纤维防漏增韧水泥浆应用研究

在室内进行纤维水泥防漏实验研究和纤维水泥增强增韧实验研究的基础上,进行了纤维防漏增韧水泥浆应用研究。试验中选择了低弹矿物纤维ZRF,该纤维分子链中含部分亲水基团,在一定范围较易分散,可以杂乱地分布于水泥浆中,使水泥硬化后具有显著的抗冲击性,射孔试验结果证实了纤维的这种作用。地面模拟实验结果和现场固井应用试验说明,防漏增韧水泥浆体系能够满足现场固井施工要求,既能提高水泥石韧性,又具有防漏功能,同时解决了固井过程中的水泥浆漏失和水泥石脆性的难题,有利于提高固井质量,延长油气井寿命。     

磁处理对水泥石强度的影响

微观试验分析了磁处理对滤液中离子浓度、水泥水化速度、水泥石孔隙结构和水泥石渗透性的影响。水泥浆经过磁化处理后,水泥颗粒的溶解能力增强、水化反应速度加快,水化产物增多,结晶-沉淀反应更快更完善,使水泥石的毛细管孔隙变小、结构变致密、渗透率降低、各种机械强度提高。     

油井水泥浆液-固态演变的结构与性能

固井水泥浆“失重”对固井质量具有严重影响,而固井水泥浆在液-固态转变过程中的结构和性能变化与“失重”密切相关。因此,通过XRD测试、TG测试及机械性能分析仪对固井水泥浆的液-固态转变过程中的性能演变进行分析;并结合环境扫描电子显微镜（ESEM）及新的制样方法定点观察水泥浆液-固态过程中的微观形貌。研究发现：固井水泥浆在液-固态转变中,Ca（OH）₂的生成速率明显增加,水化反应速率加快;随着水泥浆水化反应的进行,水泥颗粒被无定形的水化产物覆盖,使水泥浆颗粒之间相互支撑,让液-固态转变过程的水泥浆呈“骨架-孔隙结构”,降低水泥颗粒的流动性能;而随着水化反应的进一步进行,孔隙溶液中自由水量的降低,溶液中水化产物则结晶长大,降低了水泥浆中的孔隙率,使水泥浆的孔隙水压力不能有效传递,从而使水泥浆在液-固态转变过程中“失重”;并使水泥颗粒之间由物理键连接转变为化学键连接,增加水泥石抗压强度,降低水泥石的泊松比。     

脉冲振动处理对水泥石早期性能的影响

利用研制开发的水泥浆脉冲振动实验评价装置，对油田固井用的水泥浆进行脉冲振动处理，后采用电镜扫描（SEM），X衍射（XRD）和压汞（MIP）等方法研究了脉冲振动处理后对水泥石早期抗压强度、微观结构、水化产物及孔喉结构的影响。结果表明，脉冲振动处理水泥浆后，在不同的养护龄期、温度和水泥浆配方都能够提高水泥石的抗压强度值，具有普遍性；脉冲振动可以促进水泥早期水化，消除了水泥在水化过程中产生的裂纹及部分孔隙，凝固后水泥石内部结构更加致密，有利于水泥在水化早期形成高质量的水泥环，防止早期油气水窜的发生，对于提高水泥胶结质量具有重要意义。     

水泥浆性能对声波水泥胶结测井结果的影响

基于声波水泥胶结测井评价解释结果受被测介质声阻抗的影响，采用超声波测试方法探讨了常规水泥浆性能及其对水泥石声阻抗特性的影响规律。实验发现，不稳定的水泥浆体系，因固相颗粒沉降堆积、水泥浆水化不充分及凝固后体积收缩，严重影响了水泥环的层间封隔质量，但因其堆积后水泥石声阻抗值增加，声波水泥胶结测井时首波幅度降低，测井解释结果却较好。此外，空心漂珠低密度水泥石声阻抗值明显低于常规密度水泥石声阻抗值，固井后CBL首波幅度明显高于用常规密度水泥固井后测得的CBL首波幅度，常导致固井评价解释结果偏离实际封隔情况。研究结果表明，在评价固井质量时，应充分考虑水泥浆混合材质特性及水泥浆沉降稳定性对水泥石声阻抗的影响，以真实、合理地反映水泥环层间封隔质量。     

陆相页岩气水平井中增韧防气窜固井水泥浆体系的研究

针对陆相页岩气水平井固井低压易漏、大型多级压裂对水泥环韧性要求高等特点,研发了增韧防气窜固井水泥浆体系。首先,通过套管-水泥环-地层的地质力学模型,确定了页岩气井固井水泥石的力学性能要求;然后,通过水泥石的室内力学实验,优选了增韧剂的类型,优化了增韧剂和其他外加剂加量范围,确定了增韧防气窜水泥浆体系配方;最后通过室内实验评价了固井水泥浆体系综合性能,实验结果表明:增韧防窜水泥浆体系稠化过渡时间1 min,滤失量控制在20 m L以内,SPN值小于1,防窜性能好,制成的水泥石弹性模量较常规水泥石降低了27.5%,抗折强度增加了53.5%,渗透率降低了46.9%,韧性良好。所提出的增韧防气窜固井水泥浆体系能够满足页岩气水平井多级大型压裂增产改造的需要。     

低温胶乳盐水水泥浆体系研究与应用

针对浅层盐穴储气库井固井中存在的强度发展缓慢、水泥石韧性差等问题,开发了适用于浅层盐穴储气库井固井的低温胶乳盐水水泥浆体系.室内实验研究表明,该体系具有稳定性好、失水量低、水泥浆稠化时间可调、水泥石力学性能优良等特点,并且胶乳增强了水泥石的弹性形变能力,使水泥石韧性增强,有助于提高水泥石抗冲击破坏的能力.胶乳盐水水泥浆体系综合性能良好,能改善第一、二界面胶结,提高浅层盐穴储气库井固井质量.并成功应用于安宁盐穴储气库安资2井.     

硅烷偶联剂包覆油井水泥的性能与应用

为提高固井水泥环的耐久性,使用硅烷偶联剂KH-560对油井水泥颗粒表面进行包覆处理后以10%的加量加入固井水泥浆中配制成新型的自修复固井水泥浆体系。通过润湿性和水化放热试验研究了硅烷偶联剂包覆油井水泥的表面特性;通过SEM扫描电镜分析和固井水泥环微间隙与微裂缝自修复模拟试验研究了加入硅烷偶联剂包覆油井水泥的固井水泥浆体系固化体的微观结构和自修复性能。研究结果表明:硅烷偶联剂包覆处理后的油井水泥颗粒表面形成了憎水保护膜,降低了水化反应活性;将硅烷偶联剂包覆油井水泥以10%加量加入固井水泥浆后,明显增加了固井水泥环中的未水化产物数量,能够发生多次水化反应,为固井水泥环自修复性能的建立提供了有利条件;加入硅烷偶联剂包覆油井水泥的固井水泥浆固化体损伤试样(模拟微间隙与微裂缝)经过养护后抗窜强度恢复值高于50%,自修复能力优于普通的固井水泥浆,固井水泥环的耐久性和完整性增强,提高了复杂条件下的油气井和储气库的固井质量。     

纤维水泥防漏实验研究

在孔隙型低压地层、渗漏型地层和诱导裂缝性地层固井时,水泥浆低返一直是影响固井质量的一大技术难题.室内实验评价了ZRF防漏增韧纤维水泥浆的常规固井施工性能和防漏性能,分析了其抗渗作用机理及堵漏机理.ZRF防漏增韧纤维材料具有一定辅助降失水功能,可提高水泥浆的沉降稳定性,使游离水降至很少,能够降低水泥石的渗透率和体积收缩率.评价结果表明,ZRF纤维防漏增韧水泥浆可以同时解决固井过程中的水泥浆漏失和改善水泥石脆性的技术难题,能封堵3 mm以下的裂缝性漏失和孔径小于0.45 mm的渗漏性漏失.     

元坝气田抗高温耐腐蚀水泥浆体系研究及应用

针对四川盆地元坝气田在固井过程中面临的高温、高压及高含H₂S、CO₂酸性气体等难题,通过对防腐机理研究和实验对比方法,成功研制了抗高温防气窜防腐蚀胶乳水泥浆体系。室内实验结果表明：优选的高温缓凝剂可抗高温150 ℃;加入胶乳和稳定剂能降低水泥石渗透率和孔隙度,可显著提高水泥石防腐防气窜性能;通过颗粒级配原理,优选水泥加重材料,可保证高密度条件下水泥浆沉降稳定性、流变性、强度三者之间平衡协调。现场应用表明,所研制的水泥浆的固井质量得到明显提高,固井质量平均优良率达到72%,元坝酸性气田固井满足了后期开采要求,适宜进一步推广应用。     

复合膨胀剂对掺矿渣油井水泥性能的影响

针对普通油井水泥固井存在水泥浆高失水和水泥凝固过程中的体积收缩等问题，研究了G级油井水泥-矿渣-复合膨胀剂三元复合胶凝材料的膨胀与强度的协调性。通过汞压入法（MIP）和扫描电镜（SEM）等现代测试方法对矿渣油井水泥的水化硬化特性和机理进行了研究。试验结果表明，矿渣对改善G级油井水泥膨胀性能和力学性能有利；掺入煅烧MgO，在80 ℃水浴养护下，可得到比较理想的自生体积膨胀变形率，用限制膨胀来补偿水泥的限制收缩；掺钙镁复合膨胀剂，能改善矿渣油井水泥的微观结构，使得结构致密，抗压强度相应增加，可制备高性能膨胀油井水泥。     

CB-1复合材料提高水泥石塑性强度的试验研究

在实验室条件下研究了CB-1复合材料对水泥石塑性强度的影响,试验考查了随复合材料CB-1加量的增加水泥石抗压、抗折强度的变化,测定了不同CB-1加量下水泥石的渗透率。探讨了油井水泥外加剂对加有CB-1的水泥浆体系的综合性能的影响及加用CB-1提高水泥石抗折强度的机理。研究表明,所采用的塑性水泥浆的适用范围要宽,既能用于常规密度的水泥浆在不同温度下的施工,又要用于高密度或低密度的水泥浆的施工;同时其相容性要好,不但能提高水泥石的塑性,且还应与其他外加剂有良好的配伍性,方可提高水泥石的塑性强度。     

纳米SiO_2溶胶缓解油井水泥高温强度衰退的作用机理

油井水泥石强度衰退是高温固井所面临的主要难题之一,而添加纳米SiO_2能否缓解水泥石的高温强度衰退以及其作用机理是什么,还有待于验证和确认。为此,通过室内试验,基于X射线衍射仪、扫描电子显微镜和能谱仪分析水泥石的矿物组成、微观结构和水化产物的元素,测定了高温条件下(150℃/35 MPa)纳米SiO_2溶胶对G级油井水泥石抗压强度的影响及变化规律,据此研究纳米SiO_2溶胶在高温下对水泥水化产物的作用机理。研究结果表明:①纳米SiO_2溶胶可以提高G级油井水泥浆的稠度系数,对水泥浆的流变性会产生不利的影响;②在高温养护初期,纳米SiO_2溶胶会降低水泥石的抗压强度,但加入纳米SiO_2溶胶的水泥石的抗压强度不会随着养护时间的增加而产生明显的变化;③加入少量纳米SiO_2溶胶的G级油井水泥中的纳米SiO_2颗粒吸附在水泥矿物表面阻碍水化反应,能够缓解水泥水化产物的高温脱水变质,纳米SiO_2颗粒还可以提高水泥微观结构的致密性;④加入大量纳米SiO_2溶胶的G级油井水泥中的纳米SiO_2与氢氧化钙发生火山灰反应生成一种新型的、结构松散的薄片蜂窝状CSH产物,难以提供较高的抗压强度。结论认为,纳米SiO_2可以作为水泥添加剂以缓解油井水泥高温强度衰退,该研究成果为高温固井水泥浆体系的设计提供了一条新的思路。     

油井水泥水化过程中微晶作用机理分析

室内进行了掺入微晶的油井水泥和油井水泥原浆的常规对比试验、流变性对比试验、渗透率对比试验、水化热分析及显微结构分析等试验研究,提出了水泥水化过程中微晶作用机理是非均相成核的固相反应,其反应速度由扩散速率决定。微晶水泥具有低成本、高性能的特点。微晶水泥石气体渗透率低于1×10-3μm2,水泥石的抗压强度最高可达70MPa。试验证明微晶基本不影响水泥的性能,只对水泥石的形成和发展起作用。     

热解油基钻屑资源化利用(Ⅱ):掺渣水泥浆体系性能

针对油基钻屑热解吸处理后产生的残渣,尝试将其替代部分油井水泥（YJ）用于制备固井用水泥浆。首先研究了热解油基钻屑（PODC）掺量和水固比对油井水泥浆体性能的影响,同时利用等温量热仪（ICC）、X射线衍射分析仪（XRD）、压汞仪（MIP）和扫描电镜（SEM）分别测试了掺PODC水泥浆体早期水化放热量、水泥石水化产物、孔结构及微观形貌,并以降失水剂CHL、硅灰和晶体膨胀剂KW-4优化了掺PODC水泥浆体的工程性能。结果表明,随着PODC掺量增加,浆体流动度增大,密度减小,凝结时间延长,水泥石抗压强度有所下降;形成了技术套管用掺渣水泥浆体系PODC-6 :40% YJ+60% PODC+3% CHL+4%硅灰+2% KW-4,油层套管（非产层段）用掺渣水泥浆体系PODC-3 :70% YJ+30% PODC+3% CHL+3%硅灰+2% KW-4,水固比均为0.40,掺渣水泥浆体系各项工程性能均满足固井施工基本技术要求。微观分析表明,掺PODC水泥浆体的水化放热量降低,其水化产物主要为C—S—H凝胶和CH,较净浆水泥石水化产物明显减少,密实度有所降低。该研究可为热解油基钻屑资源化利用提供一种新途径,具有潜在的环保效益和经济效益。      

深水固井水泥性能及水化机理

针对深水固井中出现的低温、浅层水-气流动问题,测试了G级油井水泥-硫铝酸钙复合深水固井水泥体系的稠化时间、静胶凝强度、抗压强度、长期抗压强度和水泥石体积膨胀率,利用XRD手段表征了不同温度下水化产物和长期水化产物。结果表明:早期主要为硫铝酸钙矿物熟料水化生成钙矾石AFt,使水泥浆具有优异的低温早强、"直角稠化"、静胶凝强度"过渡时间"短和水泥石体积微膨胀的优点;后期主要为C₃S、C₂S水化生成水化硅酸钙凝胶C₂SH₂和Ca(OH)₂,水化硅酸钙凝胶C₂SH₂填充在钙矾石AFt晶体间,使水泥石结构致密,促进水泥石强度持续增长。体系中主要水化产物AFt、C₂SH₂凝胶稳定保证了水泥石力学性能的长期稳定。     

GJ-1保护气层防气窜水泥浆体系研究

分析了低渗透气田气层对水泥浆性能的要求和水泥浆抗气窜水泥浆体系。对该水泥 本系从宏观到微观，从水泥浆性质到水泥石特性进行了试验。结果表明，GJ－1水泥外加剂调整了水泥石内部的微观结构，提高了水泥石的韧性和抗冲击性；低失水量降低了水泥浆对产层的污染性；该水泥浆体系具有塑性胶乳特性，可使水泥浆具有良好的束缚自由水和固相微粒的能力和提高界面胶结的能力，在低失水量条件下具有形成致蜜坚韧的胶膜的特性，使水泥浆在候期间具有较强的防止地层流体窜入环空的作用，降低了水泥石的弹性系数，改善了水泥石的抗冲击韧性，提高了气层的封固质量，能防止油气水容，保护油气层。     

油基水泥浆在石油钻采工程中的应用

针对水基水泥浆在石油钻采应用中存在的不足,介绍了油基水泥浆的组成及性能。油基水泥浆遇油不凝、遇水快速凝固的特性使其在稳油控水、保护油层、提高采收率等领域具有广阔的应用前景。并整理和分析了聚合物及油基超细水泥浆在美国KANSAS州HAYS地区堵水的应用情况。     

胶乳防腐水泥浆在元坝地区的应用

元坝地区高压气层天然气中普遍含有H2S,影响固井质量和气井的寿命。为此,借鉴其他地区应用胶乳水泥浆的经验,结合元坝地区的特点,确定了胶乳水泥浆的基本配方。通过室内试验分析了影响胶乳水泥浆性能的敏感因素,结果表明,剪切速率、水质和密度等因素对其性能影响不大,虽然水泥浆的稠化时间随温度升高而缩短,但能满足元坝地区固井施工要求。采用扫描电镜观察水泥石腐蚀前后的结构变化、对比水泥石腐蚀前后的抗压强度和渗透率、测试水泥石的腐蚀率,评价了胶乳防腐水泥浆抗H2S腐蚀的性能,分析了胶乳防腐水泥浆抗H2S腐蚀的机理。试验结果表明,胶乳防腐水泥浆形成的水泥石具有较好的抗H2S腐蚀性能,在H2S体积分数为4.0%环境中的腐蚀率不到16%,远低于常规水泥石的腐蚀率。34井次的现场应用表明,胶乳防腐水泥浆可提高元坝地区气井固井质量。      

纤粒复合型油井水泥石增韧剂的性能及机理研究

针对国内油田油气井因后续施工(射孔、压裂、酸化等)造成水泥环脆裂的问题,根据断裂力学原理和复合材料理论设计配方,选用GX(1.0%的特种无机富硅纤维 2.5%的有机弹性颗粒)作为油井水泥石增韧材料;并对掺有GX的油井水泥浆的工程性能、物理性能、与其他外加剂的配伍性以及水泥石的微观结构进行考察,结合性能评价试验,分析了GX在水泥石中的增韧作用机理。结果表明,GX可以显著提高油井水泥石的韧性和弹性,并且与其他外加剂配伍性良好。