发布时间：2020-03-21所属分类：工程师职称论文浏览：1次
摘 要： 摘要低热复合储能增强材料(WY)是由不同反应活性、不同细度的功能材料通过适当级配优选后形成的特种材料，可用作10℃低温深水固井增强材料。分别以常规密度水泥浆及低密度油井水泥体系为研究对象，研究WY材料在10℃低温时对油井水泥体系的协同作用。试验结果
摘要低热复合储能增强材料(WY)是由不同反应活性、不同细度的功能材料通过适当级配优选后形成的特种材料，可用作10℃低温深水固井增强材料。分别以常规密度水泥浆及低密度油井水泥体系为研究对象，研究WY材料在10℃低温时对油井水泥体系的协同作用。试验结果表明：低密度油井水泥石的1d抗压强度随着低热复合储能增强材料掺量的增加呈现先增后减趋势，当WY掺量为20%时水泥石1d抗压强度最高;同时结合其在10℃时的水化速率及水化产物组成，分析其与早强剂、减阻剂复配后对水泥水化进程的协同促进作用。WY材料与早强剂协同作用可促进低密度水泥体系的早期抗压强度，与减阻剂协同作用可降低低密度水泥体系的水化热。
关键词固井;低密度水泥浆体系;低热储能增强材料;协同作用
0引言
低热复合储能增强材料是由不同反应活性、不同细度的功能材料通过适当级配优选后形成的特种增材料，平均粒径小于10μm，比表面积大于600m2/kg。通过调控颗粒粒径和比表面积获得活化能，并借助于煅烧改变其晶相组成，从而化学潜热。超细粉磨过程使材料产生晶格畸变，导致位能增加、体系能量增高;功能材料表面离子和晶体缺陷，生成不饱和基团、自由离子和电子，从而提高其化学活性，能够在较低温度下加快水泥浆体水化速率;而煅烧活化使材料中的硅氧、铝氧化合物、钙氧化合物反应活性增大，从而使其在水泥水化初期迅速参与反应。低温时水泥体系中的复合储能增强材料会在水化反应中缓慢释放活化能与化学潜热，从而逐渐加速水泥水化速率，而不是快速集中反应。
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低热复合储能增强材料的合理粒径分布使其不仅具有适宜反应活性，而且会增加水泥浆体的水化反应表观活化能。随着水泥体系中超细活性材料掺量的增加，水泥浆体水化反应表观活化能也随之增加，从而促进水泥体系的早期水化，而且能够为水泥体系在水化初期提供更多的成核位点，起到填充作用，使得水泥石早期结构更为紧密[1-3]。此外，通过在低密度油井水泥体系中内掺部分复低热合储能增强材料，能够降低水泥体系的水化热，减少集中放热。
本文基于低密度油井水泥体系，对比研究不同内掺量下复合储能增强材料对低密度油井水泥体系密度、流动度、初终凝、抗压强度、水化速率、水化产物等的影响，分析其与早强剂、减阻剂对水泥浆水化进程的协同促进机理，并验证其在10℃低温环境时与早强剂协同促进早期抗压强度、与减阻剂协同促进降低水化热的效果。
1实验仪器及材料
试验所使用仪器设备与材料如表1所示。实验材料包括：山东G级油井水泥;空心玻璃微珠HGS38(蚌埠);HSA早强剂(天津);减PW1010减阻剂(苏州);中海油PC-G86L降失水剂;低热复合储能增强材料WY(南京)。WY的化学成分及粉体参数如表2所示，粒径分布如图1所示，微观形貌如图2所示。
从表1可知，低温复合储能增强材料的主要元素组成为Si、Al、Ca、Fe等，其粒径分布在1～10μm(见图1)，远低于油井水泥颗粒粒径(30μm)，颗粒呈现不规则碎片、片层状、均匀球体等多种微观形貌，且分布均匀(见图2)。
2低热复合储能增强材料的协同作用研究
低热复合储能增强材料如果掺量过大必会影响水泥石抗压强度，当其掺量控制在40%以内时会有利于水泥石强度发展。因此，分别试了WY材料在内掺10%、2
0%、30%和40%时对油井水泥净浆及低密度油井水泥综合体系的基础性能、抗压强度和水化热性能的影响，并结合水化产物成分分析研究WY材料与早强剂、减阻剂的协同作用机理。低密度油井水泥体系中不仅内掺了WY材料、同时外掺10%的HGS38空心玻璃微珠以降低水泥浆体系密度，而且还针对低密度油井水泥体系在10℃时抗压强度发展缓慢的特点，外掺1.5%的HSA早强剂以改善低温抗压强度，外掺0.3%的PW1010减阻剂以改善浆体流动度、兼顾降低体系水化热，外掺4%的降失水剂PC-G86L以改善水泥浆的滤失量，其配方如表3所示。
2.1基础性能
根据表4配比，按照API规范10B-2配浆，基础性能评价结果如表4所示。随着WY材料掺量的逐渐增加，常规密度水泥浆体系与低密度水泥浆体系的密度均降低，常规密度水泥浆的初凝时间逐渐延长，而低密度水泥浆体系的初凝时间则先缩短后延长，说明WY材料在低密度水泥浆体系中能够通过促进水化加速浆体凝固。
2.2抗压强度
按照表3配比分别配置常规密度水泥浆与低密度水泥浆体系，浆体在10℃条件下成型(模具尺寸φ25.4mm×25.4mm)养护1d后脱模，脱模试件放入10℃恒温恒湿箱中继续养护，并分别于1d、2d、3d、7d取出测试抗压强度。评价结果如表5所示。
由表5可以看出，在常规密度水泥浆中，随着WY材料掺量的增大，水泥石的1d抗压强度先增后减。相比净浆G，内掺10%WY的G-10抗压强度增加了60%，内掺20%WY的G-20增加了10%，而内掺30%WY的G-30降低了20%，说明内掺适量WY材料能够提升水泥石1d抗压强度。可见内掺10%的WY材料对常规密度水泥浆抗压强度提升效果最好。
在低密度水泥浆体系中，随着WY材料掺量增大，水泥石的1d抗压强度也先增后减。，与低密度水泥浆体系GD相比，内掺10%WY的GD-10抗压强度增加了34%，内掺20%WY的GD-20增加了45%，而内掺30%WY的GD-30降低了22%，说明适量内掺WY材料能够提升水泥石1d抗压强度，可见内掺20%WY材料对低密度水泥浆体系的抗压强度提升效果最好。
由于低密度水泥浆体系的1d抗压强度普遍低于常规密度水泥浆(GD的1d抗压强度比G降低56%)，因此，在低密度水泥浆体系中需要加入早强剂提升早期强度。为了更好地反映WY材料掺量对水泥石抗压强度的影响趋势，根据表5绘制了抗压强度变化趋势(见图3)。
由图3可知，在常规密度水泥浆中，随着WY材料掺量增大，水泥石各龄期的抗压强度呈现先增后减的趋势;而在低密度水泥浆体系中，随着WY材料掺量的增大，水泥石各龄期的抗压强度呈现先增后减再增的波浪形趋势，两者变化趋势相似。其中常规密度水泥浆在1d、2d抗压强度最高点时WY的掺量为10%，3d、7d的抗压强度最高点时WY的掺量为20%;而低密度水泥浆体系在1d、2d、3d的抗压强度最高点时WY的掺量为20%，7d的抗压强度最高点时WY掺量为10%。
为了研究10℃下早强剂与WY材料对低密度水泥浆体系早期抗压强度的协同作用，分别去掉了GD与GD-20配方中的早强剂得到配方GD-A与GD-20A，并测试抗压强度，实验结果如表6所示。
由表6可知，相比GD-20，未掺早强剂的GD-20A、未掺WY的GD、未掺早强剂和WY材料的GD-A的1d抗压强度均下降，其中GD-20A下降了44%，GD下降了31%，GD-A下降了69%，说明在低密度水泥浆体系GD-20配方中缺少早强剂与WY材料中的任意一种均会降低其抗压强度，同时也说明在该体系中WY材料与早强剂复配，才能够起到协同促进体系早期抗压强度的作用。
2.3水化热性能
使用TAMAir等温量热仪研究了低密度水泥浆体系GD、GD-10、GD-20、GD-30、GD-40在10℃下的水化速率及水化热。通过比较不同WY材料掺量的低密度水泥浆体系水化速率间的差异，研究低温下WY材料对低密度水泥浆体系水化进程的促进作用，从而考察WY材料与减阻剂PW1010共同降低水泥浆体系水化热的协同作用，水化热测定结果如表7所示，水化反应速率曲线如图4所示。
由表7可知，随着WY材料掺量增加，低密度水泥体系的1d、2d、3d水化热均逐渐降低。从图4中发现，随着WY材料掺量增加，低密度水泥浆体系的水化速率并非单纯地降低，相比GD的水化速率而言，内掺10%WY的GD-10的水化诱导期缩短、初期水化速率明显加快，其原因在于：掺有适量WY材料的低密度水泥体系中，WY材料中储存的活化能分步释放，为水泥浆早期水化提供能量，加速水化诱导期，提高水化速率，从而促进了早期抗压强度的提升。而随着WY掺量的增加、因水泥熟料减少，水化速率开始逐渐降低，并导致水泥石早期抗压强度的逐渐下降。
由于低密度水泥浆体系中WY材料与减阻剂PW1010均能降低体系水化热，为了研究10℃下该减阻剂与WY材料复配后对降低密度水泥浆体系水化热的协同作用，分别去掉了GD-20配方中的WY材料与PW1010减阻剂得到配方GD与GD-20B，并分别测试10℃下体系的水化热，测定结果如表8所示，水化反应速率曲线如图5所示。表8复合储能增强材料水泥体系的水化热(J/g，10℃)样品1d2d3dGD37.2077.89106.63GD-20B66.89106.10132.07GD-2029.9958.7685.60图5低热复合储能增强材料水泥体系的水化速率 由表8可知，配方GD与GD-20B的1d水化热均增加，相比GD-20的1d水化热，GD增加了24%，GD-20B增加了123%，说明在低密度水泥浆体系中WY与PW1010减阻剂均起到了降低水化热的作用。从图5也可以看出，GD-20B的早期水化速率相比GD-20大幅增加，其水化速率峰值增加了130%，说明PW1010减阻剂能够大幅降低低密度水泥浆体系的早期水化速率，避免集中放热。而GD的早期水化速率相比GD-20小幅增加，且水化速率变化趋势基本一致，说明WY材料的掺入能够在保持体系水化速率基础上降低水化热。故在该体系中WY材料与PW1010减阻剂能够协同作用降低体系的早期水化热。
2.4水泥石水化产物分析
将配方G、G-20、GD-20成型后经1天10℃低温养护后终止水化以研究水泥浆早期水化产物，使用日本理学的X射线衍射仪对水化产物进行成分分析，X衍射图谱如图6所示。
由图6可以看出，G、G-20、GD-20的水化产物中均存在大量CSH凝胶(水化初期其结晶度差，XRD难以检出)、Ca(OH)2及未水化的C2S和C3S，与油井水泥净浆G的水化产物相比，G-20、GD-20的水化产物中都存在更多Ca(OH)2及未水化的C2S和C3S，同时还存在AFt，说明掺入WY材料增加了水化反应速率，尤其是产物AFt对水泥石早期强度贡献很大，因此WY材料的掺入促进了水泥石低温早期抗压强度的发展。
3结语
(1)由不同反应活性、不同细度的功能材料通过适当级配优选后制备了适用于低温深水固井的低热复合储能增强材料WY，WY材料能够在水泥水化反应过程中分级释放活化能与化学潜热，从而促进低温水泥水化进程。
(2)在低密度水泥体系中，10℃时低热复合储能增强材料WY能够与HSA早强剂协同促进增强水泥石的1d抗压强度、与PW1010减阻剂协同降低水泥浆体系的水化热，实现了低温早强低水化热的技术目标，提高了低温低水化热低密度水泥体系的综合技术性能。
SCISSCIAHCI
