【论文】固井理论与技术研究团队在深层油气固井和水泥材料水化机理领域研究取得新进展

作者：赵晓燕单宝来发布者：宋爽发布时间：2021-09-24 访问次数：759

近日，我校石油工程学院固井理论与技术研究团队在深层油气固井和水泥材料水化机理领域研究取得新进展，相关研究成果先后发表在水泥材料领域排名首位的顶尖期刊Cement and Concrete Research上，中国石油大学（华东）为唯一署名单位,庞学玉教授为第一作者和通讯作者。该成果得到国家自然科学基金面上项目、国家海外高层次人才引进项目和中国石油大学（华东）人才引进项目资助。

题为《加砂固井水泥体系长期强度衰退：综合多角度分析》（Long-term Strength retrogression of silica-enriched oil well cement system: a comprehensive multi-approach analysis）的成果发表在Cement and Concrete Research上。

图1加砂固井水泥体系长期强度衰退：综合多角度分析

由于井下高温高压环境，固井水泥材料高温强度衰退问题是深层固井面临的最大难题之一。随着石油工业的发展，人们逐渐开发出各种抗高温固井水泥体系。然而，目前国际上对水泥材料的高温强度衰退机理认识仍然不够清楚，尤其是对200°C以上超高温成型条件下水泥石长期强度变化规律和驱动机制认识不足，因此，适用于深井、超深井的抗高温固井水泥体系设计存在很大的不确定性。研究团队通过使用自主研发的固井水泥高温高压原位养护成型实验设备，针对200°C超高温成型条件下固井水泥长期强度衰退规律开展了系统研究。通过水泥石物理力学性能测试，发现目前国际上通用的抗高温加砂固井水泥体系高温养护142天后强度衰退高达80%，渗透率更是呈数量级增长；最终，团队通过XRD矿物成分、热重、压汞孔隙分布、SEM电镜图像等多个角度分析并揭示了高温成型水泥石长期强度衰退机理，为抗高温固井水泥设计提供了理论指导。

题为《15至95°C区间水泥水化动力学研究》（Cement hydration kinetics study in the temperature range from 15°C to 95°C）的成果发表在Cement and Concrete Research上。

图2 15至95°C区间水泥水化动力学研究

硅酸盐水泥材料作为目前全球用量最大的工程材料，其发明和应用已有近两百年的历史。但由于水泥材料化学成分的复杂性，人们对其水化机制的认识仍然远远不足。水化动力学是水泥材料领域最为基础的研究，也是研究水泥水化机制最常用的手段之一。固井水泥作为一种特种硅酸盐水泥，其应用环境远比普通硅酸盐水泥复杂，尤其是温度范围广，可低至零°C以下，亦可高达200°C以上。因此研究温度对水泥水化动力学的影响，对认识固井水泥工程性能发展规律和对固井施工及固井质量的影响至关重要。研究团队针对各种不同硅酸盐水泥开展了15°C至95°C大温度范围内水化动力学研究，这是国际上首次针对60°C以上高温环境开展系统探讨；团队通过等温量热、震荡等温量热和差式扫描量热等实验手段揭示了温度对水泥水化速率的影响规律，并建立了相应水化动力学模型对不同温度下的水化规律进行了准确模拟。固井水泥100°C以上水化动力学规律研究正在进行中。目前研究团队配置了法国塞塔拉姆微反应量热仪，是国内首个具备固井水泥高温高压水泥水化动力学测试能力的单位。

Cement and Concrete Research致力于发表水泥材料领域最优秀的研究成果，尤其专注于基础研究领域，享有极高的学术声誉。

经过多年发展，固井理论与技术研究团队形成了以钻井工程、化学、材料、力学等多学科协同创新的高水平研究团队，现有教授3人、副教授3人和讲师1人，全日制博士生18人，硕士生37人。近年来针对深水、深层、非常规油气复杂地层注水泥顶替、水泥浆体系、水泥环完整性控制方法开展了系列研究，建立并形成了深水浅层固井技术、深层抗高温固井技术、非常规页岩油气水平井固井技术，固井水泥水化机理理论与技术，研发了低温早强防窜水泥浆体系、抗高温水泥浆体系、低渗高弹韧性水泥浆体系，并进行了现场应用。近五年承担国家级项目12项，横向课题60余项，在SPE Journal、Cement & Concrete Composites，Construction and Building Materials，Journal of Petroleum Science and Engineering等国内外知名期刊发表论文100余篇，授权国家发明专利30余件，出版专著1部。研究成果获省部级一等奖2项、二等奖2项、三等奖6项。