质量。在这些恶劣的因素中,低温是深水固井最严峻的挑战,海底泥线温度约为4℃,这导致水泥石强度发展缓慢。低温环境严重影响水泥浆的水化进程,继而影响水泥石的强度发展,不能产生相应强度稳固套管,影响整个钻井施工的作业安全。

目前,加入早强剂是提高深水低温固井水泥浆早期强度的主要方法,但传统早强剂存在水泥石后期强度低、收缩增大、耐久性差等问题。Na2SO4、NaAlO2、Li2CO3等早强组分早强效果显著,对混凝土后期强度及耐久性能影响较小,且复合型早强剂能较好地协调发挥单一组分的早强性能。在0~5℃的深水低温环境下,早强剂的研究及应用相对较少,且低温早强效果有限,低温下早强剂的作用机理及其对水泥浆性能影响的研究也较少。

针对传统早强剂早强效果的不足,本文合成了C-S-H早强晶种并分析了其化学组成、结构与微观形貌。将该C-S-H早强晶种与Li2CO3、Na2SO4、NaAlO2作为原材料,制备出了一种适用于深水低温环境的油井水泥早强剂ZQ-1,并研究了其增强性能及增强机理。

 

1. 实验部分

1.1 仪器与试剂

WQF520型傅里叶红外光谱仪;

X’Pert MPD PRO型X-射线衍射能谱仪;

GENESIS XM型能量色散X-射线光谱仪;

Quanta 450型环境扫描电子显微镜;

NYL-300型压力试验机。

 

G级油井水泥,四川嘉华企业股份有限公司;

降失水剂G80L分散剂(减阻剂)F41L,天津中海油服油田化学有限公司;

其余所用试剂均为分析纯。

 

1.2 C-S-H晶种的制备

将Na2SiO3、9H2O和Ca(NO3)2·4H2O配制成1mol/L的溶液;

量取100mL Ca(NO3)2溶液倒入三口烧瓶中,滴加适量NaOH溶液,将溶液调节至pH>11;

于60℃、1200r/min搅拌速度下滴加100mL Na2SiO3溶液,滴加速度为60滴/min,滴毕,反应7d。

用无水乙醇洗涤,抽滤,于60℃干燥2d得到C-S-H早强晶种。

 

1.3 低温早强剂ZQ-1的制备

采用正交实验,以Na2SO4、NaAlO2、Li2CO3与C-S-H早强晶种作为原材料,制备出复合低温早强剂ZQ-1。ZQ-1的组分为2%Na2SO4 + 0.2%NaAlO+ 4%Li2CO+ 2% C-S-H早强晶种。

 

1.4 水泥浆的制备

按GB/T 33294-2016《深水油井水泥试验方法》制备水泥浆体系,配方如表1所示。

表1.png 

 

1.5 抗压强度测试

将水泥浆倒入50x50x50mm的立方体水泥测试模具中;每个实验组制作3个平行试样;放入低温养护箱中,分别养护8、12、24和36h后进行抗压强度测试。

 

2. 结果与讨论

2.1 C-S-H早强晶种的表征

(1)FT-IR

图1为C-S-H早强晶种的FT-IR谱图。由图1可知,400~1000cm-1处特征峰非对称和对称的Si-O键吸收峰,441cm-1与663cm-1处特征峰为Si-O-Si的弯曲振动吸收峰;C-S-H早强晶种结构中的(Si-O)Q1和(Si-O)Q2的特征峰位于804cm-1和962cm-1,说明合成的C-S-H早强晶种结构中硅氧四面体主要为Q1和Q2两种聚合形态,且所合成C-S-H凝胶中的硅氧四面体主要为长链状;1637cm-1,3000~3700cm-1处特征峰为羟基的伸缩振动吸收峰。

Fig 1 图1.png 

 

(2)XRD

图2为C-S-H早强晶种的XRD谱图。由图2可知,C-S-H早强晶种的衍射峰在30°附近出现强而尖锐的衍射峰和低强度衍射峰,其余为相对分散的特征峰。低角度的衍射峰为C-S-H早强晶种的层状结构衍射峰,表明合成的C-S-H晶种具有一定有序性。比较标准光谱发现C-S-H主要为凝胶结构,在光谱中未发现反应物的明显衍射峰,因此C-S-H凝胶纯度较高。

Fig 2 图2.png 

 

(3)EDS

图3和表2为C-S-H早强晶种的EDS谱图和元素分析结果。由图3和表2可以看出,C-S-H早强晶种中包括钙、硅、氧元素;Si含量为8.59%,Ca含量为8.09%,因此Ca/Si=8.09%/8.59%≈0.94。


Fig 3 图3.png 

 

(4)SEM

C-S-H早强晶种的SEM照片如图4所示。从图4可以看出,C-S-H早强晶种多为团聚状、无定形、无规则的凝胶态结构,在微观形貌为层叠堆积状,堆叠结构较为致密,且表面附着无规则的聚集体颗粒;C-S-H早强晶种表面粗糙,具有凹凸不平的突起,具有较大的比表面积,有利于C-S-H早强晶种发挥成核作用。

Fig 4 图4.png 

 

2.2 低温增强性能

表3为养护时间8~36h,养护温度5℃,不同加量ZQ-1下水泥石的抗压强度。由表3可知,随着早强剂ZQ-1掺量的增加,水泥石在8h、12h、24h以及36h时抗压强度相比于空白水泥石均有所提高。当ZQ-1掺量为5%时,各养护龄期下水泥石抗压强度均达最大,分别为0.6、0.8、1.4、2.4MPa。

表 3.png 


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