耐CO2腐蚀水泥浆体系研究课件.ppt
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1、,耐CO2腐蚀水泥浆体系研究,目 录,研究的目的及意义,CO2腐蚀硅酸盐水泥的机理及影响因素分析,CO2腐蚀硅酸盐水泥石热力学分析,耐CO2腐蚀水泥体系的研制,耐CO2腐蚀固井水泥浆体系的性能评价,结论及建议,耐CO2腐蚀水泥体系缓凝剂的优选及开发,耐CO2腐蚀水泥浆体系降失水剂的优选及开发,目 录,研究的目的及意义,CO2腐蚀硅酸盐水泥的机理及影响因素分析,CO2腐蚀硅酸盐水泥石热力学分析,耐CO2腐蚀水泥体系的研制,耐CO2腐蚀固井水泥浆体系的性能评价,结论及建议,耐CO2腐蚀水泥体系缓凝剂的优选及开发,耐CO2腐蚀水泥浆体系降失水剂的优选及开发,1 研究的目的及意义,目前,油气井固井使用
2、的水泥多为硅酸盐水泥。近年来,固井硅酸盐水泥石的CO2腐蚀问题倍受关注。,石油和天然气的伴生气,CO2驱油技术注入的CO2,枯竭油气藏CO2埋存技术注入的CO2,地层中的高浓度CO2,井下高温、高压和潮湿环境下,高浓度的CO2在短时间内就会对固井硅酸盐水泥石产生严重腐蚀,使水泥石丧失封固性能,最终会导致油气采收率降低、CO2埋存失败等严重后果。,目 录,研究的目的及意义,CO2腐蚀硅酸盐水泥的机理及影响因素分析,CO2腐蚀硅酸盐水泥石热力学分析,耐CO2腐蚀水泥体系的研制,耐CO2腐蚀固井水泥浆体系的性能评价,结论及建议,耐CO2腐蚀水泥体系缓凝剂的优选及开发,耐CO2腐蚀水泥浆体系降失水剂的
3、优选及开发,2 CO2腐蚀波特兰基水泥石的机理及影响因素分析,2.1 油井水泥的主要成分和水化产物2.2 腐蚀机理2.3 影响CO2的腐蚀波特兰基水泥石的 因素分析,6,2.1 油井水泥的主要成分及产物,水化硅酸钙(CSH)、水化铝酸钙、铁铝酸钙及Ca(OH)2(羟钙石(CH),2 CO2腐蚀波特兰基水泥石的机理及影响因素分析,其水泥熟料的主要反应有:,低温条件下,水化硅酸钙的主要种类有柱硅钙石(C3S2H3)、斜方硅钙石(C3S2)、硬硅钙石(C6S6H)、雪硅钙石(C5S6H5.5)、特水硅钙石(C7S12H3)、粒硅钙石(C5S2H)、水化硅酸三钙(C6S2H3)、水化硅酸二钙(C2SH
4、)等)。,2 CO2腐蚀波特兰基水泥石的机理及影响因素分析,2.2腐蚀机理,(1)低温腐蚀,淋滤作用,水泥石表面初始碳化,生成CaCO3,其钙原子的摩尔体积(0.0369nm3)大于CSH的摩尔体积(0.0327nm3),碳化结果使水泥石的孔隙度降低、抗压强度增大。但是,随着与富含CO2的地层水的不断作用,又会发生下面的反应。,2 CO2腐蚀波特兰基水泥石的机理及影响因素分析,2.2腐蚀机理,(1)低温腐蚀,淋滤作用,即CaCO3在CO2的作用下转变为Ca(HCO3)2,从而不断消耗水泥石中的Ca(OH)2,并生成水,而水又不断的溶解Ca(HCO3)2,形成淋滤作用,使水泥石的孔隙度和渗透率增
5、大,抗压强度降低。,2 CO2腐蚀波特兰基水泥石的机理及影响因素分析,溶蚀作用,当Ca(OH)2被消耗完之后,CO2又与CSH反应生成非胶结性的无定形SiO2,破坏水泥石的整体胶结性,并造成水泥石体系pH值降低,失去对套管的保护作用。,碳化收缩作用,在水化温度低于80时,纯水泥水化时可生成膨胀性组分钙矾石(AFt),当CO2存在时,CO2与上述反应争夺Ca(OH)2,抑制了AFt的生成,因而造成水泥石体积收缩,从而可能诱发环空微间隙,为富含CO2的地层水打开通道,加剧了水泥石和套管的腐蚀。,2 CO2腐蚀波特兰基水泥石的机理及影响因素分析,高矿化度地层水的协同作用,高矿化度的地层水使CaCO3
6、的溶解度增大,淋滤作用增强。地层水中含有多种腐蚀性离子,如Mg2-、SO42-和Cl-,以及腐蚀性组分H2S,这些组分的协同作用也会加剧CO2对水泥环和套管的腐蚀。,2.2腐蚀机理,(1)低温腐蚀,2 CO2腐蚀波特兰基水泥石的机理及影响因素分析,(2)高温腐蚀,2.2腐蚀机理,温度高于110时,波特兰基水泥水化生成的CSH凝胶转化成其它晶形,如果存在过量的Ca(OH)2,CSH将转变成强度低且多孔的-C2SH,从而引起水泥石强度衰退(高温强度降低),加入35%的石英砂后水泥的高温水化产物有所变化,其主要成分为低强度高渗透率的柱硅钙石(C3S2H2)、斜水硅钙石(C3S2H)、粒硅钙石(C5S
7、2H)和水化硅酸三钙(C6S2H3)。在温度高于150时,1.1nm雪硅钙石(C5S6H5.5)转变成硬硅钙石(C6S6 H)、斜方硅钙石(C3S2)、碳硅钙石(C7S6 H2)、特水硅钙石(C7S12H3)和白钙沸石(C2S3H)。,高温下水化产物,2 CO2腐蚀波特兰基水泥石的机理及影响因素分析,2 CO2腐蚀波特兰基水泥石的机理及影响因素分析,2.2腐蚀机理,(2)高温腐蚀,高温下腐蚀机理,硬硅钙石,1.1nm雪硅钙石,特水硅钙石,碳硅钙石,2 CO2腐蚀波特兰基水泥石的机理及影响因素分析,(1)C2SH、C6S2H3(柱硅钙石)和CH中钙原子的摩尔体积分别为0.0339 nm3、0.0
8、327 nm3、0.0316 nm3,其碳化产物中钙原子的摩尔体积分别为0.0342 nm3、0.0342 nm3、0.0369 nm3,使得占据体积增大,降低了水泥石渗透率。(2)C5S6H4、C6S6H和C7S12H3中钙原子的摩尔体积分别为0.0567 nm3、0.0441 nm3和0.0672 nm3,而碳化产物方解石中钙原子摩尔体积为0.0369nm3,这就意味着C/S比值低的碳化产物所占据的体积比碳化前的小,因而碳化后水泥石渗透率增大。,2.2腐蚀机理,(2)高温腐蚀,高温下腐蚀机理,2 CO2腐蚀波特兰基水泥石的机理及影响因素分析,2.3 影响CO2腐蚀水泥石的因素,(1)环境温
9、度,(2)环境压力,地层压力或套管内压力过高,会使水泥环受应力而损坏,形成微裂缝和微环隙,特别是当环境压力产生波动时,更容易引起水泥环的损坏,甚至破坏水泥环的整体结构。由于压力引起的破坏将使水泥环渗透率显著上升,加速腐蚀介质在水泥石中的扩散,增加水泥石与腐蚀介质的接触面积,使腐蚀加剧。,2 CO2腐蚀波特兰基水泥石的机理及影响因素分析,2.3 影响CO2腐蚀水泥石的因素,(3)CO2浓度(分压),高浓度CO2使腐蚀介质的腐蚀能力增强。在低浓度CO2环境中,由于缺乏CO2的及时补充,水泥石碳化生成的致密CaCO3层将阻止腐蚀进一步进行。但是在高浓度CO2环境中,水中溶解的CO2增多,使腐蚀介质的
10、pH降低,腐蚀性能增加,水泥石碳化生成的致密CaCO3层将逐渐转化为易溶于水的Ca(HCO3)2,失去防腐性能。,高浓度CO2使腐蚀介质的腐蚀速度增加。从孙富全20的实验结果中可以看出,没有经过预先养护就直接与高浓度CO2接触的水泥浆(火山灰/H级水泥=50/50)并没有表现出很好的防腐性能,由于腐蚀速度快,7天后水泥石的抗压强度明显下降。,2 CO2腐蚀波特兰基水泥石的机理及影响因素分析,2.3 影响CO2腐蚀水泥石的因素,(4)CO2物理状态的影响,湿的超临界CO2的腐蚀过程类似于大气中的CO2腐蚀水泥石的过程,是普通的碳化作用。在湿的超临界CO2中的水泥石,腐蚀区域内有一条明显的腐蚀前缘
11、线,水泥石表面呈现灰色、表面粗糙(试样上半部分所示),由于不存在连续的水相,不能为Ca+扩散出水泥石提供载体,也不能为CaCO3的沉淀和晶体长大提供条件,所以CaCO3在整个腐蚀区域内均匀分散,没有形成富集层,使水泥石被腐蚀速度受CO2的扩散速率控制。,处于CO2环境中的水泥石(上部是在湿的超临界CO2中的腐蚀,显灰色,下部是在CO2溶液中的腐蚀,显橘红色),2 CO2腐蚀波特兰基水泥石的机理及影响因素分析,2.3 影响CO2腐蚀水泥石的因素,(4)CO2物理状态的影响,在饱和CO2溶液中,由于H+的存在,发生的是典型的酸腐蚀。在CO2溶液中的水泥石,腐蚀区域有明显的分层,水泥石表面呈现橘红色
12、(试样下半部分所示),表面光滑且质软,水泥石内存在紧密的CaCO3富集层。饱和CO2溶液的初始腐蚀速度很快,但是由于CaCO3富集层的阻挡作用,一段时间后腐蚀速度将明显下降。,处于CO2环境中的水泥石(上部是在湿的超临界CO2中的腐蚀,显灰色,下部是在CO2溶液中的腐蚀,显橘红色),2 CO2腐蚀波特兰基水泥石的机理及影响因素分析,2.3 影响CO2腐蚀水泥石的因素,(5)腐蚀介质动态与静态的影响,流动的腐蚀介质与水泥石表面之间存在较高速度的相对运动,会加快腐蚀介质中离子的扩散,并且由于高能量环境,水泥石内不容易形成致密的CaCO3耐腐蚀层,所以动态腐蚀速度比静态腐蚀快。通常地层中作为伴生气的
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- CO2 腐蚀 水泥浆 体系 研究 课件

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