纳米材料在固井中的应用

2022-09-11

引言

纳米技术在学术领域和应用研究领域得到越来越广泛的应用。一般来说纳米材料尺寸小于100nm, 由于表面积与体积比的增加, 纳米材料具有不同于其他小尺寸材料的物理化学性质。纳米复合材料的力学和化学性能的显著改善, 使得纳米材料应用前景越来越广泛。

在钻井液和隔离液中使用纳米技术将为添加剂的发展带来革命性的变革。水泥基体中嵌有微小尺寸的弹性体, 可防止漏失与气窜, 但它们的掺入阻碍了强度的提高。通过向水泥浆中添加纳米二氧硅颗粒使该问题得到解决。本文实验表明纳米二氧化硅能提高水泥浆性能, 有助于早期强度的形成及较高抗压强度的形成, 实现持续钻进节约时间。

实验过程

混合所有浆料, 使用现行的API标准和程序进行测试, 其中干燥的添加剂与水泥混合, 液体添加剂溶于水。用水量根据密度大小进行调节。除非特别说明, 所有的测试都在190°F进行。在3000 psi下测试抗压强度, 11000 psi下进行稠化时间测试。其中使用的胶体材料是一种商品, 纳米二氧化硅分散剂粉末活性15%、粒径5-7nm, 它很稳定保质期长达六个月。胶体和纳米二氧化硅以不同的比例混合, 监测系统可监测其力学性能尤其是抗压强度的变化。在190°F时让水泥浆漏失20min测试其漏失量。

结果与分析

表1是纳米二氧化硅对抗压强度的影响。为了体现纳米二氧化硅的优势, 用微米二氧化硅作对比试验。从表1可以看出每添加0.2gal/sk的纳米二氧化硅, 强度形成速率就会从172 psi/hr增大到460psi/hr。从抗压强度—时间图的线性部分可以计算强度形成速率。不含纳米二氧化硅的成分称为控体, 水泥复合材料的最终强度是控体或控体中加微米二氧化硅的三倍。与控体相比, 含有纳米二氧化硅的水泥浆的流变性能略高, 但仍可浇注和泵送。

通常情况下, 水泥浆中含有不同的添加剂, 其大小一般是微米级。添加少量的纳米二氧化硅不能显著影响其力学性质, 因为一旦这些粒子聚集在一起就不能达到预期的效果。在搅拌水泥浆的过程中, 向其中加入纳米二氧化硅、胶体和水。由于都是纳米级物质—纳米二氧化硅颗粒和胶体颗粒有可能结合在一起, 将有利于提高早期强度。

油井水泥主要包括四种固相:C3A, C4AF, C3S和C2S。其中C3A, C4AF控制水泥的流变和凝胶过程, C3S和C2S控制水泥的抗压强度。

C3S和C2S与水相互作用时, 它们形成C-S-H凝胶、CH (氢氧化钙) 。C-S-H凝胶作为水泥粘结剂, 能巩固水泥基体, 提高水泥强度, 加入纳米二氧化硅能加速C-S-H胶结, 加速获得早期强度。此外在固相颗粒发生化学反应之前, 二氧化硅颗粒很细小能填充到固相颗粒中, 使其成为稠密的固体基质。

*H级优质水泥, 消泡剂0.05gal/sk, 稳定剂0.2gal/sk, 分散剂0.143gal/sk, 密度16.4lbm/gal, 收益率1.1ft3/sk纳米二氧化硅与其它添加剂形成协同作用, 不会干扰其它添加剂的作用。按照稠化时间和泵入时间调整缓凝剂的量, 能改进其力学性能。在泵入时间相近 (一种大约6-7小时, 另一种大约10-11小时) , 通过改变缓凝剂和纳米二氧化硅的量, 设计了两种不同的水泥浆。从这两种情况中可看出有含有纳米二氧化硅的水泥浆较控体水泥浆能形成较高的早期强度和较高的最终强度。

纳米材料对漏失量的影响。单独使用纳米材料时可以减少漏失量, 与传统防漏失剂配合使用时, 表现为协同作用, 也能辅助减少漏失量。这可能是因为它能填充水泥颗粒中的小缝隙。此外, 研究结果还表明纳米二氧化硅用量一定时, 各种温度下纳米二氧化硅的强度都有所改善, 并且这种性能不会随温度改变。由于不受温度影响, 使得这种材料能适应各种水泥浆设计方案和现场情况。