纳米复合水泥浆液低温水化过程与流变/凝固特性研究

The influence of low temperature on rheological and hardening characteristics is the key issue of the research of cement based wall protecting and leakage plugging in permafrost gas hydrates drilling. As the previous related studies are not sufficient enough, the research of hydration process and rheological/hardening characteristics of nano-composite cement slurry at low temperature is going to be made based on theoretical analysis and experiments. First of all, the influence law will be revealed and the kinetic model will be established based on the hydration heat measurement, ESEM and XRD analysis and by the research of low temperature hydration process of nano-composite cement slurry. Secondly, the rheological model, viscosity of time-varying characteristic and low-temperature rheological response pattern of the composite slurry will be revealed by using intelligent rheometer, and the change of setting time and strength of composite grout at low-temperature environment is going to be studied. Finally, the low-temperature rheological and hardening characteristics of composite slurry need to be harmonized. The nano-composite cement-based materials for wall protecting and leakage plugging which have time dependent viscosity and adjustable strength features are made and characterized. It brings about scientific significance to the development of the theory of composite cement hydration and multi-disciplinary integration, at the same time, it provides the systematic theoretical basis and scientific basis for the research of wall protecting and leakage plugging in permafrost gas hydrates drilling.

低温环境对水泥浆液流变与凝固性能的影响是进行冻土天然气水合物钻探水泥基材料护壁堵漏研究的关键问题。针对目前对此方面基础研究的不足，在前期研究工作基础上，拟通过系统的理论分析和实验研究，着重研究纳米复合水泥浆液低温水化过程与流变/凝固特性。首先，基于水化热测定、ESEM、XRD分析，对复合浆液的低温水化过程进行研究，揭示低温环境对复合浆液水化过程的影响规律，建立复合浆液的低温水化动力学模型；然后，采用智能流变仪对复合浆液的流变模式、粘度时变特征、低温流变特性进行研究，揭示复合浆液的低温流变响应规律；并研究低温环境下复合浆液凝结时间与浆体强度的变化规律；最后，协调统一复合浆液的低温流变与凝固特性，研制适于冻土天然气水合物钻探的纳米复合水泥基护壁堵漏材料并进行表征。研究成果对推动水泥水化理论的发展和学科的交叉融合具有科学意义，同时为冻土天然气水合物钻探护壁堵漏研究提供较系统的理论基础和科学依据。

针对低温环境对水泥浆液流变与凝固性能的影响，项目着重研究纳米复合水泥浆液低温水化过程与流变/凝固特性。对纳米复合水泥浆液的低温水化过程进行了研究，建立了复合浆液的低温水化过程模型。对复合浆液的低温流变与凝固特性进行了研究，协调统一复合浆液的低温流变与凝固特性，研制了适于冻土天然气水合物钻探的纳米复合水泥基护壁堵漏材料。研究结果主要体现在如下方面：. （1）硅酸盐-硫铝酸盐复合水泥其水化过程可以概括为初始水解期、加速期、衰退期和稳定期四个阶段，初期水化速率突然增长反映其“直角稠化”现象，在水化加速期阶段，水化速率剧增且持续时间较短，反映了其初终凝时间间隔极短的特征。纳米SiO2主要起催化作用与早强剂LC共同推进水化产物生成，同时其填充效应进一步提高了复合水泥材料的抗压强度。通过水化热、SEM及XRD分析，揭示了硅酸盐-硫铝酸盐复合水泥的“水化协同效应”，探索了纳米复合水泥浆液的低温水化过程，建立了纳米复合水泥浆液的低温水化过程模型； .（2）纳米材料与外加剂的添加对低温下复合浆液的流变与凝固性能具有重要的影响。研究的纳米复合水泥浆液的流型符合赫巴流变模式。浆液初始流动度较好（达到24cm），可泵期为54min，24h抗压强度达到11.2MPa，初终凝时间分别降低到100min和140min左右，其间隔时间仅为46min;.（3）在硅酸盐-硫铝酸盐复合水泥的“水化协同效应”基础上、利用纳米材料与复合外加剂的耦合作用，解决了低温环境下复合浆液的流变性、凝结时间与浆体强度的协调统一问题,研发了适于冻土天然气水合物钻探的纳米复合水泥基护壁堵漏新材料。其配方如下：复合水泥基础液+0.5%JSS+0.05%LC+0.1%SiO2（W/C=0.55）。所研究的护壁堵漏材料具有良好的低温流变与凝固性能。. 研究成果为冻土天然气水合物钻探护壁堵漏研究提供较系统的理论基础和科学依据，为解决冻土天然气水合物钻探护壁堵漏问题提供了新的解决方案，并为其它类似复杂地层护壁堵漏及堵水加固工程等提供借鉴意义与参考价值。.