稠油热采过程中,通常在经历蒸汽吞吐、蒸汽驱,为提高稠油的采收率,再进行稠油火驱,在此期间固井水泥环需要长期在高达500℃以上的超高温和高浓度C02腐蚀环境下服役,那么,稠油固井水泥石到底能不能满足该恶劣工况的要求?是否能够维持水泥石的完整性和水泥环的层间封隔?是否需要在当前稠油开发效益已经急剧下降、甚至出现亏损的情况增加成本对水泥浆体系进行升级?已经成为拥有大量稠油资源的油田,如新疆油田、辽河油田等,迫切需要解答的关键问题之一。为此,论文针对以往研究存在的不足,重新梳理了水泥石在热采过程中的工况变化、改进和完善了水泥石的模拟养护等测量装置和方法、研究了热采井连续工况下常规加砂水泥石和改性硅酸盐水泥石及其耐高温耐腐蚀性能,为上述油田科学决策、提高稠油开发效益提供了可靠的理论及技术支撑。本文先从室内实验模拟实际工况的角度出发,综合考虑火线温度、水湿环境、井底压力等,研发出符合热采井水泥石实际服役情况的模拟实验室装置,并根据热采井实际工况设计相应参数以达到更为真实的模拟效果。接着从材料科学角度出发,通过力学性能测试、渗透率和孔隙度测试、物相组成分析、微观形貌观察,研究了常规加砂水泥石的耐高温性能及失效演化规律;通过测试孔径分布、化学组成、矿物组成等水泥物化参数,结合高低温条件下水泥石的强度发展,考察了偏高龄土、石墨改性硅酸盐水泥石的性能;通过测试改性硅酸盐水泥石不同腐蚀环境下的抗压强度、孔隙度、渗透率、宏观和微观形貌等,对改性硅酸盐水泥石耐腐蚀性能进行评价;通过界面胶结强度模具研发、实验方法改进、力学性能测试等,初步探索了常规加砂水泥石、改性硅酸盐水泥石的界面胶结强度变化规律。结果表明:(1)模拟实验过程中的升降温速率、水湿环境和外部约束条件,对水泥石在热采过程中的强度等有显著的影响,应对其进行充分的考虑,否则,将导致模拟结果偏离井下实际;(2)降低升降温速率、水湿环境和外部约束条件,有利于维持水泥石在热采过程中抗压强度等的稳定性;(3)常规加砂水泥石在室内贴合实际工况的研究中,其耐高温性能满足热采井蒸汽吞吐、蒸汽驱正常生产,在火驱时强度高温衰退,失效严重;(4)加入偏高龄土、石墨的改性硅酸盐水泥石的耐高温性能满足热采井一系列工况的要求,火烧油层时期能帮助热采井长期正常生产;(5)改性硅酸盐水泥石耐腐蚀性能卓越,在酸性或富氧腐蚀环境下能帮助水泥石减少强度衰退,达到长期密封性的作用;(6)常规加砂水泥石与改性水泥石在火驱时界面胶结能力都较差,是后期实验主要研究的方向。常规加砂水泥石高温失效机理:火烧油层工况下高温环境导致的物相和微观形貌变化是常规加砂水泥石劣化失效的本质原因。高温300℃时,水化产物C-S-H凝胶和Ca(OH)2轻微脱水分解,加砂水泥石强度衰退、渗透率增加,水泥石处在劣化失效的临界点。高温400℃时,加砂水泥石轻微开裂膨胀,水化产物大量脱水分解,水泥石劣化失效加剧,已经不能满足对固井水泥石完整性的要求。500℃时,加沙水泥石抗压强度<14MPa,继续养护,已无法测试。改性硅酸盐水泥石耐高温性能优良机理:500℃时,改性硅酸盐水泥石内部新的水化产物硬硅钙石(C6S6H)、粒硅钙石(C5S2H)和不同硅酸根聚合度的水化硅酸钙C4.5S6H3.5、C6S3H等大量生成,有助于水泥石抗压强度保持稳定,水泥石表现出极强的弹性变形能力。此外,改性硅酸盐水泥石展现出较强的抗CO2腐蚀能力。低温水溶性CO2腐蚀环境中其抗压强度不降反增,腐蚀层中发现大量腐蚀产物CaCO3,其形态属于稳定的方解石形态。富氧腐蚀环境中的改性硅酸盐水泥石抗压强度有波动但总体呈上升趋势,改性水泥石与地层水在密闭环境中产生了离子交换,新成的水化产物附着于裂缝中,填补孔隙,弥补了水泥石强度由于高温衰退而产生的影响。