油井水泥浆高温悬浮稳定剂的开发及性能研究

针对油井水泥浆高温沉降失稳问题,引入疏水单体N-十四烷基丙烯酰胺,制备了一种高温悬浮稳定剂,并测试了稳定剂的热增黏性能,分析了热增黏机理。综合评价了高温悬浮稳定剂对油井水泥浆沉降稳定性、流变性能、稠化性能和水泥石抗压强度的影响。结果表明,高温悬浮稳定剂通过分子间疏水缔合作用增加高温水泥浆的黏度;稳定剂的适用温度为60~150℃,最佳加量为0.15%;控制水泥石的密度差在0.025 g/cm3以内,具有非常良好的防沉降性能;稳定剂保证水泥浆的稠度系数变化很小,在4.441~5.760 Pa·sn范围内,保证水泥浆浆体稠度稳定;稳定剂对水泥石强度影响较小,水泥石强度满足固井施工要求。      

高密度水泥浆高温沉降稳定调控热增黏聚合物研制与性能

在深井/超深井固井过程中，井底高温加剧了水泥浆中颗粒的布朗运动、降低了水泥浆内部黏滞力，高密度水泥浆更易发生沉降失稳甚至严重分层，影响固井质量和安全。现有改善高温高密度水泥浆稳定性方法存在着"低温增稠、高温变稀"缺陷，为此，在丙烯酰胺（AM）、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）共聚基础上引入耐高温N，N-二甲基丙烯酰胺（DMAA）单体、憎水单体（HCZW-50），采用水溶液自由基共聚法，合成出具有优秀热增黏特性的新型聚合物（TV-1），利用红外光谱、核磁共振、热重分析、凝胶渗透色谱、冷冻扫描电镜等分析了TV-1的结构、热增黏机理等，评价了TV-1对高密度水泥浆高温沉降稳定性的调控规律。研究结果表明：TV-1聚合物耐温性能优异，在20~150℃温度范围内，表观黏度随温度的升高显著增加，其独特的热增黏特性有助于防止高温高密度水泥浆沉降，在155℃下TV-1可将高密度水泥浆上、下密度差控制在0.03 g/cm³之内，为高温高密度水泥浆沉降稳定性调控提供了一种新方法，有利于提高深井/超深井固井质量，降低固井风险。     

高密度水泥浆高温沉降稳定调控热增黏聚合物研制与性能

在深井/超深井固井过程中，井底高温加剧了水泥浆中颗粒的布朗运动、降低了水泥浆内部黏滞力，高密度水泥浆更易发生沉降失稳甚至严重分层，影响固井质量和安全。现有改善高温高密度水泥浆稳定性方法存在着"低温增稠、高温变稀"缺陷，为此，在丙烯酰胺（AM）、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）共聚基础上引入耐高温N，N-二甲基丙烯酰胺（DMAA）单体、憎水单体（HCZW-50），采用水溶液自由基共聚法，合成出具有优秀热增黏特性的新型聚合物（TV-1），利用红外光谱、核磁共振、热重分析、凝胶渗透色谱、冷冻扫描电镜等分析了TV-1的结构、热增黏机理等，评价了TV-1对高密度水泥浆高温沉降稳定性的调控规律。研究结果表明：TV-1聚合物耐温性能优异，在20~150℃温度范围内，表观黏度随温度的升高显著增加，其独特的热增黏特性有助于防止高温高密度水泥浆沉降，在155℃下TV-1可将高密度水泥浆上、下密度差控制在0.03 g/cm³之内，为高温高密度水泥浆沉降稳定性调控提供了一种新方法，有利于提高深井/超深井固井质量，降低固井风险。     

新型抗高温粉煤灰低密度水泥浆

针对目前粉煤灰低密度水泥浆体系高温下沉降稳定性差及顶部水泥石抗压强度发展缓慢等问题,测试了在中高温条件下粉煤灰、微硅类稳定剂加量对水泥石强度的影响,实验发现微硅类稳定剂在高温条件下(≥125℃)会阻止粉煤灰水泥浆抗压强度正常发展。通过研究出一种新型高温增强剂,保证了粉煤灰低密度水泥浆体系的高温稳定性,并解决了目前粉煤灰低密度水泥浆体系存在的高温强度发展异常、强度很低等问题,最后开发出一套密度为1.50~1.60 g/cm3的粉煤灰低密度水泥浆体系。该体系具有沉降稳定性好、API失水量小、稠化时间可调等性能,水泥石抗压强度较高且顶部抗压强度发展良好,130℃下静胶凝强度的过渡时间为18 min,能够满足85~130℃的大温差高温固井。     

固井水泥浆用高温稳定剂BH-HS004S的研制与应用

针对水泥浆在高温条件下稳定性差的难题,将通过聚合反应制得的生物聚合物A（改性定优胶）与天然矿物B以2∶3配比进行复配,得到一种性能优异的固井水泥浆用高温稳定剂BH-HS004S,抗温达240℃,在40～50℃开始发生热增稠现象。该高温稳定剂适用于常规密度水泥浆、低密度水泥浆和高密度水泥浆三种水泥浆体系,通过实验表明,常规密度水泥浆推荐加量0.2%～0.4%,适用最高温度为210℃,低密度水泥浆推荐加量0.8%～1.0%,适用最高温度为180℃,高密度水泥浆推荐加量1.0%～1.2%,适用最高温度为160℃。该高温稳定剂具有低温条件不明显增稠,高温条件抑制水泥浆变稀,与其他外加剂配伍性好,对水泥浆其他综合性能无不良影响等优点,能有效解决三种水泥浆体系高温沉降稳定性差的难题,并且现场应用5井次,效果良好,固井质量优质。     

胜坨地区高密度水泥浆体系的设计与应用

针对胜坨地区油气井原始地层压力高,固井作业时易发生气窜等问题,进行了高密度抗盐水泥浆体系研究。应用紧密堆积和颗粒级配原理,使用微硅与铁矿粉进行颗粒级配,并优选了铁矿粉和沃尔德的外加剂,配制出高性能的高密度水泥浆体系。对该水泥浆的稳定性、稠化时间、防气窜性能、流变性能进行了室内评价,试验表明,该体系在较大温度范围内具有浆体沉降稳定性好、密度在1.90~2.60 g/cm3范围内可调、游离液为零、流变性好、失水量小、强度高、稠化时间可调等特点,而且具有良好的防气窜性能。该高密度水泥浆体系已成功应用于胜坨地区坨720等井以及胜利油田、新疆等高压油气层地区固井作业中,现场应用表明,该体系的流变性能、初始稠度、失水量、稠化时间、抗压强度等指标均能满足施工要求,固井质量优良,可进一步推广应用。     

耐高温抗盐固井降失水剂的制备及性能研究

针对目前聚合物降失水剂耐高温性能不佳、抗盐能力差以及低温增黏、高温稀释严重的问题,通过在分子结构上引入特殊阳离子功能单体,采用自由基水溶液聚合方法,制备了一种抗温可达210℃的两性离子型耐高温抗盐降失水剂DRF-4L。采用红外光谱、热失重分析以及环境扫描电镜对聚合物分子结构和耐温性进行了表征,并对其应用性能进行了评价。结果表明,DRF-4L适用温度范围广（30~210℃）,降失水性能优异;210℃（BHCT）时,掺4% DRF-4L的水泥浆API失水量为42 mL;抗盐能力强,可使饱和盐水水泥浆API失水量控制在50 mL以内;此外,DRF-4L低温不增稠、高温弱分散,对改善水泥浆初始流变性能和提高水泥浆高温稳定性具有明显优势;含DRF-4L的水泥石早期强度发展快,90℃下12 h抗压强度高于14 MPa,且后期强度发展正常。同时,以DRF-4L为主剂的低密度、常规密度、高密度水泥浆以及胶乳水泥浆体系等综合性能良好,能够满足高温深井超深井的固井技术需求。      

稠油热采井抗350℃高温硅酸盐基水泥浆

针对蒸汽驱稠油热采井井筒温度高达350℃,常规加砂水泥在高温下结构疏松,抗压强度低,铝酸盐及磷铝酸盐水泥成本高及与硅酸盐水泥污染严重等问题。通过探索高温增强作用机理,开发出高温特种增强材料,结合配套硅酸盐外加剂,研发出综合性能良好的抗350℃高温硅酸盐基水泥浆,并进行了水泥浆综合性能测试、XRD晶相组分分析、SEM晶相形貌分析,结果表明,抗350℃高温硅酸盐基水泥浆的沉降稳定性小于0.02 g/cm3,游离液量为0,API失水量小于50 mL,流动度大于20 cm,70℃水泥石24 h抗压强度大于14 MPa,且3轮次下350℃高温水泥石强度大于40 MPa,长期强度发展稳定,满足稠油热采井的工程应用需求,突破了超高温下硅酸盐水泥强度低、铝酸盐及磷铝酸盐水泥必用的困境,促进了超高温水泥浆技术进步。     

稠油热采井抗350℃高温硅酸盐基水泥浆

针对蒸汽驱稠油热采井井筒温度高达350℃，常规加砂水泥在高温下结构疏松，抗压强度低，铝酸盐及磷铝酸盐水泥成本高及与硅酸盐水泥污染严重等问题。通过探索高温增强作用机理，开发出高温特种增强材料，结合配套硅酸盐外加剂，研发出综合性能良好的抗350℃高温硅酸盐基水泥浆，并进行了水泥浆综合性能测试、XRD晶相组分分析、SEM晶相形貌分析，结果表明，抗350℃高温硅酸盐基水泥浆的沉降稳定性小于0.02 g/cm3，游离液量为0，API失水量小于50 mL，流动度大于20 cm，70℃水泥石24 h抗压强度大于14 MPa，且3轮次下350℃高温水泥石强度大于40 MPa，长期强度发展稳定，满足稠油热采井的工程应用需求，突破了超高温下硅酸盐水泥强度低、铝酸盐及磷铝酸盐水泥必用的困境，促进了超高温水泥浆技术进步。      

盐膏层固井用降失水剂的研究与应用

针对塔里木油田库车山前高压天然气井盐膏层溢漏同存、安全密度窗口窄等固井难题,通过优选功能性单体,合成了具有耐温抗盐且分散性好等特性的降失水剂FL-A。红外光谱分析结果表明,单体均参与了聚合反应;热重分析结果表明,FL-A具有良好的耐热性能,耐温达300 ℃;水泥浆性能评价表明,该降失水剂控失水性能好,抗盐达饱和,与其他外加剂配伍性好,稠化线型正常。采用该降失水剂配制的密度为2.3～2.6 g/cm3含盐高密度水泥浆体系在105～180 ℃高温下具有液固比低、失水量小、沉降稳定性好、流变性能优、强度发展快等特性。在盐膏层固井应用10余井次,封固质量良好,高压盐水均得到有效封隔。      

耐200 ℃固井水泥用悬浮剂的制备与性能表征

针对深井、超深井固井中,水泥浆在高温下液相黏滞力下降而发生固相沉降失稳甚至分层的问题,设计合成了一种耐200 ℃的高温悬浮剂GX,该剂是以丙烯酰胺（AM）、对苯乙烯磺酸钠（SSS）、N, N-二乙基丙烯酰胺（DEAA）为单体,过硫酸铵（APS）为引发剂,采用自由基溶液聚合法制得的三元共聚物。采用GPC、FTIR、1H-NMR和SEM对高温悬浮剂的分子量、结构和形貌进行了表征,结果表明,3种单体均参与聚合反应,成功合成了AM/SSS/DEAA三元共聚物。TG、FTIR和SEM分析表明,高温悬浮剂的耐热性能优异,最高可达318.6 ℃。高温沉降稳定性评价结果表明,高温悬浮剂的适用温度可达200 ℃,水泥浆中加入悬浮剂GX后,200 ℃下密度差小于0.02 g/cm3,能提高水泥浆的沉降稳定性,且高温悬浮剂的加入对水泥浆的流变性、稠化时间和水泥石的强度无负面影响。      

超高温超高密度防气窜水泥浆

针对超高温超高密度水泥浆设计中难于协调的超高密度与高强度、良好流动性与浆体稳定性的矛盾问题,利用粒度级配原理建立了以水泥为水化胶凝材料和颗粒表面存在吸附水化膜的三级颗粒紧密堆积粒度级配新模型,并应用该模型通过室内优化和添加剂优选实验,实现了以还原铁粉和铁矿粉加重、硅粉热稳定和微硅充填的双三级颗粒级配的组配加重,进行超高密度水泥浆的实验优化。开发出了抗温达200℃,密度达2.82 g/cm3的超高密度防气窜水泥浆体系。室内评价结果表明,该体系综合性能协调良好,防气窜能力强,说明所建立的三级颗粒级配新模型和应用该模型采用双三级颗粒级配进行超过密度水泥浆实验设计的可靠性和实用性。     

耐高温高压超高密度水泥浆体系的室内研究

天湾1井是位于准噶尔盆地中部的一口超深预探井,井深为7500 m,井底压力为170 MPa,井底温度为160℃,针对该井高温高压的问题,以及目前超高密度水泥浆存在的流动性和沉降稳定性差、动态失水量较大、以及大温差下顶部水泥石强度出现过缓凝等问题,室内成功研制出耐高温高压超高密度水泥浆体系,水泥浆密度可达2.55 g/cm3,该体系主要由新型加重剂、微硅、高温稳定剂、600目硅石粉（粒径为0.025 mm）、新型微锰矿粉、悬浮剂、高温缓凝剂、高温降失水剂、高温减阻剂等组成。实验结果表明,该体系水泥浆流动度达到32 cm,同时具有较好的沉降稳定性能,顶部水泥石强度较高,防气窜能力强,在160℃、170 MPa下,稠化时间线性可调,动态失水量为40 mL,该水泥浆体系应用范围广泛,可通过调整外加剂掺量来满足天湾1井不同井深温度下的固井施工要求。      

高温多功能防气窜水泥浆体系在四川盆地海相超深井中的成功应用

针对四川盆地海相高温、高压、高含硫超深气井所面临的高温水泥浆沉降、气窜、水泥石强度衰退等主要固井技术难题,基于高温高压稠化仪模拟沉降稳定性评价方法、颗粒级配原理优选体系稳定材料,采用直接测定气窜和塑性态渗透率为辅助手段的防气窜评价方法优选防气窜材料,基于乌氏黏度计法的聚合物耐温能力评价方法来优选高温缓凝剂,采用正交法测试、热重法辅助分析180℃高温养护后水泥石抗压强度,优选高温稳定剂石英砂粒径和加量,研究出水泥浆和水泥石性能良好的胶乳弹韧性和低渗透防窜水泥浆体系。结果表明,①水泥浆体系在密度为1.90~2.30 g/cm3、温度为150~180℃范围内具有良好的工程性能和应用前景,为解决该类固井技术难题奠定了基础;②加砂可缓解水泥石强度衰退,高温下,加砂量与抗压强度呈正向关系,相同加砂量下,只加细砂强度表现更优,但长期强度增加幅度不如粗砂;建议150℃和180℃时,硅砂加量分别大于35%和45%;③基于乌氏黏度计法的聚合物耐温能力评价方法能有效评价降失水剂和缓凝剂的抗高温能力,是快速筛选高温井关键处理剂的重要辅助手段;④建议进一步开展H₂S介质等酸性气体对水泥石的腐蚀评价,有利于合理设计防气窜防腐水泥浆体系。      

北极永久冻土层固井水泥浆

近年来,北极地区石油勘探开发进度明显加快,市场前景良好。针对北极永久冻土层最低温度达-9℃的超低温以及该地区作业时间宝贵的问题,要求水泥浆体系在负温环境下候凝时间短且24 h有强度发展。通过研发低温胶凝材料C-SE8和缓凝剂H10S,并复配G级油井水泥和其他添加剂,分别用淡水、海水和14% NaCl溶液配制超低温水泥浆体系。评价结果表明,密度为1.50 g/cm3的水泥浆在-10℃下的24 h抗压强度可达3.6 MPa以上,密度为1.90 g/cm3的水泥浆在-10℃下的24 h抗压强度可达6.8 MPa以上;该体系适用温度为-10℃～30℃,浆体具有良好的流变性能,且稠化时间易调整,满足北极永久冻土层固井施工要求。      

川深1井固井水泥浆高温沉降稳定性研究与应用

川深1井是一口超深风险探井,完钻井深高达8420 m,井底温度178℃,为保证固井质量,水泥浆高温沉降稳定性至关重要。论文结合水泥浆在井底的顶替和静止自由沉降过程,利用高温高压稠化停机实验结合浆杯底部沉降颗粒层的厚度,建立了水泥浆高温沉降稳定性测试评价方法。基于水泥浆高温沉降失稳机理分析,从液相和固相角度出发,基于红外光谱检测分析提出了有机聚合物液相外加剂耐温能力评价技术,结合环境扫描电镜微观结构观察探明了硅砂粗细搭配以及超细材料微硅、液硅、纳米SiO₂以及胶乳对水泥浆高温沉降稳定性的影响及其作用机理。论文研究满足了1.90～2.30g/cm3水泥浆高温150～180℃沉降稳定性的要求,研究措施应用于川深1井五开油层尾管水泥浆体系设计中,水泥浆高温沉降稳定性良好,固井质量优良率88.1%。      

大温差低密度水泥浆体系在NP36-3804井的应用

NP36-3804井是新堡古2平台的一口开发井,钻井液密度为1.35 g/cm3,完钻井深为4 714 m,要求水泥浆一次性封固至地面,对水泥浆的稳定性和温度敏感性提出了更高的要求。通过实验,优选BXE-600S作减轻剂,其是一种根据颗粒级配理论配制的具有水化活性的水泥外掺料;用BCJ-310S作悬浮剂,其由无机材料与有机材料复合得到,其对混灰影响小;用AMPS多元共聚物BCG-200L防气窜剂,优选了耐高温、温度加量敏感性小、性能稳定的大温差缓凝剂BCR-260L,开发并使用了1.35和1.50 g/cm3的高强度低密度水泥浆体系。实践表明,该水泥浆体系流变性好,无游离液,密度差控制在0.03 g/cm3,API失水量在50 m L以内,稠化时间均满足施工要求,具有低温早强和水泥石抗压强度高等性能,能够满足封固生产套管的抗压强度要求。