高温地热井微珠超低密度水泥的研究

【摘要】：高温地热井井内温度较高，固井作业时，高温会造成水泥石强度衰退和水泥浆稠化时间变短等问题的发生。另外，许多地热井内的地层为典型的裂隙构造，破裂压力较低，易引起漏失状况的发生。在固井时，水泥浆的漏失是一项非常严重的问题，造成固井成本的大量增加，在某些漏失严重的地区，使用普通的低密度水泥固井已经无法满足技术需求。还有在使用欠平衡钻井技术配套固井时，也要使用超低密度水泥浆，有些地层甚至要求水泥浆密度低至1.0g/cm3。目前，国外地热井设计超低密度水泥的方法主要是向水泥中加入高强度的微珠。因此，为解决在上述地区的固井难题，开发研究了密度范围在1.0~1.4g/cm3高温地热井微珠超低密度水泥。 本文介绍了高温地热井微珠超低密度水泥设计的难点，在调研国内外相关文献的基础上，展开了对超低密度水泥各组分材料的选择。首先根据国内外地热水泥的研究应用状况，使用“G”级油井水泥和硅粉作为该超低密度水泥的基本组分。其次分析了膨润土、粉煤灰、微硅、漂珠、气体和空心玻璃微珠等常用减轻剂的物化性能及其对应的低密度水泥浆体系的研究应用状况，选择了一种国产的高性能空心玻璃微珠T46作为减轻剂。该微珠的承压能力高，价格较低，减轻作用明显，能满足超低密度水泥浆密度范围的要求。超低密度水泥的体系稳定性差，选用微硅作为充填材料，极细的微硅颗粒具有良好的填充作用，可形成更加致密的水泥石，提高超低密度水泥的强度和稳定性。 利用Andreasen颗粒连续分布模型，设计微硅和微珠的比例关系，通过试验确定微珠和微硅的需水量，确定该体系的水灰比，最后形成一套密度在1.0~1.4g/cm3的高温地热井微珠超低密度水泥浆体系。根据高温地热井深度和温度特点，分别测定了该水泥体系的稠化时间、稳定性、抗压强度和失水量等常规性能，使用X射线衍射仪和扫描电镜，分析了微珠超低密度水泥体系的水化产物和微观结构形貌。 结果表明高温地热井微珠超低密度水泥体系具有稠化时间可调、稳定性好、强度高、水泥石抗压强度高和失水量小等优点，满足高温地热井复杂的井内条件下的固井要求。水泥石物相分析和扫描电镜实验结果表明，高温地热井微珠超低密度水泥在200℃、21MPa条件下，24h后的主要水化产物为石英（SiO2）、水化硅酸钙（C6S6H2）和托勃莫来石（C5S6H5），无不良水化产物生成。结晶度较好的托勃莫来石以及微珠和水化凝胶产物间良好的胶结作用，使微珠超低密度水泥具有优良的整体性能。 【关键词】：高温地热井 空心玻璃微珠 超低密度水泥
【学位授予单位】：中国地质大学（北京）
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：P314
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 引言10-15
• 1.1 研究目的及意义10-11
• 1.2 研究内容11-12
• 1.3 技术难点12
• 1.4 研究方法和技术路线12-13
• 1.4.1 研究方法12-13
• 1.4.2 技术路线13
• 1.5 主要成果13-15
• 第2章 地热水泥和超低密度水泥研究现状15-30
• 2.1 地热水泥15-20
• 2.1.1 强度衰退机理16-17
• 2.1.2 地热水泥的研究应用现状17-20
• 2.2 低密度水泥体系20-25
• 2.2.1 普通低密度水泥体系20-23
• 2.2.2 泡沫水泥23-25
• 2.3 微珠超低密度水泥体系25-29
• 2.4 本章小结29-30
• 第3章 微珠超低密度水泥实验30-44
• 3.1 实验材料30-33
• 3.1.1 水泥30
• 3.1.2 硅粉30
• 3.1.3 空心玻璃微珠30-31
• 3.1.4 微硅31-32
• 3.1.5 外加剂32-33
• 3.2 实验仪器33
• 3.3 实验方法33
• 3.4 搅拌方法33-35
• 3.5 紧密堆积理论35-38
• 3.5.1 Andreasen 方程35-36
• 3.5.2 颗粒级配设计36-38
• 3.6 需水量实验38-40
• 3.6.1 微珠需水量38-39
• 3.6.2 微硅需水量39-40
• 3.7 配方的确定40-41
• 3.8 性能初步评价41-42
• 3.9 本章小结42-44
• 第4章 超低密度水泥性能综合评价44-55
• 4.1 稠化时间评价44-46
• 4.2 失水量评价46-47
• 4.3 游离液评价47-48
• 4.4 稳定性评价48
• 4.5 抗压强度评价48-50
• 4.6 物相分析50-51
• 4.7 微观结构分析51-54
• 4.8 本章小结54-55
• 第5章 结论与建议55-56
• 5.1 结论55
• 5.2 建议55-56
• 致谢56-57
• 参考文献57-60

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