纳米复合水泥浆液低温流变/凝固特性与水化过程研究

论文摘要

天然气水合物勘探开发研究是当代地球科学和能源工业的一大前沿研究课题,对于解决日趋严峻的能源短缺问题具有非常重要的意义。由于天然气水合物自身的物化特性以及赋存环境的低温高压特性,使得在冻土天然气水合物地层钻井时,井壁垮塌与浆液漏失问题比常规油气层更为突出和复杂。据资料显示,我国的冻土地层地质条件恶劣,钻井时常有垮塌或漏浆等事故发生,钻井护壁堵漏问题十分严重,严重影响了冻土天然气水合物钻探的顺利进行。针对冻土天然气水合物钻探过程中的护壁堵漏技术难题,以前期研究为基础,对纳米复合水泥浆液的低温流变/凝固特性与水化过程开展较系统的研究。研制适于冻土天然气水合物钻探护壁堵漏的纳米复合水泥浆液,对其低温流变/凝固特性进行研究,基于水化热测定、扫描电镜（SEM）及X射线衍射（XRD）分析对复合浆液的低温水化过程进行分析,探索低温环境下纳米材料对复合浆液水化过程的影响规律,构建纳米复合水泥浆液的低温水化过程模型。具体研究成果为:（1）利用硅酸盐-硫铝酸盐复合水泥的水化协同效应,试验研究了纳米复合水泥浆液的基础液。通过优选纳米材料,确定纳米Al2O3作为试验研究中的纳米材料类型,并优选早强剂和减水剂对基础液进行进一步改性。在此基础上,采用正交试验的方法研制获得纳米复合水泥浆液优化配方,其配方如下:40%P.O 42.5+60%R.SAC42.5+20%EG+0.3%Al2O3+0.07%YJ+0.6%JSS（W/C=0.6,T=-9℃）。（2）试验测试纳米复合水泥浆液在不同低温环境下的流动度、可泵期、凝结时间、抗压强度、粘度时变性等相关性能。试验结果表明,所研究的纳米复合水泥浆液各项性能满足冻土环境对护壁堵漏水泥浆液性能的要求,浆液性能优越。纳米Al2O3的掺入会显著影响复合水泥浆液的性能,主要体现在能够改善浆液的流变特性、提升浆体的抗压强度。通过测试低温条件下纳米复合水泥浆液在不同剪切速率下的剪切应力并对试验结果进行拟合,研究发现,纳米复合水泥浆液的流型用宾汉姆模式描述更为合适。所研究的纳米复合水泥浆液呈现出较为明显的“直角稠化”效果。（3）为探索浆液在低温环境下的水化行为,通过测试水化热分析了纳米复合水泥浆液的水化放热过程,采用扫描电镜分析（SEM）对水化产物的微观形貌进行观察,采用X射线衍射分析（XRD）对其主要水化产物进行分析。根据试验分析,将纳米复合水泥浆液的低温水化过程划分为起始期、诱导期、加速期、衰退期以及稳定期五个阶段。并由此构建了纳米复合水泥浆液的低温水化过程模型。研究成果对于推动复合水泥水化理论的发展和学科的交叉融合具有科学意义,同时为冻土天然气水合物钻探护壁堵漏研究提供较系统的理论基础和新的解决方案。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 前言
•   1.1 选题依据与意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 冻土天然气水合物科学钻探及钻井液研究
•     1.2.2 纳米材料对水泥基材料性能影响
•     1.2.3 水泥基材料流变凝固特性与水化过程研究
•     1.2.4 低温环境下水泥基材料性能研究
•     1.2.5 现有研究存在的不足
•   1.3 研究内容及技术路线
•     1.3.1 主要研究内容
•     1.3.2 技术路线
•   1.4 创新点
• 第2章 试验材料与方法
•   2.1 试验材料
•     2.1.1 水泥
•     2.1.2 防冻剂
•     2.1.3 早强剂
•     2.1.4 减水剂
•     2.1.5 纳米材料
•   2.2 试验仪器与方法
•     2.2.1 初始流动度及可泵期
•     2.2.2 流变特性
•     2.2.3 凝结时间
•     2.2.4 抗压强度
•     2.2.5 水化热
•     2.2.6 扫描电镜
•     2.2.7 X-射线衍射
• 第3章 纳米复合水泥浆液的研制
•   3.1 纳米复合水泥浆液的性能指标
•   3.2 基础液的确定
•   3.3 纳米材料的优选
•   3.4 减水剂的优选
•   3.5 早强剂的优选
•   3.6 纳米复合水泥浆液配方的优化
•     3.6.1 正交试验设计
•     3.6.2 试验结果与分析
•   3.7 本章小结
• 第4章 纳米复合水泥浆液低温流变/凝固特性研究
•   4.1 低温流变特性
•     4.1.1 流动度与可泵期
•     4.1.2 流变模式
•     4.1.3 粘度时变特性
•   4.2 低温凝固特性
•     4.2.1 凝结时间
•     4.2.2 抗压强度
•   4.3 本章小结
• 第5章 纳米复合水泥浆液低温水化过程研究
•   5.1 低温水化放热
•     5.1.1 水化放热温度
•     5.1.2 水化放热总量
•     5.1.3 水化放热速率
•   5.2 SEM分析
•     5.2.1 24 h养护龄期
•     5.2.2 72 h养护龄期
•   5.3 XRD分析
•     5.3.1 24 h养护龄期
•     5.3.2 72 h养护龄期
•   5.4 纳米复合水泥浆液低温水化过程
•   5.5 本章小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间取得学术成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 华绪

导师: 王胜

关键词: 冻土天然气水合物钻探,护壁堵漏,纳米复合水泥浆液,流变,凝固特性,低温水化过程

来源: 成都理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 地质学,地质学,石油天然气工业,矿业工程

单位: 成都理工大学

基金: 国家自然科学基金面上项目(编号:41672362)

分类号: P618.13;P634

DOI: 10.26986/d.cnki.gcdlc.2019.000725

总页数: 73

文件大小: 5436K

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