【正文】 I 西 南 石 油 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 論文題目： 一種低溫固井水泥漿 體系 研究 摘 要 深水地區(qū)是未來全球石油戰(zhàn)略重點(diǎn)接替區(qū)域，加快深水油氣資源開采是我國能源發(fā)展規(guī)劃、自主創(chuàng)新規(guī)劃的重點(diǎn)內(nèi)容。深水固井技術(shù)是深水油氣鉆完井的關(guān)鍵技術(shù)之一，其地位和作用越來越是受到重視，而我國在深水固井技術(shù)研究方面仍是一片空白，本研究就是為適應(yīng)我國油氣資源戰(zhàn)略而進(jìn)行的前沿性應(yīng)用基礎(chǔ)研究。針對固井面臨的低溫、淺層水 氣流動(dòng)等問題，論文開展了低溫固井水泥漿體系研究。 針對 G 級水泥在低溫下水化緩慢、早強(qiáng)強(qiáng)度發(fā)展遲滯 特點(diǎn)，采用一種堿激發(fā)礦物 — 偏高嶺土，通過復(fù)配方法研究出一種 MK/G 固井水泥漿體系。偏高嶺土作為一種在國內(nèi)新興起來的高效火山灰活性的水泥外摻料，具有高強(qiáng)高性能的特點(diǎn)。發(fā)現(xiàn)該體系水化產(chǎn)物主要有鈣礬石 AFt、 CSH、 CASH凝膠和少量 Ca(OH)2，體系 AFt 晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。測試表明 MK/G 水泥漿稠化時(shí)間適當(dāng)，水泥石早期強(qiáng)度高、抗腐蝕性能好、長期力學(xué)性能穩(wěn)定和體積微膨脹。 依據(jù) MK/G 固井水泥漿水化機(jī)理和不同離子對硅酸鹽水泥水化影響規(guī)律，通過正交試驗(yàn)復(fù)配出一種針對該體系的低溫早期劑。測試表明該早強(qiáng)劑對水泥 初始稠度無影響，能明顯縮短稠化時(shí)間，顯著提高水泥石早期強(qiáng)度，具有較好促凝效果。 以上述研究為基礎(chǔ)，按常規(guī)低密度水泥漿制備方法，開發(fā)出密度為 ～ 系，其低溫早期抗壓強(qiáng)度和稠化試驗(yàn)均能滿足施工要求。 關(guān)鍵詞 ： 深水固井 ； 低溫早強(qiáng) ； 偏高嶺土 ； 早強(qiáng)劑 II Abstract Deepwater region is one of the important replacements for the future global oil strategy. Speeding up the deepwater hydrocarbon resource exploitation is the main purpose in the energy resource development plan in China. Deepwater cementing technology is one of the key technologies in deepwater oil and gas well drilling and pletion. Its strategic role and contribution is attraction more and more attention. Research on the deepwater cementing technology in China, however, is still on a preliminary stage. The precedent applicable and fundamental research in the dissertation is just conducted to meet the requirements of domestic oil and gas resource development strategy. Aiming at the concerned problems in deepwater such as the low temperature, shallow watergas flow, and so on, related research was carried out on the low temperature cement. Aiming at the characteristics of slow hydration and sluggish development of early strength of Gclass at lowtemperature, an alkaline mineral metakaolin was used. A new MK/G slurry system was developed by mixed methods. Metakaolin as a new high efficiency in the domestic activity of cement mixed with volcanic ash material has high strength and highperformance features. The main hydration products of cement are found to be AFt, CSH gel and a small amount of Ca(OH)’s structure are stability. Tests show that the MK/G slurry has appropriate thickening time, high early strength and good corrosion resistance, longterm stability of mechanical properties and minute volume expansion. According to MK/G well cement hydration mechanism and influence law of different ions on the hydration of Portland cement, an early strength agent was developed by orthogonal test. Test indicates that the early strength agent has no affected on the initial consistency, obvious shorten the thickening time, significantly improved the early strength and has good procoagulant effect. Based on the above research, using the conventional preparation method for lowdensity cement slurry, a lightweight cement slurry system with a controllable density range from developed for deep water cementation. Its early pressive strength and thickening test could meet the cementing requirements. Key words: deepwater cementing, low temperature and high early strength, metakaolin, hardening accelerator III 目 錄 摘 要 I Abstract II 第 1 章 緒論 1 研究背景 1 研究意義 2 研究現(xiàn)狀 3 國外研究現(xiàn)狀 3 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 5 低溫早強(qiáng)劑研究現(xiàn)狀 5 研究目標(biāo)、思路及研究內(nèi)容 6 研究目標(biāo) 6 研究思路 6 研究內(nèi)容 6 第 2 章 偏高嶺土對 G 級水泥性能的影響和機(jī)理研究 6 引言 6 試驗(yàn)原材料 7 偏高嶺土 7 G 級水泥 8 試驗(yàn)結(jié)果與分析 9 MK 對 G 級水泥凝結(jié)時(shí)間和流動(dòng)度的影響 9 MK 對 G 級水泥的抗壓強(qiáng)度影響 10 pH 值 MK/G 水泥體系的抗壓強(qiáng)度影響 12 MK/G 水泥的體積變化規(guī)律 13 MK 對 G 級水泥滲透率的影響 14 不同溫度下 MK 對 G 級水泥抗壓強(qiáng)度影響 14 MK 對 G 級水泥抗化學(xué)腐 蝕性 15 MK 對 G 級水泥長期穩(wěn)定性影響 16 MK 對 G 級水泥水化機(jī)理研究 17 與堿金屬氫氧化 物和堿金屬硅酸鹽的反應(yīng) 17 與氫氧化鈣的反應(yīng) 18 與 G 級水泥反應(yīng) 18 G 級水泥自身 的水化反應(yīng) 18 MK 的水化反應(yīng) 18 鈣礬石相的形成機(jī)理與膨脹 19 MK/G 水泥的 SEM 表征 21 本章小結(jié) 25 第 3 章 早強(qiáng)劑的優(yōu)選與復(fù)配 26 早強(qiáng)劑的性能 26 常用無機(jī)鹽早強(qiáng)劑 26 氯鹽和其它氯化物 26 硫酸鹽 26 IV 碳酸鹽 26 有機(jī)鹽早強(qiáng)劑 26 早強(qiáng)劑的優(yōu)選 26 初步優(yōu)選早強(qiáng)材料 26 加量優(yōu)選試驗(yàn) 27 復(fù)配試驗(yàn) 32 正交實(shí)驗(yàn)法 32 試驗(yàn)情況和結(jié)果分析 33 機(jī)理分析 34 水化產(chǎn)物的微觀結(jié)構(gòu) XRD 表征 36 水化產(chǎn) 物的微觀結(jié)構(gòu) SEM 表征 36 本章小結(jié) 37 第 4 章 低溫低密度早強(qiáng)水泥漿體系 38 引言 38 試驗(yàn)部分 38 試驗(yàn)材料和儀器 38 試驗(yàn)方法 38 結(jié)果與討論 38 低密度水泥漿流變性能 38 水泥漿體系的游離液和失水量 38 低密度水泥漿體系 38 水泥漿體系稠化特性 39 水泥石抗壓強(qiáng)度 41 水泥石體積變化率 41 本章小結(jié) 42 第五章 結(jié)論與展望 43 結(jié)論 43 進(jìn)一步研究問題 43 致 謝 44 參考文獻(xiàn) 45 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文 48 西南石油大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 1 第 1 章 緒論 研究背景 20 世紀(jì) 70 年代，國外油氣勘探開始涉足深水領(lǐng)域。隨著世界各國對能源需求的增加及陸上和海上淺水區(qū)油氣發(fā)現(xiàn)難度的增大，深水油氣勘探不斷升溫。目前，墨西哥灣、巴西和西非已成為世界深水油氣勘探開采的熱點(diǎn)地區(qū)。此外，西北歐、地中海以及亞太地區(qū)的許多國家也都在積極開展深水油氣勘探和開發(fā)。 1949 年海上鉆井水深僅 5米 ；到 70 年代中 期進(jìn)入 500 米 水深海域。在 1976 年，TOYALFINAELF 公司建造了 PELERIN 和 PELICAN 鉆井船，并在阿爾及利亞近海鉆了一口深水井，水深為 925 米 ，從而創(chuàng)造了第一個(gè)深水鉆井記錄。 80 年代后期深水鉆井得到快速發(fā)展，鉆 了 幾個(gè)水深突破 1000 米大關(guān) 深井 。 TOYALFINAELF 公司于 1982 年在地中海鉆了兩口深水井，水深記錄為1714 米。 90 年代深水鉆井取得突飛猛進(jìn)的進(jìn)展， 90 年代后期進(jìn)入 2020 米水深領(lǐng)域， 1999 年鉆井水深已超過 2020 米。進(jìn)入 21 世紀(jì)，深水鉆井越過 3000 米大關(guān)。 2020 年 5 月 9 日， Unocal 公司在墨西哥灣的 Alaminos Canyon903 區(qū)塊的一口探井水深達(dá)到 2953 米，創(chuàng)造了深水油氣鉆探新的水深記錄。 2020 年， ChevronTexaco 公司在墨西哥灣的 AC951 Toledo1區(qū)塊，鉆井水深達(dá) 3051 米 [1]。 隨著鉆探水深的不斷增加，“深水”這一概念也在不斷發(fā)生變化， 60 年代“深水”常指水深大于 100米的區(qū)域； 70 年代為水深大于 200 米的區(qū)域； 80 年代為水深大于 300 米的區(qū)域。目前深水區(qū)為水深大于 500 米的區(qū)域，而超深水常指水深大于 1500 米的區(qū)域 [2]。 在過去 10 年間 ,深水 (水深超過 500 米 ) 勘探和開發(fā)工作大規(guī)模開展 ,發(fā)現(xiàn)了大約 580 億桶油的油氣資源 ,超過 1995 年后全球發(fā)現(xiàn)總儲(chǔ)量的一半。盡管深水油氣發(fā)現(xiàn)增長迅速 ,但是到目前為止 ,深水油氣勘探開發(fā)仍然是一個(gè)不成熟的前沿領(lǐng)域 ,所發(fā)現(xiàn)的油氣資源還不到世界石油總量的 5% ,其中所發(fā)現(xiàn)的深水資源只有 20%左右進(jìn)入開發(fā)階段 ,投產(chǎn)的還不到 5%[3]。國外深水鉆井船的日費(fèi)一般在 20～ 30 萬美元之間 ,因此如何提高水泥漿在深水低溫條件下的性能 ,促進(jìn)水泥漿抗壓強(qiáng)度的較快發(fā)展 ,被確定為一個(gè)相當(dāng)值得重視的問題。深水固井面臨的主要困難 有以下幾個(gè)方面 [47]： (1)低溫。 世界主要的深水海域（墨西哥灣、西非、巴西）水溫梯度程逆溫非線性變化， 一般情況下海底的溫度很低 ,只有 4℃左右，如圖 11 所示 。 從圖中可以看出，在水深為 500 米后，溫度基本處于恒定，這是由于太陽光線 只能透過 500 米 內(nèi) 范圍的水深照射， 超過此深度后基本沒有光線進(jìn)行能量補(bǔ)充， 由此 造成了溫度恒定不變。 另外 ,由于洋 流的參與 ,進(jìn)一步加劇了對 海底 井中流體的冷卻作用。 圖 11 中緯度（北海）和低緯度（西非，巴西）典型的海洋溫度剖面 [5] 一種低溫固井水泥漿體系研究 2 在深水固井遇到的低溫情況下 ,常用油井水泥的水化 速度受到很大的抑制，顯著地影響了水泥石抗壓強(qiáng)度的發(fā)展。 表 11 是 G 級水泥在不同溫度下抗壓強(qiáng)度發(fā)展情況。從表中可以看出，不論是 G 級水泥還是超細(xì)水泥，隨著溫度下降抗壓強(qiáng)度下降 趨 勢明顯。 因此有必要對水泥漿體系進(jìn)行優(yōu)化 ,確保水泥漿能夠在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到一定抗壓強(qiáng)度 ,減少非生產(chǎn)時(shí)間，節(jié)約昂貴的建井費(fèi)用。 表 11 低溫對水泥漿抗壓強(qiáng)度影響 水泥 水灰比 4℃抗壓強(qiáng)