天然气水合物地层相变微胶囊固井水泥浆研究.pdf

第 69 卷增刊 1Vol.69Supp.12023 年6 月Jun.,2023地质论评GEOLOGICALREVIEW500天然气水合物地层相变微胶囊固井水泥浆研究一吴祖锐，郑明明，颜诗纯，周珂锐，张亚伟成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都，610059注：本文由国家自然科学基金项目（编号：42272363）、四川省科技计划项目（编号：2023NSFSC0432）的成果。收稿日期：2023-04-10；改回日期：2023-04-30；责任编辑：刘志强。DOI：10.16509/j.georeview.2023.s1.222作者简介：吴祖锐，男，2000 年生，研究生，地质资源与工程专业；Email：。通讯作者：郑明明，男，1988 年生，博士，副教授，从事非常规能源勘探与开发研究；Email：mingming_。关键词：关键词：深水油气固井；相变微胶囊水泥浆；控热技术；抗压强度；裂隙分析；PFC 数值模拟笔者等采用有机、无机 m-PCM（相变微胶囊）开展对固井水泥浆放热性能以及水泥石强度改良的研究，设计正交试验，以密度、流动性、48h 强度、稠化时间以及失水量等为指标参数，对固井水泥浆配方进行研究，后采用全面试验以及 PFC 颗粒流模拟、PCAS 裂隙分析等工作，从宏观、微观角度定量分析水泥石的抗压强度、裂隙性质、放热特性与 m-PCM 之间的关系，最后得出最优固井水泥环性能以及水泥浆放热特性的固井水泥浆配方。1含水合物地层固井水泥浆基础配方确定研究类容主要集中在制备适用于水合物地层使用的 m-PCM 改良固井水泥浆，使用膨胀剂、减水剂、增粘剂作为水泥浆的外加剂，采用 L9（33）正交试验表，探究密度、粘度、早期单轴抗压强度在三种外加剂的作用下变化规律，最后选择一种综合性能较优秀的固井水泥浆体系。本文通过开展相变微胶囊对固井水泥浆流动性、稠化性和水泥环强度、水化放热特性的影响研究，分析内在的影响规律和定量关系，建立以控热为核心的相变微胶囊固井水泥浆工艺，为深水油气水合物地层固井工艺提供理论依据。（1）深水油气固井水泥浆基础配方研制；（2）相变微胶囊影响固井水泥浆流动性和稠化性研究；（3）相变微胶囊影响固井水泥环力学性质和孔隙性研究；（4）相变微胶囊影响固井水泥浆水化放热特性研究；1.1基础配方针对深水油气水合物层固井难度大的问题，文章拟设计一套深水油气水合物地层固井水泥浆配方，改配方满足深水油气水合物层固井要求，使固井水泥浆具有较好的流动功能、适合的稠化时间、合适的早期强度、密度以及较好的失水性能，在上述配方的基础上，配合使用相变微胶囊，观察在加入相变微胶囊之后，固井水泥浆的上述参数性能变化，探究出一种能够同时满足流动性能、稠化时间、密度、早期强度、失水性以及低水化热的水合物层固井水泥浆。表 1 固井试验 L9（33）正交表因素膨胀剂（%）减水剂（%）提粘剂（%）12.01.00.322.51.50.633.02.00.91.2m-pcm 对水泥浆工程性能的影响1.2.1稠化性和流动性通过测试加入相变微胶囊的水泥浆的流性指数、稠化系数以及稠化时间来表征水泥浆的流动性能和稠化性，通过分析试验数据得，水泥浆的流动性随着微胶囊加量的增多而降低；而水泥浆的稠化时间与微胶囊的加量无线性关系，其中有机壁材的相变微胶囊使水泥浆的稠化时间延长，均大于14 h，而无机壁材的相变微胶囊加入到水泥浆之后，水泥浆的稠化时间大致呈先上升后下降的趋势。1.2.2水泥环力学、孔隙性这一节采用单轴压缩对水泥石的抗压强度进行测试，孔隙性选用具有代表性的水泥石碎片进行SEM 扫描结合裂隙扫描软件对微孔隙进行定量分析，结果显示，抗压强度最大提升在加入 16%相变地质论评 2023 年 69 卷 增刊 1501微胶囊时发生，最大增幅约 31%；孔隙率与微胶囊的加量呈正比，相同加量下有机壁材较于无机壁材会造成更大的孔隙率。2PFC 模拟采用的颗粒流模拟软件是由美国 Itasca 公司研发的一款离散元程序，理论基础为力位移定律和牛顿第二定律，颗粒之间的接触力分为内力和力矩。2.1模型生成绿色的颗粒代表引入水泥基体内的微胶囊颗粒，灰色颗粒代表水泥颗粒。其力学参数经过实验测试后赋予。图 1模型图 2抗压强度曲线图2.2抗压强度对比PFC 颗粒流模拟程序不能模拟水泥水化程度，故两模型的水化程度相当，而引入的 m-PCM 相较于水泥粒子而言是“缺陷因子”，故上图 MX-2（加入 m-PCM）的抗压强度略低于 MX-1（未加入m-PCM）。3m-PCM 对水泥浆水化放热的影响采用自制的隔热保温装置，盛装水泥浆，选择TP700 多路数据温度巡查仪作为监控水泥浆温度的仪器，温度记录时间设置为 10 min 每次，记录总时长 29 h。在加入无机壁材的 m-PCM 之后，水化反应的第一个放热峰的峰值温度减少了约 2.22.4，峰值温度时间延长了约 3.8 h；第二放热峰的峰值温度降幅约为 0.45.7，峰值温度时间最多延长了约 10 h。反观 120 J/g 的 m-PCM 在掺加到水泥浆体系之后，也引起了水泥体系的水化放热受到了限制，当掺加量为 8%时，水泥浆水化热达到最低值，此时若继续增大加量，水泥浆体系的水化热反而升高了，结合水泥试块抗压强度曲线，推断出当微胶囊加量超过某一特定值后，会同时促进水泥水化的进程和降低水泥浆体系的水化热。4讨论与结论（1）根据温度曲线分析可得，在加入了相变微胶囊（m-PCM）之后，水泥体系水化进程中的峰值温度和峰值温度时间都出现了不同程度的下降以及延后，当无机壁材的微胶囊加量超过 12%之后，峰值温度的时间会比基浆的峰值温度时间早，但是峰值温度仍小于对照组的峰值温度。（2）PFC 数值模拟拟合抗压曲线与实际曲线较为贴合，由于真实试件中存在有微裂隙，所以导致真实抗压强度略低于模拟抗压强度；由于引入到水泥体系中的微胶囊粒子仍为“缺陷因子”，所以导致在同等水化程度下的 MX-1（未加入微胶囊）的抗压强度高于 MX-2（加入了相变微胶囊），同实际强度对比从侧面也印证了加入相变微胶囊在一定程度上抗压促进水泥水化进程。参考文献/References蒋国盛,王达,汤凤林.2002.天然气水合物的勘探与开发.武汉:中国地质大学出版社.杨文采.2021.谈固体地球动力学系统的自组织.地质论评,67(3):571577.郑明明,王晓宇,周柯锐.2022.南海水合物储层固井过程高压气水反侵临界条件判别.中南大学学报（自然科学版）,53(3):963975.地质论评 2023 年 69 卷 增刊 1502Torres M E,Wallmann K,Trhu A M,Bohrmann G,Borowski W S,TomaruH.2004.Gas hydrate growth,methane transport,and chlorideenrichment at the southern summit of Hydrate Ridge,Cascadia marginoff Oregon.Earth and Planetary Science Letters,226:22541.WU Zurui,ZHENG Mingming,YAN Shichun,ZHOUKerui,ZHANGYawei:Studyonphasechangemicrocapsule cementing slurry for natural gas hydrateformationKeywords:deepwater oil and gas cementing;phase changemicrocapsulecementslurry;heatcontroltechnology;compressive strength;fracture analysis;PFC numericalsimulation图 3相变微胶囊控温效果图