固井水泥納米復合結構與性能研究

王婷

【摘 ?要】納米材料自身具有優(yōu)異的理化特性，被譽為“21世紀最有前途的新型材料”?本文從現(xiàn)有納米材料中篩選確定納米SiO2為研究對象，探究水泥漿中納米材料分散方式?分散行為及摻加量，對固井水泥綜合性能的影響與作用機理?

【關鍵詞】固井水泥;納米復合結構;性能

1納米材料特性

1.1表面與界面效應

表面與界面效應是指納米晶體粒表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨粒徑變小而急劇增大后所引起的性質上的變化?表現(xiàn)為直徑減少，表面原子數(shù)量增多?超微顆粒的表面具有很高的活性，在空氣中金屬顆粒會迅速氧化而燃燒?如要防止自燃，可采用表面包覆或有意識地控制氧化速率，使其緩慢氧化生成一層極薄而致密的氧化層，確保表面穩(wěn)定化?利用表面活性，金屬超微顆粒有望成為新一代的高效催化劑?貯氣材料和低熔點材料?

1.2化學反應性質

納米微粒粒徑小，比表面積大，表面原子配位不足，比相同的大塊材料具有更強的吸附性，納米粒子的吸附性與被吸附物質的性質?溶質的性質以及溶液的性質有關?不同種類的納米微粒吸附性質也有很大的差別?

2納米二氧化硅對水泥基材料性能的影響

2.1對水化和微觀結構的影響

油井水泥水化包括預誘導期，休眠期，加速期和減速期四個階段?水泥的水化過程，火山灰反應的程度可通過監(jiān)測氫氧化鈣的降低量來觀測?通常使用的儀器為X射線衍射和掃描隧道顯微鏡?當少量的納米顆粒良好分散在水泥中時能夠使水泥石的微觀結構更加致密，但如果納米顆粒不能夠進行良好的分散，則可能導致水泥石產(chǎn)生空隙或薄弱區(qū)?研究表明在水泥材料中加入納米SiO2可以加快水化反應速率，在水化初期更快地形成氫氧化鈣;水化速率取決于所加入的SiO2表面積，納米SiO2作為成核中心加速水化，表面積越大水化反應放熱越大，由此可推斷，在放熱峰值處會存在一個SiO2表面積最佳值?摻有納米SiO2的水泥基材料凝結時間減少，水化休眠期和誘導期持續(xù)時間縮短，達到水化熱峰值的時間和形成早期Ca（OH）2的時間都縮短?與普通硅酸鹽水泥相比，加入SiO2后水化放熱明顯升高，通過SEM觀察到了致密的微觀結構，Ca（OH）2晶體數(shù)量也有所減少?

2.2對新拌漿特性的影響

為保持油井水泥的現(xiàn)場工作性能，摻加納米SiO2的水泥基材料應增加需水量，王委等研究發(fā)現(xiàn)，在水泥凈漿中加入納米SiO2，開始時水泥凈漿流動度隨納米SiO2摻加量的增加而增大，但當納米SiO2摻加量超過0.75%后，水泥漿流動度隨納米SiO2摻加量的增加而下降;當納米SiO2摻加量超過3.0%時，水泥凈漿流動度甚至低于空白樣本?由此可知，加入納米SiO2后，水泥漿流動度減小，膠凝程度增加?為了避免對現(xiàn)場工作性能的影響，Berra等提出先用一定量的水配漿，延遲加入另一部分水，而不是一次將所需的水全部混入水泥中?研究還發(fā)現(xiàn)摻加納米SiO2的水泥體系膠粘度和抗壓強度都有所增加，摻加SiO2與TiO2的水泥漿，扭矩?塑性粘度與屈服應力均增加?

2.3對耐久性的影響

水泥基材料的耐久性通常是指其抵抗化學侵蝕?氣候作用?磨損或任何其他破壞過程的能力，主要從水泥的抗腐蝕性?抗?jié)B性?抗鋼筋銹蝕和抗凍性這幾個方面來考慮?通常情況下，水泥基材料的耐久性與其孔結構有關，摻加納米顆粒能夠極大地改善水泥的孔結構?

3納米碳酸鈣對水泥基材料性能的影響

3.1對水化和微觀結構的影響

Kawashima等研究了納米碳酸鈣改性水泥漿24小時的水化熱，向水泥材料中加入質量分數(shù)分別為0%～5%的納米碳酸鈣，水灰比為0.43，用超聲混合的方式制備納米碳酸鈉改性水泥漿體?結果表明摻加了納米碳酸鈣的水泥漿體水化速度更快，用超聲處理過的樣品峰值更高，水化反應發(fā)生的更早?Sato和Diallo的研究表明加入納米碳酸鈣能夠顯著增加放熱速率，縮短了C3S水化的誘導期?

3.2對新拌漿特性的影響

Camilletti等研究了含高效增強劑的納米碳酸鈣改性超高性能混凝土的流動性和凝結時間?納米碳酸鈣的摻加量分別為0%，2.5%和5%，代替部分體積的水泥?結果表明，混凝土的流動性隨著納米碳酸鈣含量的增加而增加?初凝時間和終凝時間隨納米碳酸鈣摻加量的增加而減少?凝結時間隨納米碳酸鈣含量的增加而減少?Liu等人研究了納米碳酸鈣改性水泥漿料的流動性和凝結時間，水泥以0%，1%，2%和3%的重量被納米碳酸鈣代替，水灰比為0.45?結果表明，該水泥漿體的流動性隨著納米碳酸鈣含量的增加而降低，當納米碳酸鈣的摻加量分別為1%，2%和3%時，納米碳酸鈣流動度分別降低了15.95%，20.24%和26.38%?通過加入納米碳酸鈣，初凝時間和終凝時間都有所縮短?凝結時間隨著納米CaCO3含量的增加而下降?

3.3對力學性能的影響

Kawashima等人研究了含有30%的粉煤灰及5%納米碳酸鈣的改性水泥漿養(yǎng)護1天，3天和7天的抗壓強度?使用超聲處理或混合攪拌得到納米碳酸鈣懸浮液，分別制備納米碳酸鈣改性水泥漿，水灰比均為0.43?結果表明，通過加入納米碳酸鈣，可以使水泥石抗壓強度增加?養(yǎng)護3天和7天時，超聲處理的樣品比混合處理的樣品抗壓強度提升得更多?

4納米氧化鋅對水泥基材料性能的影響

4.1對水化和微觀結構的影響

Nazari和Riahi研究了納米氧化鋅改性水泥漿70小時的水化熱，納米氧化鋅的摻加量分別為1%，2%，3%，4%和5%，水灰比均為0.4，減水劑的加量相同?結果表明，納米氧化鋅的加入使峰值時間提前，同時放熱速率值下降?這表明摻加納米氧化鋅可以提高水泥水化初期的水化速度?納米氧化鋅作為成核，可以加快水泥水化，同時增加了放熱速率?Nazari和Riahi，Riahi和Nazari研究了摻加45%（重量）礦渣的納米氧化鋅改性水泥漿70小時的水化熱，納米氧化鋅的摻量分別為1%，2%，3%和5%，水灰比均為0.4，混拌時使用水或飽和石灰水?該放熱速率值表明，納米氧化鋅含量的減小阻礙到達峰值的時間，并提高了熱釋放速率值?用飽和石灰水制備的樣品由與水制備的樣品相比，有著較低的峰值時間和放熱速率值?

4.2對新拌漿特性的影響

Nazari和Riahi和Riahi和Nazari研究了納米氧化鋅改性混凝土混合物的工作性能?納米氧化鋅的摻量分別為0%，0.5%，1%，1.5%和2%，水灰比均為0.4?結果表明：納米氧化鋅的添加會降低水泥漿的工作性能?

4.3對力學性能的影響

Nazari和Riahi研究了納米氧化鋅改性混凝土的7天，28天和90天的抗壓強度，劈裂拉伸強度和彎曲強度?納米氧化鋅的摻量為別為0%，0.5%，1%，1.5%和2%，水灰比均為0.4?采用兩種養(yǎng)護條件，水養(yǎng)護或飽和石灰水養(yǎng)護?結果表明，在水中養(yǎng)護的1%的納米氧化鋅混凝土試樣，抗壓強度，劈裂拉伸強度和彎曲強度，隨摻量變化的順序為>1.5%>0.5%>0%>2%?

5結束語

綜上所述，分析了部分不同納米材料對水泥基材料性能的影響，從而有利于進一步分析固井水泥納米復合材料在石油開采行業(yè)的應用，從而進一步促進納米材料在石油行業(yè)的發(fā)展，同時也為提升油井結構的安全性和穩(wěn)定性提供幫助?

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