高温水热条件下水泥石强度衰退的研究

本文研究了几种常用油井水泥在高温水热条件下水泥石抗压强度衰退的规律,提出了掺加适当比例石英砂(SiO_2)抑制水泥石高温强度衰退的方法。方法表明是行之有效的。本研究对深井、超深井及地热井的固井水泥浆设计具有一定的指导意义。     

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。     

加砂油井水泥石高温力学性能衰退机制研究进展

加砂油井水泥是常用高温固井材料,但在部分高温地层服役时存在短期内水泥石力学性能明显衰退及水泥环层间封隔失效问题,明确其高温力学性能失效机制将有助于合理使用加砂油井水泥。为此,笔者调研了国内外加砂油井水泥高温水化产物和石英砂（掺量、粒径）对加砂水泥石力学性能影响的相关文献,并对其进行了归纳分析。结果表明:加砂油井水泥石在110~210℃温度下服役,可长期保持较好的抗高温性能;在210~300℃静态水环境下,通过调整石英砂级配和掺量可延缓水泥石高温下力学性能的衰退;地层温度超过300℃且处于动态水环境时,由于SiO2大量溶出,加砂油井水泥石难以满足热采井固井质量要求。此外,基于对加砂水泥石硅溶出、水化产物脱钙现象及硬硅钙石晶粒形貌变化的分析,探讨了加砂油井水泥石高温力学性能失效作用机制,并提出了改善其高温力学性能的技术措施。      

河南油田新庄、杨楼区块稠油热采井固井水泥浆

针对河南油田新庄、杨楼稠油热采井固井施工中存在的问题，通过对固井水泥石强度耐高温机理的分析、高强低密度水泥浆体系的研究及耐高温低密度水泥浆性能试验，筛选出了较为适宜的热采井固井水泥添加剂及其适用配比，设计出了耐高温高强低密度水泥浆配方。该配方具有低温早强、失水量低、水泥浆体稳定、水泥石致密、微触变等特点，较好地解决了水泥石高温下强度衰退和固井过程中水泥浆漏失的问题。     

活性外掺料提高油井水泥石抗二氧化碳腐蚀能力研究

为提高固井水泥环的抗CO2腐蚀能力,开发了富硅铝质活性外掺料（HA）。通过比较不同碳化龄期水泥石的抗压强度、分析孔结构、测定渗透率、分析碳化层的成分和显微形貌等方法,对水泥石的抗碳化性能进行了研究。结果表明,加HA水泥石抗CO2腐蚀能力明显优于净浆水泥石和掺硅灰水泥石:加HA水泥石在CO2压力2 MPa、95 ℃腐蚀介质中养护28和90 d后,试样的抗压强度为35.4和33.7 MPa,较同龄期盐水养护试样分别降低了3.01%和13.14%（净浆水泥石分别降低了7.75%和31.15%）,试样总孔隙率分别为19.87%和21.45%（净浆水泥石分别为28.81%和31.85%）,且有害孔（直径100 nm）所占比例小;在7 MPa驱替压力下,两个腐蚀龄期的加HA水泥石均未发生渗滤（净浆水泥石的渗透率分别为1.21×10-3 μm2和1.68×10-3 μm2）;碳化90 d后的加HA水泥石外层试样中CaCO3的衍射峰强度明显低于净浆水泥石,且碳化试样的产物呈连续致密,与净浆水泥石腐蚀后形成颗粒的结构明显不同。      

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。     

固井振动器套管内振动对水泥石强度影响试验

为改善调整井固井质量,开展了固井振动器套管内振动技术研究,阐述了Φ139.7 mm套管固井振动器系统,同时开展了振动器套管内振动对水泥石强度影响的试验研究。固井振动器系统主要由地面控制单元、传输电缆、电缆接头和固井振动器等组成,固井振动器振动波穿过钻井液和套管作用于水泥浆,从而改善水泥浆的水化性能。通过室内模拟试验,测得了振动器振动对水泥石抗压强度、第一界面和第二界面胶结强度的影响,试验数据表明水泥石抗压强度提高11.50%~23.32%,第一界面胶结强度提高19.37%~32.55%,第二界面胶结强度提高7.62%~16.90%。试验结果为固井振动器的现场应用提供了理论依据。     

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。     

高温高性能低密度水泥浆的室内研究

针对高温、低压易漏以及封固段长等固井难点,开展了密度为1.2 g/cm<'3>长封固段高温水泥浆的研究.选择耐高压合成钠硼珠为减轻剂,基于紧密堆积理论设计高温低密度高性能水泥浆,开发出了配套的缓凝剂BCR-300S和降失水剂BCF-230L,并研究了耐高温低密度水泥浆的高温稳定性、流变性、水泥石在高温下的强度稳定性以及顶部强度发展情况.研究结果表明,含有钠硼珠的低密度水泥浆密度在高压下变化较小,高温下浆体稳定(≤0.05 g/cm<'3>);水泥浆在180 ℃下稠化时间和失水性能可调;水泥石在230 ℃下养护24 h强度达18 MPa,强度7d不衰退,并且水泥浆顶部强度发展较快.     

复合加砂抗高温防衰退水泥浆体系路

普通加砂G级水泥无法满足异常高温固井,水泥石高温强度衰退严重。针对高温深井固井问题,开展了在145~180℃下35%硅粉加量水泥石强度衰退机理研究,探索了170~200℃高温下硅粉粒度、加量及硅粉复配对水泥石强度发展的影响规律,优化出抗高温防衰退水泥浆体系。研究结果表明:①在温度大于160℃下,加量为35%硅粉的水泥石养护30 h时开始强度衰退,温度越高,衰退越早;②根据粗、细硅粉对水泥石强度发展的影响,得出0.18、0.09 mm硅粉及液硅比例为30:60:10,复合加量70%时,可以抑制200℃水泥石强度衰退;③优化出抗温为170~200℃、密度为2.08~2.41 g/cm3的复合加砂抗高温防衰退高密度防气窜水泥浆体系。通过以上研究,不但抑制了水泥石强度持续衰退,也改善了水泥石长期力学性能,对高温高压气井的良好封固提供技术支撑。      

低温高强韧性水泥浆在致密油水平井的应用

长庆油田致密油延长组油层埋藏浅,井底静止温度低,常规水泥石强度发展慢、脆性强,大型体积压裂易导致水泥环密封完整性破坏,严重威胁致密油开采和油井寿命。针对以上难题,优选了低温促凝早强剂DRA、低温增强材料DRB和膨胀增韧材料DRE-300S,并结合配套固井外加剂,开发了综合性能良好的低温高强韧性水泥浆体系。该水泥浆体系在55℃条件下,24h抗压强度达到35.8 MPa,168 h抗压强度为50.6 MPa,抗压强度较常规体系提高了33.1%,弹性模量降低了14.3%,表现出良好的低温高强韧性特性,增强了水泥环在交变应力作用下的密封完整性。该体系在长庆致密油水平井φ139.7mm生产套管固井中进行了4次现场应用,现场应用效果良好,为低温高强韧性水泥浆体系的推广应用奠定了技术基础。      

高密度水泥浆沉降稳定性评价方法探讨

针对高密度和超高密度水泥浆设计中凝结沉降稳定性迄今仍无依据的问题,研制出了水泥浆凝结沉降稳定性指标确定装置,依据凝结水泥石的纵向抗压强度满足固井质量要求的思想,提出了高密度和超高密度水泥浆的凝结沉降稳定性指标的确定方法。该方法将顶部一段水泥石的抗压强度刚好满足工程对水泥石抗压强度要求的最低值所对应水泥石柱顶部与底部的密度差值,作为水泥浆沉降稳定性密度差值的指标。模拟实验结果表明,利用该装置确定水泥浆的凝结沉降稳定性指标的方法简单易行,可靠性好。用该装置,根据模拟条件下水泥石纵向抗压强度满足固井环空封固要求为前提,提出了高密度和超高密度水泥浆凝结沉降稳定性指标的方法,为施工设计提供了理论依据。     

一种低温早强低密度水泥浆

低温下,常规低密度水泥浆体系早期强度发展缓慢,水泥石胶结能力差,影响了水泥环封固质量,浅层易漏井固井质量问题日益突出,为此,进行低温早强低密度水泥浆体系研究。根据紧密堆积理论及综合室内实验研究,研制了密度为1.30~1.50 g/cm3的低温早强低密度水泥浆体系,主要优选了超细胶凝材料和锂盐复合早强剂,增加了低密度水泥石的致密性,提高了低密度水泥石的早期强度,25℃凝结时间为13 h,24 h抗压强度为10.2 MPa。该体系具有低温早期强度高,凝结时间短,稳定性好等优点。在大庆油田现场成功应用2口井,固井质量合格率100%,取得良好的应用效果。      

化学充氮泡沫水泥浆制备原理与应用

水泥浆漏失低返是国内外低压易漏、裂缝性油气藏固井普遍存在且尚未完全解决的技术难题,泡沫水泥浆是解决固井漏失的一项重要技术。针对化学充氮泡沫水泥浆制备原理尚不清楚、化学发气剂效率低等问题,根据化学热力学和电化学理论,揭示了化学法充氮的原理,研发出高效发气剂LTPN体系。该体系具有发气率高、对水泥浆稠化时间和抗压强度基本无影响的特点,与动物蛋白复合稳泡剂、纳米增强剂等配合使用,可使泡沫水泥浆密度降低至0.95 g/cm3。通过探讨发气剂在水泥浆中的化学充氮规律,研发出高性能化学充氮泡沫水泥浆NFLC体系,经过30余口井固井试验表明,NFLC体系解决了煤层气井固井面临的低压、裂缝性漏失难题,保证了煤层气井水泥浆返高,提高了固井质量,一次性上返到设计高度,固井优质率大于90%,对山西沁水盆地的低压、裂缝性煤储层具有优良的防漏堵漏效果,为低压、裂缝性油气藏固井提供了一种有效的解决方法,具有良好的应用推广价值。      

抗高温硅酸盐水泥浆体系研究

针对高温条件下,常规硅酸盐加砂水泥浆体系存在的稳定性差、水泥石抗压强度衰退和开裂等问题,有针对性地开展了水泥高温增强材料优选、水泥石力学性能优化和抗高温硅酸盐水泥浆体系综合性能优化等研究,结果表明,高温条件下,掺加火山灰类高活性矿物材料能保证水泥石抗压强度良好发展,无衰退现象;优选的晶须/纤维材料对水泥石“降脆、增韧”作用显著,水泥石高温养护无开裂现象,且弹性模量能控制在9.0 GPa以内;通过配套使用高性能抗高温降失水剂、缓凝剂和高温稳定剂等外加剂,水泥浆体系综合性能良好,具有低失水、高温稳定性好、稠化时间可调、过渡时间短等特点。该研究成果对保证深井、超深井固井安全,提高固井质量具有重要意义。      

温度对水泥石机械性能非线性影响规律及原因分析

为了表征长封固段固井水泥石在温度梯度下的机械性能，研究了不同温度下水泥石机械性能非线性变化规律并分析了原因。通过检测在用水泥石在30～160℃温度区间下的机械性能，分别建立了水泥石抗压强度、杨氏模量及泊松比随温度变化的关系曲线，同时拟合了水泥石机械性能随温度变化的函数关系式，并形成了考虑温度对水泥石机械性能影响的非线性物理方程；利用热重和XRD实验，对不同温度养护的水泥石进行了物性分析，通过SEM对水泥石的微观形貌进行了对比分析，初步探索了温度影响水泥石机械性能的内在原因。研究发现:相同养护天数下，水泥石在60℃及80℃条件下，机械性能存在突变区间，而80℃以上养护的水泥石其机械性能没有显著差异，同时发现温度介于突变区间以下，机械性能呈二次函数变化，高于突变区间则呈指数函数变化；结合微观分析结果发现，水泥石水化产物及水化程度的不同，是导致水泥石机械性能存在突变区间的原因。      

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。     

水不分散水泥浆的机理探讨与性能评价

基于胶体稳定理论、双电层压缩及吸附架桥原理,对水不分散水泥浆体系作用机理进行了探讨,并采用扫描电镜分析（SEM）进一步证明抗分散絮凝剂BCY-100S对水泥颗粒的架桥凝聚作用。评价了多种减阻剂对水不分散水泥浆流变性能和抗分散性能的影响,优选出能改善流变且不影响抗分散性能的BCD-200S作为配套减阻剂。评价了3种水灰比分别为0.45、0.47和0.50的水不分散水泥在30～80℃的抗分散性能、力学性能及其综合性能,结果表明,水灰比增大不影响水不分散水泥浆的抗分散性,水不分散水泥浆的游离液量为0 mL,上下密度差不大于0.03 g/cm3,流动度不小于20 cm,失水量可控制在50 mL以内,其力学性能满足施工要求。