硅酸盐水泥的高温凝固特性及深孔护壁堵漏材料研究

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深部矿产资源勘探中,孔内温度高(可达100-150℃),地层温度高,破裂压力低,钻孔孔壁易垮塌,裂隙发育,漏失严重。高温条件下钻孔的护壁堵漏问题是深部矿产资源勘探中的关键技术问题之一。水泥等无机胶凝材料作为一种重要的护壁堵漏材料,对于解决深部矿产资源勘探中的钻孔护壁堵漏技术难题具有重要作用。但是,在高温环境下,水泥基材料的高温水化过程及凝固特性会发生改变,导致浆体材料性能会发生很大的变化。水泥浆稠化时间缩短,失水量增大,水泥石抗压强度衰退等都会极大制约其护壁堵漏效果。因此,为了有效解决深部矿产资源勘探过程中的钻孔护壁堵漏难题,开展研究复合水泥基护壁堵漏材料的高温流变/凝固特性,研究一种抗高温复合水泥基护壁堵漏材料具有重要的科学意义与工程意义。研究以高温下硅酸盐水泥存在的性能缺陷为出发点,采用理论分析、ESEM和XRD的微观分析、实验研究相结合的手段,开展了硅酸盐水泥的高温凝固特性研究,研制了一种能适用于深部高温钻探护壁堵漏的新型复合水泥基材料。具体有如下研究:(1)对普通硅酸盐水泥(P.O32.5)和G级油井水泥的不同温度(25℃、100℃、150℃)性能进行测试对比分析,发现G级油井水泥的高温性能较之P.O32.5水泥更加优良;采用ESEM和XRD的微观分析方法,对不同温度下养护至72h的P.O32.5水泥和G级油井水泥微观形态进行对比分析,发现温度的增加具有双面性,既能促进硅酸三钙(C3S)、硅酸二钙(C2S)、铝酸三钙(C3A)和铁铝酸四钙(C4AF)的水化反应,使其在较短时间内生成更多的C-S-H凝胶、氢氧化钙(C-H)、高硫型水化硫铝酸钙(AFt)和单硫型水化硫铝酸钙(AFm),加剧C-S-H凝胶的沉淀、C-H的晶析、Aft和AFm与其他成分间的网络构建能力,也会破坏各种生成物的分子结构及相互间的粘结力。有基于此,探索了高温下硅酸盐水泥性能不足的原因所在,揭示了硅酸盐水泥的高温水化过程。(2)针对高温下硅酸盐水泥出现的性能不足难题,通过一系列不同含硅材料、减水剂、早强剂、纳米材料的料筛选和科学合理的正交试验,研制了一种将25%GS、4%Si O2微粉、0.2%GB减水剂、1.5%SN+0.03%SC复合早强剂、0.2%纳米Al2O3与G级油井水泥进行复配的新型高温复合水泥基材料。(3)对研制的新型高温复合水泥基护壁堵漏材料进行较为系统的性能评价。试验结果表明,复合材料具有初始流动度可控、可泵期够长、初/终凝时间及间隔合理、结石体强度够高等优良性能,能满足深部高温钻探的护壁堵漏要求。研究成果分析及评价了深部高温环境下硅酸盐水泥的凝结特性,为深部高温钻探护壁堵漏材料的改进提供了指导方向和理论基础,研制的新型高温复合水泥基材料解决了深部高温钻探的护壁堵漏难题,对深部矿产资源开发的高温钻探和同类型的护壁堵漏施工具有重要参考价值。
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