油井水泥膨胀性自修复剂机理研究

固井水泥石微裂缝严重影响层间封隔完整性、缩短油气井寿命,水泥石微裂缝自修复技术是解决这一问题的有效途径。然而,目前对于膨胀性自修复剂机理研究较少,缺乏理论支撑。提出利用填充系数评价水泥石微裂缝自修复效果,建立了膨胀性自修复剂封堵水泥石微裂缝的数学模型,明确了影响水泥石微裂缝自修复效果的主要影响因素。此外,根据巴西劈裂试验,设计了一种简单的、能够定量模拟水泥石微裂缝的方法。利用水泥石微裂缝自封堵评价仪,对自选择修复材料进行自修复评价实验,验证了自修复效果与自修复剂吸液倍率、加量、微裂缝宽度的关系。结果显示,自选择修复材料的遇水自修复临界填充系数为0.473,最大可封堵234 μm微裂缝;遇油自修复临界填充系数为0.490,最大可封堵150μm微裂缝。研究结果为膨胀性自修复剂实现固井水泥石微裂缝自修复奠定了理论基础。      

自修复油井水泥石力学性能与微观结构

关于自修复剂掺入水泥浆后对水泥石力学性能及微观结构的影响研究较少。自修复乳液掺量分别为0%、5%、10%、15%和20%，液固比均为0.44，各水泥浆试样在90 ℃水浴中养护3 d。结果表明，自修复乳液的掺入，降低了水泥石的弹性模量，随掺量的增加，水泥石的弹性模量降低较显著；自修复水泥石的强度高于普通水泥石，掺量较小时抗压强度更高，掺量较大时，抗折强度增幅更大。自修复乳液改变了水泥水化产物Ca(OH)₂晶体的微观形貌，使其不再呈叠片状堆积，而是乱向、松散分布且晶体形貌不规则，自修复胶粒沉淀分布于水化产物凝胶网络结构之间。自修复乳液降低了水泥石的孔隙率，增加了水泥石的平均孔径和最可几孔径。      

油井水泥自修复剂L-1的制备与评价

针对镁盐型膨胀剂快速微膨作用的特点,通过高温煅烧,钝化其活性,优选复配,制备了油井水泥自修复剂L-1。并经抗压强度和渗透率实验验证自修复剂膨胀性能,结果表明,L-1可通过二次微膨作用修复水泥石裂缝。X射线衍射(XRD)分析了自修复剂膨胀机理。     

储气库井弹性自愈合水泥浆体系及其性能评价

由于储气库存在季节性调峰需求,其工作时井筒水泥石会受到交变载荷作用,导致密封完整性易被破坏。针对这一问题,优选了自愈合评价方法,研究选择了一种结晶型自愈合剂（JHR-1）,分析了其自修复原理并以其为主体,在优选复配纤维JX46-12、丁苯胶乳PLT-100及其他外加剂的基础上,形成了密度1.89 g/cm3的弹性自愈合水泥浆体系,并对其性能进行了评价。结果表明,在养护14 d后其裂缝最大愈合宽度超过150 μm,28 d后超过250 μm;7 d压折比与抗冲击韧性分别为4.52、3.87 J/cm2,韧性较好,7 d胶结强度达到6.76 MPa;弹性模量仅5 018 MPa,弹性极限应力与应变分别为39 MPa、0.67%,弹性表现好;循环应力加载第5周弹性恢复率达50%以上,弹性恢复性能好,水泥石疲劳强度高。在储气库井口压力为13~39 MPa条件下可保持水泥石完整性,在载荷超过了水泥石弹性极限应力产生了微裂缝情况下也能快速修复裂缝。     

CCUS井工况下不同引晶材料对水泥石裂缝自愈合过程的影响

为了尽快实现碳中和的目标，二氧化碳捕获、利用和封存(Carbon Capture,Utilization and Storage——CCUS)技术不可或缺。由于CCUS高温高压的环境引起较大的应力和温度波动，水泥环易形成裂缝对CO₂的安全封存造成威胁。以碳酸钙晶须和氧化石墨烯作为引晶材料诱导水泥石裂缝表面碳化结晶，并研究其对水泥石裂缝自愈合进程的影响。实验结果表明，经过碳化自愈合反应不同的龄期后，分别掺入碳酸钙晶须和氧化石墨烯水泥石的抗压强度均高于空白水泥石。μ-CT的结果分析表明，掺入碳酸钙晶须和氧化石墨烯的水泥石裂缝体积的自愈率分别为55.24%和74.60%，要高于空白水泥石的18.32%；水泥石裂缝表面物相分析表明，随着碳化时间的增加，掺入引晶材料水泥石裂缝表面的CaCO₃晶体含量高于空白水泥石。由此说明碳酸钙晶须和氧化石墨烯作为引晶材料可提高水泥石裂缝在CCUS工况下的碳化自愈合能力。     

油层套管内压力变化与水泥石压力变化的相关性

在油气井中,油层套管内压力变化是最普遍、最常见的一种现象.油层套管内的压力变化不仅会引起油层套管发生变形和受力变化,还会引起水泥石和技术套管发生变形和受力变化.掌握了油层套管内压力变化和水泥石内外侧压力变化的相关规律,就能掌握油层套管、水泥石的载荷变化情况,从而有效地对油层套管、水泥石进行安全分析,并提出更为有效的油层套管保护措施.文章着重研究油层套管 水泥石 地层体系中油层套管内压力变化与水泥石压力变化相关规律,同时给出一些算例供读者参考,然后介绍油层套管 水泥石 技术套管 地层体系的一些求解处理方法,最后介绍水泥石内外侧压力变化值的应用.     

渤海浅层气防窜水泥浆体系的研究与应用

环空带压是渤海湾浅层气固井存在的一大技术难题,为此根据渤海湾浅层气特征,分析固井技术难点,设计了2种固井方案。方案A引入膨胀材料或增塑材料,方案B引入自修复材料。实验结果显示,当同时引入膨胀剂与纤维后,96 h胶结强度仅提高15%左右,因此可知水泥浆的防窜能力不会有明显改善。而引入自修复材料后,水泥石的裂缝封堵率达到95%以上。分析认为,方案B的自修复封堵性能和工程性能均满足设计要求,该水泥浆体系经现场应用,取得良好的施工效果。     

提高采收率油井水泥基自修复剂的研制

油气井完井之后,由于经历试井、测试和酸化、压裂等作业,使套管和水泥环受到温度、压力等因素大幅度变化的影响,固井水泥环的封隔性能产生破坏,水泥环空产生微间隙和微裂缝,从而形成井下地层流体的窜流通道造成层间封隔失效,这是困扰对油气井的生产的难题之一。解决流体窜流问题的最基本方法是采用成本昂贵的挤水泥大修井修复方法,但成功率较低,同时由于产生微裂缝的原因比较复杂,预防和处理的难度较大。为此,基于溶度积常数理论,开发出新型的水基自修复剂,通过设计合理的实验模拟水泥浆体系,利用X-射线衍射技术研究了其自修复过程遵循循环络合结晶沉淀机理。所研发的水基自修复剂加入水泥浆体系中具有很好的配伍性,加入5%的自修复剂能够明显的修复微裂缝,养护14 d后水泥石的渗透率能够恢复到90%。     

碳酸钙晶须与碳纤维混杂增强油井水泥石力学性能

针对油井水泥石易脆裂而造成油气井层间封隔失效的问题,通过实验研究了碳纤维、碳酸钙晶须及二者混杂对油井水泥石力学性能的影响,利用扫描电镜观察了水泥石微观形貌,并探讨混杂纤维增强水泥石的作用机理。实验结果表明:碳纤维、碳酸钙晶须及两者混杂纤维均能有效提高水泥石的抗压、抗折和劈裂抗拉强度;相对于单掺1种纤维,混杂纤维对水泥石的增强效果更好;混杂纤维水泥石具有明显的韧性,且混杂纤维显著提高了水泥石的力学形变能力。观察水泥石微观形貌和分析混杂纤维增韧机理后发现:碳酸钙晶须和碳纤维具有不同的尺寸、形貌和性能,能够在不同结构层次和荷载阶段发挥作用,控制微裂纹或裂缝的产生和发展,改善水泥石的强度和韧性。图20表5参27     

自愈合水泥浆体系在四川地区的应用

针对油气井开发过程中水泥环受损产生裂缝而破坏固井封隔效果,以烃触发溶胀型聚合物为自愈合乳液粒子,形成自愈合水泥浆体系。结果表明,自愈合乳液粒子的粒径在200～250 nm,其加量为10%时水泥石吸油愈合效果及机械性能较佳;8 d内水泥石裂缝愈合率达70%～100%,2 d抗压强度为16.2 MPa,弹性模量为6 GPa;渗流实验结果表明,水泥石出现大于0.1 mm裂缝时,柴油气流速由9 g/min降至6 g/min,小于0.1 mm的裂缝时柴油流速由6 g/min可降低为0。说明自愈合水泥石一旦产生损伤,裂缝中渗入的油气分子使自愈合乳液粒子自发膨胀黏连并逐步修复闭合裂隙,裂缝越小自愈合效果越好,实现了水泥石自愈合修复功能。现场应用表明,该水泥浆体系固井质量优质率达到 88.9%,固井及压裂后技术套管均不带压,显示出良好的应用效果。      

水泥基材料微裂缝自修复机理研究进展

水泥基材料微裂缝自修复(自愈合)机理和技术是国内外近年来的研究热点,该技术对提高水泥基材料的耐久性和可靠性意义重大.综述了国内外近年来水泥基材料微裂缝自修复机理研究的相关文献,归纳了对水泥基材料微裂缝自修复机理的主要研究成果及自修复机理的主要研究方法,分析了固井水泥环与建筑行业水泥基材料所处环境的差异.通过综述分析,结合国内外最新的固井水泥环自修复技术研究动态,阐述了固井水泥环自修复技术研究对保证油气井固井封隔质量和长期可靠性的重要意义.国内外的研究动态表明,固井水泥环的自修复技术将成为固井技术的一个新的发展方向,有重大的理论研究和工程应用价值.     

硅粉对水泥石强度发展影响规律

硅酸盐油井水泥石强度都有临界温度,当达到临界温度以上时,水泥石强度要发生衰退,水泥石渗透率增大,甚至水泥石强度完全丧失,严重影响了油气井测试、开发等后期作业的顺利进行.在水泥中添加适量的高温强度稳定剂硅粉,将C/S摩尔比降到1.0左右,不但解决了高温下水泥石强度衰退问题,而且能提高水泥石强度.通过室内试验,研究分析了纯油井水泥石强度在高温下强度发展规律及强度发生衰退的原因,并从硅粉细度、加量以及温度等方面,研究分析了硅粉与水泥石强度发展之间的关系,找到了高温强度稳定剂对水泥石强度发展的影响规律.即:高温条件下,随着硅粉加量的增加,水泥石强度增大,而且硅粉细度越小,其强度增高的越大;水泥石在高温下反应初期发生了小幅度强度衰退,当硅粉参与反应后,水泥石进行二次强度发展,而且硅粉越细,二次强度发展越早,强度也越高.     

基于多孔介质理论的油井水泥石破坏准则

水泥石是一种由水泥骨架和孔隙组成的多孔介质，井下水泥凝固水化后，孔隙中还会有自由水存在，并且与地层相通，所以水泥石力学行为会受到地层孔隙水压和外部载荷的影响。为进一步揭示油气井实际工况下水泥石的力学性能，引入多孔介质力学理论，对水泥石力学性能进行三轴力学实验研究，获得相关参数，从而确定了考虑孔隙水压的水泥石摩尔-库伦破坏准则。实验以嘉华油井水泥作为研究对象，通过改变围压、排水条件以及孔隙水压获得水泥石的各项力学参数。结果显示，孔隙水压是影响水泥石破坏强度的重要因素；不考虑多孔介质力学的水泥石摩尔-库伦准则模型为非线性；考虑多孔介质力学理论的水泥石摩尔-库伦包络线为线性并获得准则公式。      

�ֿ���ѡ������͸ˮ��ʯ�о���Ӧ��

针对目前对不渗透水泥石、高渗透水泥石和选择性渗透水泥石还没有统一定义的难点，文章率先对选择性渗透水泥石、选择性渗透能力进行了定义，并对选择性渗透水泥石进行了分类。优选了用于粗颗粒选择性渗透水泥石的无机胶凝材料，开发了相应的早强剂。介绍了粗颗粒选择性渗透水泥石一次选择性渗透能力的实现方法。分析了影响水泥石渗透率和强度的因素。最后进行的粗颗粒选择性渗透水泥石用于现场防砂的试验表明，粗颗粒选择性渗透水泥石可以作为一种防砂兼顾堵水的新型材料。     

多组分油井水泥石弹性模量预测模型

针对目前多组分油井水泥石弹性模量测试的复杂性和重复性差,弹性模量预测缺乏理论模型的现状,利用高精度抗压抗折一体机探索了多组分油井水泥石弹性模量的变化规律,建立了多组分油井水泥石弹性模量预测模型。通过实验数据验证了模型的可行性,实验发现,对于两组分油井水泥石弹性模量的计算,只需要测定弹性材料体积分数为0和0.2这2个端点的弹性模量大小,然后根据线性关系就可以在整个[0,0.2]区间内建立油井水泥石弹性模量预测模型。而多组分油井水泥石弹性模量变化规律在[0,0.2]区间内呈非线性变化,通过反推法和相关系数法确定多组分油井水泥石弹性模量的预测模型参数。该模型的建立对于减少实验工作量和进行深入的理论研究具有重要的借鉴意义。      

S形水泥浆强度发展曲线成因分析及消除方法

水泥石在高温时会出现强度衰退现象,添加硅粉可以防止高温下水泥石强度的衰退,但在研究和实际应用中发现添加硅粉后水泥石在高温下还会出现强度衰退现象,导致水泥浆高温下的超声波强度发展曲线呈现S形。为了防止水泥石发生高温强度衰退影响固井质量,消除S形强度发展曲线,利用X射线粉末衍射仪（XRD）分别对抗高温高密度水泥浆在强度发展过程中12,24,48和90 h等时间点处的水泥石进行物相分析,根据物相分析结果探究S形强度发展曲线的成因。结果表明:水化反应前24 h,硅粉未参与反应,且5.0%的微硅粉不足以阻止C-S-H凝胶向低强度α-C2SH转变,因而水泥石出现高温强度衰退现象;水化反应24 h后,硅粉开始参与水化反应,阻止水泥石发生强度衰退。研究表明,硅粉活性不足是导致水泥浆强度发展曲线呈现S形的原因,增大硅粉比表面积可以提高其活性,防止水泥石出现短暂高温衰退现象,消除S形水泥浆强度发展曲线。      

SiO2晶态物性对高温水泥石力学性能的影响

油井水泥石高温力学性能衰退会对深层油气井安全性及服役寿命造成很大影响。研究水泥石高温强度衰退规律将有助于改善水泥石的长期高温力学性能。硅溶出是造成水泥石高温力学性能衰退的主要原因之一,但未引起重视。重点研究了温度对不同晶态硅溶解度的影响,并结合高温加砂水泥石抗压强度进行分析。结果表明,硅溶解度随温度上升而增加,相同温度下非晶硅的溶解度远大于晶体硅;随硅溶解度的增大,水化前期的硅溶解促进水泥石早期高温抗压强度发展,高温反应后期水化产物会发生硅溶出,造成水泥石高温强度衰退;静态水中水泥石高温抗压强度比动态水中更高且更加稳定;养护环境中硅饱和程度高,水泥石的高温力学性能更稳定。从高温硅溶出角度分析,以晶体硅为主,少量非晶硅为辅的不同晶态硅将有助于保持水泥石高温力学性能稳定。      

水镁石纤维对固井水泥石力学性能的增强效果及机理

固井水泥石的脆裂微裂缝破坏了水泥环完整性,从水泥材料方面改善水泥石的性能一直是国内外固井界研究的一个热点。为此,实验研究了水镁石纤维对水泥石劈裂抗拉强度、抗压强度和抗折强度的影响;模拟井下环境进行了水镁石纤维水泥石的三轴应力-应变测试;使用扫描电镜观察水镁石纤维水泥石的微观形貌,进而探讨了水镁石纤维对水泥石的增强机理。结果表明：①水镁石纤维掺量适当时,水泥浆的应用性能良好;②水镁石纤维显著增强水泥石力学性能,水镁石纤维掺量为5.0%（质量分数）时,水镁石纤维水泥石的28 d劈裂抗拉强度、抗压、抗折强度较之纯水泥石分别提高32.8%、15.3%和32.2%,而其弹性模量较之空白试样水泥石降低34.5%;③水镁石纤维的亲水性良好,可在水泥石中乱向分布形成三维网络结构,通过拔出耗能作用和桥联作用控制了微裂纹的产生和发展,增强了水泥石力学性能。     

适用于储气库固井自愈合水泥浆体系

针对储气库在交变载荷作用下易发生封隔失效的问题,优选了热熔型自愈合材料RS-1,研究了其对水泥石自愈合的影响规律,同时为改善体系水泥石的弹、韧性及胶结强度,加入纤维增韧剂XW46和膨胀剂BS500,配合其他外加剂形成了密度1.89 g/cm~3的自愈合水泥浆体系,研究了该体系的常规性能、自愈合性能和力学性能。研究结果表明,自愈合水泥石1 d愈合缝宽可达150μm以上;7 d压折比与胶结强度较常规水泥浆分别提高33%、67%;弹性模量仅5854 MPa,弹性极限应力与应变则分别为37 MPa、0.77%,同时交变循环应力加载第7周时弹性恢复率达77%以上。该自愈合水泥浆体系适用于储气库75数90℃的井口压力为13数37 MPa范围的储气库固井。图5表5参16     

功能材料对固井水泥石力学性能的影响

固井工程中,水泥石力学性能是影响固井质量的重要因素。通过加入一定量的功能材料,可以增强水泥石的抗冲击能力和应变恢复能力,有效改善固井质量。为研究不同功能材料对固井水泥石力学性能的影响,选用韧性剂和弹性剂2种功能材料,配制韧性和弹性水泥浆并养护成水泥石,利用三轴应力应变实验,通过弹性模量、残余应变等考察不同类型水泥石力学性能。同时,通过功能材料特性,分析功能材料提高固井质量的作用机理。研究表明,两种功能材料都能有效降低水泥石弹性模量和残余应变,减小水泥石脆性,增强水泥石应变恢复能力。韧性剂提高了水泥石的韧性,有效防止了水泥石破裂形成裂缝,保证了水泥石的长期完整性;弹性剂则大幅度增强了水泥石弹性,减少了微环隙的形成,提高了水泥石的封隔能力。