謝兆軍,朱澤華,葉中郎,閆薇,程小偉
微硅對(duì)水泥石抗腐蝕性能影響的研究
謝兆軍,朱澤華,葉中郎,閆薇,程小偉
在油氣開采中,地層構(gòu)造中的H2S/CO2對(duì)水泥石產(chǎn)生碳化腐蝕,嚴(yán)重影響固井效果,為改善和提高水泥石在酸性介質(zhì)下的耐腐蝕性,本文在分析水泥石在含H2S和CO2條件下的腐蝕機(jī)理的基礎(chǔ)上,通過實(shí)驗(yàn)證明微硅是一種良好的填充料,可提高水泥石的密實(shí)度,從而提高其抗壓強(qiáng)度。對(duì)不同齡期的水泥石進(jìn)行腐蝕,測(cè)試腐蝕后的抗壓強(qiáng)度,分析比較純水泥、微硅水泥的抗腐蝕性能;并利用金相顯微鏡和X-衍射圖譜,觀察分析微硅的抗腐蝕原因。
水泥石;微硅;碳化;抗壓強(qiáng)度;腐蝕
油田固井的主要目的是支持套管、保護(hù)套管腐蝕、封鎖漏失或漏失帶、有沖擊載荷時(shí)保護(hù)套管等,而油氣井結(jié)構(gòu)中的水泥環(huán)就有以上作用。水泥環(huán)是套管的包被,水泥環(huán)柱的先導(dǎo)腐蝕可引起和加快套管的腐蝕和破壞。高濃度的H2S/CO2酸性液體對(duì)水泥環(huán)造成腐蝕,導(dǎo)致水泥環(huán)的強(qiáng)度降低,滲透率提高,最終使水泥環(huán)失去層間封隔的功能[1],引起套管腐蝕,降低油井壽命,造成很大經(jīng)濟(jì)損失。而提高水泥石的抗腐蝕能力主要是提高水泥石的密實(shí)度,采用的方法一是加入抗腐蝕填充材料,二是降低水泥石的滲透率。目前主要采用前者的研究方法,例如:采用沒有硬化的環(huán)氧聚合物水泥砂漿[2-5],與加入硬化劑的水泥砂漿相比,其強(qiáng)度和耐久性提高了15%;向水泥漿中加入纖維[6],其主要作用是阻止裂紋擴(kuò)展,增加韌性,使水泥石抗收縮、防腐蝕和抗?jié)B透能力增強(qiáng)。加入低鈣粉煤灰以減小水泥石的孔隙率[7]。
本文所選用的抗腐蝕填充材料是微硅。微硅的主要成分為非晶態(tài)SiO2,它具有粒細(xì)、比表面積大、活性高等特點(diǎn)。微硅平均粒徑約為0.1μm,比水泥顆粒的直徑小。細(xì)小的微硅顆粒充填在水泥石的空隙中,使水泥石變得密實(shí),滲透率下降,強(qiáng)度提高,因此能夠阻止外部腐蝕介質(zhì)侵入,達(dá)到防腐蝕的目的。此外,微硅還具有防氣竄、降低自由水、穩(wěn)定漿體等優(yōu)點(diǎn)。
水泥石腐蝕機(jī)理:
(2)H2S腐蝕
H2S溶于水后形成氫硫酸,H2S本身的電離常數(shù)比碳酸低,但當(dāng)H2S腐蝕介質(zhì)中存在CO2,其電離變大,而水泥石的所有水化產(chǎn)物都呈堿性,因此能破壞水泥石的所有成分。
水泥采用嘉華水泥廠的G級(jí)水泥,微硅來自衛(wèi)輝油井,主要成分為SiO2,分散劑為SXY-2,主要儀器設(shè)備為:XJZ-6金相顯微鏡,萬能試驗(yàn)機(jī)的型號(hào)為WDW1000,電動(dòng)抗折試驗(yàn)機(jī)為DKZ-5000型,X射線衍射儀是DX-2000型等。
(1)水泥石的制備
按研究設(shè)計(jì)的水泥漿配方配漿;水泥漿混合均勻后入模、封嚴(yán),并放入水中養(yǎng)護(hù);一段時(shí)間后取出水泥石試樣。
(2)水泥石的腐蝕
將前面做好的水泥石進(jìn)行密封、腐蝕,腐蝕后,測(cè)量抗壓、抗折強(qiáng)度,并觀察斷面。
不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間、養(yǎng)護(hù)溫度下水泥石的抗壓強(qiáng)度:
從圖2可以看出,水泥石抗壓強(qiáng)度隨溫度的升高而升高,隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加而增加,同時(shí)水泥石的孔隙隨微硅的加入量增多而減少。由于溫度的升高,短期內(nèi)水泥強(qiáng)度的增長是由于水化速率加快。微硅粉的平均粒徑只有水泥平均粒徑的1/100左右[8],可填充于水泥粒子堆積后形成的孔隙中,改善硬化水泥基材的孔結(jié)構(gòu)。在硅酸鹽水泥水化過程中,水泥與水反應(yīng)生成水化硅酸鈣(C-S-H)凝膠、氫氧化鈣和鈣礬石等水化產(chǎn)物。其中氫氧化鈣的結(jié)晶度和取向性對(duì)水泥的結(jié)構(gòu)不利,但摻入微硅粉后,微硅粉中含有的大量活性玻璃態(tài)二氧化硅會(huì)和水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣發(fā)生二次反應(yīng)生成水化硅酸鈣凝膠,這些凝膠填充于水泥水化物C-S-H凝膠空隙之中,大大提高了結(jié)構(gòu)密實(shí)度。同時(shí),微硅粉與氫氧化鈣反應(yīng),氫氧化鈣不斷被消耗又加快了水泥水化的速率。微硅粉上述功能效應(yīng)的發(fā)揮,反映在微觀結(jié)構(gòu)上則是孔結(jié)構(gòu)的改善,而孔隙率對(duì)水泥石性質(zhì)具有決定作用,孔徑分布、孔的幾何特征對(duì)水泥石性質(zhì)也有顯著影響。當(dāng)孔隙率相同時(shí),隨大尺寸孔增多,水泥石強(qiáng)度降低。
表1 不同水泥石的抗壓強(qiáng)度,MPa
表1和圖2中,5%微硅的水泥石在70℃下隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長時(shí),抗壓強(qiáng)度有一個(gè)峰值。長時(shí)間的高溫養(yǎng)護(hù),會(huì)使強(qiáng)度下降,這是因?yàn)樗酀{體中會(huì)有較大的孔隙率和粗孔結(jié)構(gòu)。根據(jù)滲流理論的水泥微結(jié)構(gòu)模型,水泥中的CSH凝膠數(shù)量多、分布廣,而且其微晶體尺寸很小,對(duì)水化產(chǎn)物結(jié)晶相、未水化粒子起粘結(jié)、機(jī)械咬合、化合吸附等一系列的物理、化學(xué)及物理化學(xué)的膠結(jié)作用,使水泥石形成一個(gè)整體并具有強(qiáng)度,可看作連續(xù)均勻相[9];而CH、AFt等晶體和未水化顆粒等由于數(shù)量少、尺寸相對(duì)較大,分散在CSH凝膠中,這些結(jié)晶相和未水化顆粒本身強(qiáng)度較高,在水泥石中可稱作分散增強(qiáng)相;未被水化產(chǎn)物填充的孔隙也分布于水化產(chǎn)物的連續(xù)相中,孔隙、微裂縫部分不具有強(qiáng)度,在水泥石中可稱作分散劣化相。而水泥石微結(jié)構(gòu)與其宏觀性能的關(guān)系可認(rèn)為是分散增強(qiáng)相、分散劣化相及連續(xù)相在其空間內(nèi)的多色滲流問題,各相在空間內(nèi)所占分?jǐn)?shù)體積變化,尤其分?jǐn)?shù)體積在滲流的臨界閾值左右變化,均在較大程度上影響到水泥石宏觀性能。
不同條件下水泥石腐蝕后的抗壓強(qiáng)度見圖3,加入微硅的水泥石腐蝕后抗壓強(qiáng)度比純水泥腐蝕后的抗壓強(qiáng)度高,并且隨著微硅量的增加,水泥石抗腐蝕能力提高。
這是因?yàn)椋海?)微硅粉的平均粒徑只有水泥平均粒徑的1/100左右,可填充于水泥粒子堆積后形成的孔隙中,改善硬化水泥基材的孔結(jié)構(gòu)。減少了水泥石的孔隙,使得腐蝕溶液與水泥接觸的面積減小,提高了水泥石的抗腐蝕能力。(2)微硅減少了CO2腐蝕水泥石中的淋濾作用。微硅消耗了水泥漿中的Ca(OH)2,生成了水化硅酸鈣凝膠,Ca(OH)2反應(yīng)的量減少,滲透率降低,提高了油井水泥的抗腐蝕能力。(3)前蘇聯(lián)對(duì)水泥幾種純水化礦物進(jìn)行了抗H2S腐蝕的研究,其中3CaO·Al2O3·3H2O很容易被H2S腐蝕,加入二水石膏能稍提高抗腐蝕性,而加入微硅,能顯著提高抗H2S腐蝕性。
圖4是水泥腐蝕前后形貌,水泥石表面產(chǎn)生裂紋,并且表面呈紅色。水泥水化產(chǎn)物腐蝕后所占據(jù)的體積比腐蝕前小,腐蝕后必然引起體積收縮而產(chǎn)生裂縫。微硅粉具有顆粒細(xì)小、比表面積大、SiO2純度高、火山灰活性強(qiáng)等物理化學(xué)特點(diǎn),將微硅加入水泥石中,由于硅灰粒子的充填作用和火山灰效應(yīng),改善了水泥石的結(jié)構(gòu),使水泥石孔隙度變小,孔隙孔徑變小,消耗了水泥漿中的Ca(OH)2,生成了水化硅酸鈣凝膠,同時(shí)還改變了水泥體系的C/S比,因此改變了水化產(chǎn)物的組成,水泥石更加密實(shí),強(qiáng)度增高,滲透率降低,抗腐蝕能力增強(qiáng)[10]。
由X射線衍射分析可知,水泥石腐蝕后,表面產(chǎn)物主要成分是 CaSO4·2H2O,水泥中含有 Ca(OH)2、Fe2O3、CaSiO3、CaSO4·2H2O等。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,加入微硅后水泥石的孔隙減少,密度增大,加入10%微硅的水泥石與加入5%微硅的水泥石相比,密度更大,強(qiáng)度更高。這是由于微硅的填充作用,減少了水泥石內(nèi)部的孔隙,使得腐蝕溶液與水泥石接觸面積減少,所以提高了水泥石的抗腐蝕能力。
(1)加入微硅能提高水泥石的最終強(qiáng)度。(2)水泥石長時(shí)間高溫養(yǎng)護(hù),也會(huì)導(dǎo)致其強(qiáng)度下降。(3)微硅加入水泥石中,由于硅灰粒子的充填作用和火山灰效應(yīng),使水泥石的孔隙度變小,孔隙孔徑變小,使其更加密實(shí),強(qiáng)度增高,滲透率降低,從而提高了油井水泥的抗腐蝕能力。
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Research on the Effect of Micro-silica on the Corrosion-resistant Performance of Cement-stone
XIE Zhao-jun,ZHU Ze-hua,YE Zhong-lang,YAN Wei,CHENG Xiao-wei
(School of Material Science and Engineering,South West Petroleum University,Chengdu 610500,Cishuan)
In the exploitation of oil and gas,H2S/CO2in the layer of earth causes carbonized corrosion to ce?ment-stone,seriously affecting the cementing result.To improve the corrosion-resistant properties of cement-stone in the acid medium and basing on the analysis of corrosion mechanism of cement-stone in the presence of H2S and CO2in this paper,it is experimentally proved that micro-silica is a kind of good fillers which increases the density of ce?ment-stone and therefore enhances its compressive strength.Corrosion was performed on the cement-stone at different ages and the compressive strength was tested after the corrosion.The corrosion-resistant properties of pure cement and micro-silica-added cement were compared.Meanwhile,metallurgical microscope and X-ray diffraction were used to analyze the corrosion-resistant reasons after the addition of micro-silica.
Cement-stone;Micro-silica;Carbonation;Compressive strength;Corrosion
TQ172.45
A
1001-6171(2011)06-0036-04
通訊地址:西南石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,四川 成都 610500;
2011-03-16;
趙 蓮
西南石油大學(xué)中青年骨干教師和西南石油大學(xué)校級(jí)青年科技基金資助項(xiàng)目(編號(hào):2007XJZ032)