酰胺改性碳纳米管对固井水泥浆性能的影响

为提高无分散剂条件下碳纳米管在固井水泥浆中的分散性,对碳纳米管表面进行酰胺化改性并进行了红外表征,通过水泥石中不同区域导电性的差异程度来评价其分散效果,同时考察了酰胺化碳纳米管对固井水泥力学性能和综合性能的影响。研究表明,碳纳米管分散剂（阿拉伯胶）加量大时对水泥浆存在缓凝、沉降等消极影响,使得水泥石强度降低51.4%,上下密度差达1.309 g/cm3;对碳纳米管进行酰胺改性后,无分散剂条件下可实现碳纳米管在水泥浆中的均匀分散,空间导电率方差与未改性相比降低为原来的0.1%以下;改性材料的水润湿性更强,掺入0.06%酰胺化碳纳米管可使固井水泥浆的抗压强度、抗折强度、抗拉强度、抗冲击功分别提高33%、30%、61%、33%。酰胺化碳纳米管对固井水泥浆的稠化、析水、失水等综合性能均无影响,同时可分别降低水泥石渗透率和孔隙度达22.9%和25.5%。结果表明,酰胺化碳纳米管在无分散剂条件下能够均匀分散于固井水泥浆中,并且提高其力学性能,具有一定的应用前景。     

纳米溶胶在水泥浆中的应用*

纳米SiO_2可改善水泥石的力学性能,但其不能在水泥浆中被充分分散。针对这一问题,以Alko-S烷氧基硅烷为原料制得一种能在水泥浆中被有效分散的纳米溶胶MCRO-T1。研究了MCRO-T1对水泥浆常规性能、水泥石力学性能、渗透率和微观形貌的影响,并在渤海湾进行了现场应用。结果表明,MCRO-T1中的SiO_2固相含量为45%,平均粒径为25 nm。当加入1%的MCRO-TI,水泥浆早期强度发展时间缩短了1/3,水泥石抗压强度提高62.3%,抗折强度提高21.4%,渗透率降低52.1%。纳米颗粒填充在水泥石内部的空隙中,增加了水泥石结构的致密性,提高了水泥石的韧性。将MCRO-T1应用到渤中尾管固井水泥浆体系中,水泥石早期强度得到有效提高,固井质量明显改善,解决了渤海湾油气藏地层密封失效的问题,对渤海湾潜山气藏的勘探具有重要意义。图5表2参16     

页岩气小井眼水平井纳米增韧水泥浆固井技术

为了提高页岩气小井眼水平井固井质量,保证水泥环压裂封隔效果及压裂后的完整性,研究了纳米增韧水泥浆及其配套技术。采用纤维复配碳纳米管,研制了纳米增韧水泥浆,其形成的水泥石具有低模量、高抗拉的特点。与常规水泥石相比,纳米增韧水泥石的弹性模量降低50.9%,抗压强度提高28.1%,抗拉强度最高可达5.2 MPa。同时,研究了配套的碳纳米管三级混配工艺,解决了大剂量纳米材料易缠绕、难分散的问题,首次实现了碳纳米管水泥浆的现场应用。纳米增韧水泥浆固井试验结果表明,水平段固井质量合格率达98%;采用微地震井中监测技术评价了纳米增韧水泥环封隔效果,压裂过程中设计外区域的微地震事件为0,表明纳米增韧水泥环封隔良好。研究表明,纳米增韧水泥浆可为页岩气高效低成本开发提供技术支撑。     

新型低温固井早强剂性能研究

针对浅层低温导致水泥浆强度发展缓慢的问题,通过分散-共沉淀法制备了一种新型低温固井早强剂ES-22,并对制备早强剂的粒径及微观结构进行分析。比较了在低温条件下,新型早强剂ES-22与其他无机早强剂对水泥浆强度发展的影响,并研究了新型早强剂不同加量对水泥浆性能的影响规律。研究表明,制备的早强剂ES-22粒径主要集中在15～25μm之间。与其他早强剂相比,新型早强剂ES-22对水泥石早期抗压强度提升最大,且制备的早强剂在低温环境下对水泥石力学性能提升更大。早强剂掺入水泥浆中对水泥浆流变性影响不大,稠化时间无大幅度缩短,失水量降低。在20℃下养护24 h后,含4%早强剂水泥石的抗压强度和抗折强度比空白水泥石分别提高了204%和136%。新型早强剂在固井水泥浆中有很好的应用效果。     

水平井水泥石力学性能的实验评价

为了提高水平井固井质量,需要对水平井水泥石进行科学而准确的评价,从而为有效改善水平井水泥浆性能提供更加可靠的理论依据。通过模拟水平井实际环境条件,对水平井固井常用的两种水泥浆体系进行了性能测试评价,得出其常规性能（析水、流动度、稠化时间等）虽满足固井施工要求,但水平段水泥环的水泥石力学性能表现出整体非均匀性的认识：水泥石胶结强度及弹性模量上部分较下部分小;水泥石泊松比上部分较下部分大,下部分水泥石的弹塑性形变能力较上部分弱;扫描电镜清楚观察到水平段水泥环的上部分疏松多孔,针状物质为纤维,下部分致密、严实。该实验成果为有效解决水平井固井质量问题提供了科学依据。     

外加剂对矿渣-粉煤灰地聚合物固井水泥浆的影响

针对地聚合物固井水泥浆凝结时间短、表观黏度及滤失量大等问题,基于凝结时间、表观黏度和滤失量等性能参数,研究了缓凝剂、分散剂和降失水剂对地聚合物固井水泥浆的影响。结果表明:缓凝剂氯化钡和硼砂仅起到微弱的缓凝作用,而氟硅酸钠缓凝效果很好,且具有提高水泥石抗压强度的能力;分散剂木质素磺酸钠和萘系减水剂具有一定程度的分散性能,且相同注入量下萘系减水剂比木质素磺酸钠降黏效果好,而聚羧酸减水剂表现为增稠效果;降失水剂CMC和CMS均具有明显降滤失能力,相同注入量下CMS降失水性能优于CMC,二者均能够提高凝结3 d的水泥石抗压强度。该研究为完井作业中水泥浆的选择提供了借鉴。     

矿物纤维低密度水泥石力学性能研究

目前低密度水泥石多存在韧性不足、抗拉强度、抗折强度低等问题,给低密度水泥浆在深井、超深井井筒完整性带来忧患,因此改善低密度水泥石力学性能具有重要的意义。通过考察抗压强度、抗拉强度、抗折强度、弹性模量,对新型材料玄武岩纤维和目前现场常用的聚丙烯纤维改善水泥石力学性能的效果进行了对比。结果显示:在较低加量范围内玄武岩纤维对水泥浆流动性影响不大,可以和聚丙烯纤维一样显著降低水泥浆API失水和自由水含量,提高水泥石的抗压和抗折强度,显著提高水泥石的抗拉强度,在掺量为0.5%时可使水泥石抗拉强度提高50%;同时可以降低水泥石弹性模量,提高水泥石的韧性。玄武岩具有较好的经济适用性,在油气井固井中有较大的开发应用潜力。     

碳纳米管改性水泥石力学性能研究

随着非常规油气的勘探开发，超深井、复杂井、页岩气井等对固井质量的要求越来越高，现有水泥基材料性能已经不能满足要求，需要探索新型材料在水泥基材料中的应用以及对水泥石的性能改造。从碳纳米管自身的特点出发，制备稳定性较好的碳纳米管分散液，通过水泥石抗压强度、抗折强度测试、单轴三轴力学性能实验以及微观结构测试对碳纳米管的加量范围、分散效果进行了讨论，分析碳纳米管对水泥石力学性能的影响规律。实验结果表明，0.05%~0.1%碳纳米管加量能够提高水泥石的抗压、抗折性能，并且随着龄期的增长其增强效果更加明显；碳纳米管能够降低水泥石的弹性模量，同时增大塑性形变，使水泥石韧性增加；碳纳米管对微观结构的增强增韧机理表现为拨出、桥联、纳米诱导效应和网状填充效应，经过分散的碳纳米管与基体的相容性较好。      

彭水区块页岩气水平井固井技术研究与应用

为了提高页岩气水平井固井质量,满足分段压裂需求,结合彭水区块固井技术特点,对水泥浆体系和固井工艺进行了研究。针对页岩气压裂需求,研究固井技术对策,并开展数值模拟,分析了压裂过程水泥石受力状态,形成降低弹性模量和提高水泥石抗拉强度的改性要求。利用力学分析结论,优选SFP弹塑性水泥浆体系,弹性模量降低50%,抗拉强度提高50%,满足分段压裂水泥石力学性能要求。为提高顶替效率,优选弹性扶正器及安放方案,利用高效溶剂型冲洗液体系和冲洗技术,以提高固井质量。水泥浆体系和工艺技术在彭水区块4口井开展应用,目的层固井质量胶结中等达到96%以上,压裂施工过程未见层间窜现象。     

纳米材料在固井中的应用研究进展

将纳米材料引入固井水泥浆,可改善固井质量、提高水泥石强度、保持井筒完整性。本文介绍了国内外纳米材料在固井中的应用研究进展,包括纳米二氧化硅、纳米氧化铁、改性碳纳米管、多壁碳纳米管、纳米黏土和其他的纳米材料,对纳米材料在固井中应用存在的问题和发展方向进行了探讨,为纳米材料在固井领域的进一步应用与研究提供了参考价值。     

新型油井水泥分散剂SDJZ-1的研制与应用

用正交优化实验对磺化醛酮缩聚物的合成工艺进行了最佳配比的优化选择实验,确定出了最佳合成条件,研制出了磺化醛酮缩聚物作为油井水泥分散剂SDJZ-1,并对其进行了系统评价.评价结果表明,磺化醛酮缩聚物对水泥浆的流变性能具有较强的调控能力,分散效果显著,磺化醛酮缩聚物固相加量为0.4%～0.8%时,水泥浆的初始稠度低,流性指数可由原浆的0.3升高到0.8,甚至达到1.0;具有良好的抗温性、抗盐性,与降失水剂、缓凝剂等有良好的相容性.现场应用表明,水泥浆流动性能良好,流性指数根据需要可以调节;稠化性能稳定,高温下没有闪凝现象;体系沉降稳定性能良好;同时水泥浆抗压强度发展迅速,高温条件下水泥石性能稳定,符合深井固井的要求.     

改性碳纳米管对水泥石力学性能的影响

为满足储气库和高压油气井对水泥石力学性能的要求,优选了改性碳纳米管TNIMH4(—OH)和TNIMC6(—COOH)。考察了他们对水泥浆综合性能及水泥石力学性能的影响。通过抗压强度实验可知,掺入0.01%的TNIMH4能使水泥石强度增加4.32%;掺加0.07%的TNIMC6能使水泥石强度增加19.18%,当TNIMC6与TNIMH4加量相同时,添加TNIMC6的水泥石强度大于添加TNIMH4的水泥石强度。通过三轴岩石力学实验可知,添加TNIMC6的水泥石的三轴抗压强度比空白组增加了41.21%,弹性模量由3 692.5 MPa增加到4 366.5 MPa。通过扫描电镜观察发现,低加量的碳纳米管能在水泥石中较好地分散,随着碳纳米管含量的增加,碳纳米管在水泥石中开始出现团聚现象,增大了水泥石的不均质性,影响水泥石的强度。     

新型聚羧酸减阻剂的研究与应用

针对伊拉克地区夏季环境温度高导致现场配制的水泥浆触变性强,可泵性差,现有减阻剂难以使水泥浆保持良好分散能力,严重影响固井施工安全的问题。以聚乙二醇二丙烯酸酯、甲基丙烯酸、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸和芳香磺酸类单体等为原料,合成了一种新型聚羧酸油井水泥减阻剂BH-D301L。采用正交实验得到了最佳合成原料物质的量比为1∶4∶1∶1,反应温度为80℃,反应时间为2 h,引发剂加量为0.4%。通过红外光谱分析和渗透凝胶色谱表征证明了合成产物为共聚物,参考API RP 10B标准评价了加入减阻剂的不同水泥浆体系的综合性能。实验结果表明,加量分别为0.5%和1.0%的减阻剂对常规密度的自来水和饱和盐水配浆水泥浆体系的流变性能有明显改善,体系抗压强度和稠化时间符合行业标准要求。在模拟环境温度45～65℃下,加有1.0%减阻剂的高密度含盐水泥浆的流性指数大于0.7,稠度系数小于0.58Pa · sn,体系触变性增强现象减弱,静切力差小于3 Pa,24 h抗压强度超过14 MPa,水泥浆体系稠化、沉降稳定性均能满足固井施工要求,并在现场得到了很好的应用。      

新型聚羧酸减阻剂的研究与应用

针对伊拉克地区夏季环境温度高导致现场配制的水泥浆触变性强,可泵性差,现有减阻剂难以使水泥浆保持良好分散能力,严重影响固井施工安全的问题。以聚乙二醇二丙烯酸酯、甲基丙烯酸、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸和芳香磺酸类单体等为原料,合成了一种新型聚羧酸油井水泥减阻剂BH-D301L。采用正交实验得到了最佳合成原料物质的量比为1∶4∶1∶1,反应温度为80℃,反应时间为2 h,引发剂加量为0.4%。通过红外光谱分析和渗透凝胶色谱表征证明了合成产物为共聚物,参考API RP 10B标准评价了加入减阻剂的不同水泥浆体系的综合性能。实验结果表明,加量分别为0.5%和1.0%的减阻剂对常规密度的自来水和饱和盐水配浆水泥浆体系的流变性能有明显改善,体系抗压强度和稠化时间符合行业标准要求。在模拟环境温度45～65℃下,加有1.0%减阻剂的高密度含盐水泥浆的流性指数大于0.7,稠度系数小于0.58Pa · sn,体系触变性增强现象减弱,静切力差小于3 Pa,24 h抗压强度超过14 MPa,水泥浆体系稠化、沉降稳定性均能满足固井施工要求,并在现场得到了很好的应用。     

抗盐高性能水泥浆体系研究与应用

伊拉克米桑油田井底普遍存在高压盐膏层,由于盐层蠕变致使井径缩小、冲蚀和溶解盐层导致水泥浆含盐量越来越高、密度窗口窄、顶替效率低等难点给固井质量带来挑战。针对目前常用的半饱和NaCl溶液或者（3%～5%） KCl溶液配浆存在的水泥石抗压强度低,界面胶结差的问题,优选含有25% NaCl和5% KCl高盐混合水配制水泥浆,配套抗盐降失水剂、分散剂、缓凝剂等外加剂,解决了因高盐混合水配浆可能带来的水泥浆增稠、触变等问题,构建了一种抗盐高性能水泥浆体系。室内研究表明,该套水泥浆体系能抑制盐的溶解,配制密度为2.39 g/cm3的水泥浆,最低只需加入30%铁矿粉,在降低水泥浆成本的同时大幅度提高了水泥石的抗压强度,使其24 h抗压强度可达48 MPa,较目前应用水平提高近一倍;水泥浆污染后24 h强度依然大于14 MPa,能够保证米桑油田盐膏层固井质量,可在伊拉克米桑油田推广应用。      

粒径对油井水泥水化热及力学性能的影响

油井水泥的粒径与其性能和用途密切相关,考察了3种粉磨方式下不同粒径分布油井水泥浆的性能。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）分别测试了不同粒径水泥颗粒早期水化放热速率、水泥石水化产物、孔结构及颗粒微观形貌。结果表明,物理粉磨方法只能将颗粒超细化,不能纳米化;相同水灰比的水泥浆,其原料颗粒粒径分布对浆体密度、水化产物无明显影响。但随水泥颗粒粒径的减小,浆体稠化时间缩短、流变性变差、析水率降低,稳定性增加。同时,超细水泥颗粒反应活性增强,水化放热量及放热速率增加,水灰比为0.5的0.013mm超细水泥（MC1000-0.5）24 h累积水化放热量较水灰比为0.5的普通G级水泥（G-0.5）提高了91.03%。在短期内生成了更多的水化产物,提高了水泥石早期强度及抗渗性能,且降低了水泥石的总孔隙率,水灰比为0.7的0.013 mm超细水泥（MC1000-0.7）水泥石的1 d龄期抗压、抗折强度较水灰比为0.7的普通G级水泥（G-0.7）分别提高了226.32%、153.13%,其28 d龄期总孔隙率及渗透率较G-0.7水泥石分别降低了10.1%及41.7%,但后期抗压强度增长幅度不大。      

一种油井水泥石高温稳定剂

针对普通加砂水泥石经受高温后抗压强度衰退的问题,研发出一种油井水泥石高温稳定剂,该稳定剂对水泥浆的稠化时间、水泥石常温强度发育、流变性无副作用,与油井水泥外加剂配伍性良好,形成的水泥石高温下（320℃、450℃）抗压强度不衰退,优于加砂水泥石及超细二氧化硅水泥石。同时加入高温稳定剂的水泥浆还具有很好的胶结强度,约是加砂水泥石环的4倍,超细二氧化硅水泥石环的3.5倍。该高温稳定剂在蒙古林油田现场应用2口井,整个施工过程顺利,固井质量较好,一二界面胶结质量良好,具有良好的应用前景。     

一种油井水泥石高温稳定剂

针对普通加砂水泥石经受高温后抗压强度衰退的问题,研发出一种油井水泥石高温稳定剂,该稳定剂对水泥浆的稠化时间、水泥石常温强度发育、流变性无副作用,与油井水泥外加剂配伍性良好,形成的水泥石高温下（320℃、450℃）抗压强度不衰退,优于加砂水泥石及超细二氧化硅水泥石。同时加入高温稳定剂的水泥浆还具有很好的胶结强度,约是加砂水泥石环的4倍,超细二氧化硅水泥石环的3.5倍。该高温稳定剂在蒙古林油田现场应用2口井,整个施工过程顺利,固井质量较好,一二界面胶结质量良好,具有良好的应用前景。