The Adhesive Strength and Water Resistance Performance of an Improved Sodium-Lithium Silicate Bonding Agent for Enhanced Drilling in Unconsolidated Formations

硅酸钠 材料科学 硅酸盐 胶粘剂 扫描电子显微镜 傅里叶变换红外光谱 化学工程 X射线光电子能谱 复合材料 硅酸钙 工程类 图层(电子)
作者
Yinghui An,Huanan Liu,Ying Li,Wei Wang,Maosen Wang,Mingyi Guo
出处
期刊:Spe Journal [Society of Petroleum Engineers]
卷期号:30 (08): 4726-4740
标识
DOI:10.2118/228314-pa
摘要

Summary Water-induced degradation often constrains the use of sodium silicate (SS) as a bonding agent in drilling operations, thereby compromising its long-term adhesive strength. In this study, we introduce an adhesive composed of SS (modulus = 2.0), lithium silicate (LS), and silicon phosphate (SP), capable of binding sand particles together into a cohesive, waterproofing aggregate. The optimal formulation (10% SS, 5% LS, and 0.5% SP) achieved a Brazilian splitting tensile strength of 1.458 MPa under dry conditions, exhibiting 93.7% retention (1.367 ± 0.035 MPa) after 2 hours of water immersion and preserving structural integrity for 48 hours with 72.1% residual strength (1.052 MPa). Microstructural analyses via optical microscope, scanning electron microscopy (SEM), and energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) revealed that the interparticle connections were strengthened by rigid bonding bridges and water-resistant films, predominantly composed of amorphous silica. X-ray diffraction (XRD), Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) results demonstrate that LS increased silica sources and promoted Si-O-Si network formation while confirming lithium ions’ competitive displacement of sodium ions within the silicate gel framework. Through this study, we provide a potential method for improving the stability of unconsolidated formations using a composite silicate binder, offering new insights into the development of chemical bonding agents in complex geological and engineering environments.
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