油井水泥石微裂纹遇水自愈合剂的研究

作     者：夏小龙 

作者单位：西南石油大学 

学位级别：硕士

导师姓名：彭志刚;严焱诚

授予年度：2022年

学科分类：0820[工学-石油与天然气工程] 082001[工学-油气井工程] 08[工学] 

主      题：油井水泥石 自愈合 渗透结晶 裂缝渗透率 

摘      要：油井水泥由于自身特性和投产后经历大量的生产作业所带来的生产应力会产生微裂纹而导致水泥环密封失效,影响实际生产。二次挤水泥作业修补水泥石微裂纹工序繁杂,成本和风险较高。因此自愈合技术在油井水泥应用中起着举足轻重的作用。 本文通过单因素变量法对络合剂SH合成条件进行了筛选,确定了最佳合成条件:引发剂加量为0.9%、反应时间为8 h、反应温度为60℃,并对合成产物进行了红外表征,分析结果表明单体DPA改性成功。通过在模拟水泥浆溶液中的结晶实验证明了在相同条件下SH是先于硅酸根与钙离子发生反应生成结晶沉淀,SH-钙络合物在硅酸根离子溶液的长期浸泡下,会逐渐转化为水化硅酸钙沉淀,SH被置换出来存在于溶液中,并不会被损耗,可以进行循环反应,符合学者们提出的络合-沉淀反应机理。 通过对水泥水化历程的调研和建筑领域自愈合材料的借鉴,选取了 9种活性物质,分别为络合剂SH、DPA、JJS,有机硅助剂CW、DW,活性助剂TX、RX,无机盐类活性物质CS、YS,通过配方实验,筛选出对自愈合性能影响较大的四种活性物质SH、CW、TX、YS。以水泥石7 d的裂缝封堵率作为评价指标,通过正交实验确定了自愈合剂核心物质的最优加量,得到水泥石微裂纹遇水自愈合剂的最终配方为:SH:1%,CW:2%,TX:1%,YS:5%。 对影响水泥石微裂纹遇水自愈合性能的因素进行研究。结果表明:微裂纹产生时间越早越有利于微裂纹的自愈合,掺入了自愈合剂的3 d和7 d后造缝的水泥石修复14 d后封堵率分别为100%和98.6%;微裂纹宽度对水泥石微裂纹自愈合也有较大的影响,随着裂缝宽度的增加微裂纹的封堵率下降,但加入自愈合剂的水泥石的封堵率明显大于空白水泥石;水泥石随环境温度的升高,裂缝的封堵率也逐渐升高,在40℃以上修复14 d后,封堵率大于95%;模拟水质的矿化度越高,可以与自愈合剂反应的钙镁离子越多,越有利于水泥石裂缝的自愈合。在标准盐水的养护下,水泥石在第7 d断流,裂缝封堵率为98.7%;水流压差越小,水泥石的自愈合能力越强,水流压差为0.1 MPa时,修复14 d的水泥石的微裂纹封堵率为99.7%。 对自愈合水泥浆体系进行了优化,优选的结果为:降失水剂为SWJ-1,加量1.2%,分散剂为SXY,加量0.3%,缓凝剂为SN-3,加量范围为0.1%～0.5%。测试了优化后自愈合水泥浆体系的基础浆体性能和水泥石的常规力学性能,结果表明水泥浆的基础性能和水泥石的的力学性能,均能满足固井工程现场要求。 通过宏观和微观的表征手段对自愈合产物进行分析。光学显微镜结果显示对照组微裂纹的表面有大量的白色晶体生成,完全封堵了裂缝且溢出覆盖在水泥石表面。压汞法结果显示自愈合剂的加入能降低水泥石的整体孔隙度,改善水泥石的孔隙结构。XRD的结果显示遇水自愈合剂中的活性物质可以消耗氢氧化钙,促进更多的水化硅酸钙生成,提高水泥石微裂纹的自愈合能力。SEM和EDS结果显示自愈合剂能促进大量的水化硅酸钙凝胶和AFt晶体等自愈合产物生成堆积在裂缝处,并且填充水泥石内部的孔隙,优化水泥石的孔隙结构。自愈合剂的加入能明显提高水泥石的自愈合能力,其愈合机理为多因素同时作用的循环沉淀-络合-沉淀机理。