A、D级油井水泥的水化产物及其微观结构

利用X射线衍射、差热分析和环境扫描电镜的方法，研究了常温条件下A、D级油井水泥的水化产物及其硬化浆体的显微结构特征。在水化早期，水泥组分含量及性质等因素使D级油井水泥浆中的钙、硫酸根离子比A级水泥浆多，呈现出相对缓凝的现象。A级水泥水化产物中的氢氧化钙、Ⅱ型水化硅酸钙凝胶的显微特点更为显著，而D级油井水泥的水化产物中，钙矾石在电镜下有明显的棱柱条状形貌。通过对比确立两类水泥的水化特征，为油田选择合适的油井水泥固井提供了科学依据。     

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%。     

碳酸钙晶须增强油井水泥石的力学性能

本文采用碳酸钙晶须对固井水泥进行了改性,探讨了碳酸钙晶须对水泥浆体以及硬化后水泥石的力学性能的影响,并分析了作用机理。研究结果表明:在水灰比0.44的情况下,加入碳酸钙晶须后水泥浆流动度降低,因而须加入高效分散剂、合理控制碳酸钙晶须加量和水灰比、优选外加剂体系;加入10%的碳酸钙晶须后水泥浆的初始稠度由16.4 bc增至34.6 bc、稠化时间(70 bc)由311min缩短至160 min、API失水量也明显降低;加入少量(0.5%)的缓凝剂HN-22可有效控制稠化时间。在加量为10%时,碳酸钙晶须改性水泥石的抗压强度、抗折强度以及劈裂抗拉强度与纯水泥石的相比分别提高10%,54%和28%,表明碳酸钙晶须具有显著地增强作用。此外,通过界面层物理模型和X射线衍射分析探讨了碳酸钙晶须增强水泥石的增韧机制。     

丁腈橡胶颗粒油井水泥石抗冲击力学性能与损伤特征

油井水泥是一种典型的脆性材料,提高水泥环韧性和降低水泥环脆性是目前的研究热点,在保证油气井安全生产的前提下还能延长油气井使用寿命。该研究将球形丁腈橡胶颗粒(Microsphere nitrile Rubber Powder,MRP)与不规则丁腈橡胶颗粒(Nitrile Rubber Powder,NRP)分别加入到油井水泥中,探讨其抗冲击力学性能与损伤特征。采用直径为50 mm的分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bar-SHPB)设备测试了不同体系水泥石的动态抗冲击性能,讨论了动态抗压强度、能量演化、损伤特征的变化规律。球形丁腈橡胶颗粒加量为6%的油井水泥石试样动态抗压强度可达（64.0±1.6）MPa,试样吸收能为39.93 J,吸能率可达49.91%;不规则丁腈橡胶颗粒加量为6%的油井水泥石试样动态抗压强度为（74.1±1.8） MPa,试样吸收能为46.56 J,吸能率可达58.20%。通过高速摄影和微观形貌发现,不规则丁腈橡胶颗粒与水泥基体间结合更加紧密,通过裂纹偏转机制提高阻裂能力,利于延长试样承载时间,加大载荷能量的消耗。     

水乳树脂改善油井水泥石力学性能研究

油井水泥石存在收缩大、脆性高的固有缺陷,易形成微间隙而导致地层流体互窜,造成油气采收率降低与油井寿命缩短。通过向G级油井水泥中掺入水乳树脂对其进行改性,同时掺入硅灰及矿渣微细粉,制得了固井防窜用弹性密封水泥石。对该水泥石力学性能测试结果表明,水泥石韧性显著增强,脆性降低,力学形变能力大幅提高。     

油井水泥缓释自修复技术研究

固井水泥自修复技术是近年来新兴的一种长效封固技术.自修复剂CW-1对初次形成的微裂缝有较好的修复作用,但长效性较弱.使用CW-1作为芯材,PVA和明胶作为壁材,复合桥联剂TC-WT,采用溶剂蒸发法制备了一种缓释油井水泥自修复剂XY-1并对其进行了性能评价.实验结果显示,缓释自修复剂XY-1有较快的响应速度和更好的二次修复能力,配伍性良好.微观分析结果与实验结果吻合.     

纤维与胶乳改善油井水泥石动态力学性能实验

油井水泥石属于脆性材料,其在动态下的力学性能与静态下的情况相比有显著的差异.确定了水泥石的动态力学性能评价参数为水泥石的弹性模量和水泥石的破碎吸收能.利用霍布金森装置对纤维与胶乳改善水泥石在动载条件下的力学性能进行了试验研究,结果表明,纤维和胶乳的加入可使水泥石的弹性模量大幅度降低,使水泥石的破碎吸收能得到提高,动态力学性能得到明显的改善.     

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。      

油井水泥与钢管胶结界面处微观结构研究(I)

阐述了微观结构研究的意义 ,研究了静态养护条件下油井水泥与钢管胶结界面处的微观结构 ,结果表明油井水泥与钢管胶结界面处存在大量易冲蚀的Ca(OH) 2 晶体和高碱性的C -S -H凝胶 ,是一个结构较疏松、薄弱的过渡带 ,不可避免地降低了固井水泥环的抗窜能力     

油井水泥与钢管胶结界面处微观结构研究(I)

阐述了微观结构研究的意义,研究了静态养护条件下油井水泥与钢管胶结界面处的微观结构,结果表明油井水泥与钢管胶结界面处存在大量易冲蚀的Ca(OH)2晶体和高碱性的C-S-H凝胶,是一个结构较疏松、薄弱的过渡带,不可避免地降低了固井水泥环的抗窜能力。     

耐碱玻璃纤维对掺矿渣油井水泥石力学性能的影响

为了改善普通油井水泥物理力学性能的均衡性，提高普通油井水泥浆抗拉伸破坏的能力，实验研究了耐碱玻璃纤维对水泥石抗折强度、抗冲击韧性和抗压强度的影响，并通过孔隙结构和扫描电镜分析研究了耐碱玻璃纤维对水泥石微观结构的影响。结果表明，耐碱玻璃纤维在掺矿渣油井水泥浆中粘接性良好，分布均匀，对水泥石抗折强度、抗冲击韧性有显著提高；在矿渣油井水泥浆中加入0．5％的耐碱玻璃纤维，可以使水泥石的抗折强度提高20％左右，使抗冲击功增加10％左右；从孔隙结构得知，在50℃条件下增加耐碱玻璃纤维的加量可以改善水泥石的微观结构，增加凝胶孔和毛细孔比例降低，大孔比例减少，抗压强度相应增加，水泥浆性能良好，能满足现场施工的需要。     

油井水泥及其外加剂的进展

对国内外特种油井水泥及油井水泥外加剂的最新发展进行了综述。介绍了抗高温水泥、防窜水泥、TUF水泥、聚合物固井液、泥浆转化为水泥浆等技术的发展动向;对减阻剂、缓凝剂及降滤失剂等三大外加剂的组分、作用机理及发展动态进行了较全面、系统的论述。对国内油井水泥及其外加剂的研究有一定的指导作用。     

固井水泥膨胀剂与增韧剂协同作用与应用分析

为探索固井水泥增韧剂与膨胀剂协同作用效果,分别选取晶格膨胀剂、发气膨胀剂2种膨胀材料,纤维、碳纳米管（CNTs）2种增韧材料,对不同材料相互协同作用后的水泥浆的膨胀性能、力学性能、孔隙结构、常规性能进行了实验研究,并对不同组合的应用工况进行了分析。研究表明,自由膨胀条件下增韧剂与发气膨胀剂协同膨胀率较高,而在高温高压下,CNTs-膨胀剂组合抑制收缩效果较好;CNTs与晶格膨胀剂联合作用后强度提升最大,基体孔隙度最低,且以微孔为主;而纤维与发气膨胀剂组合的断裂残余强度最高;膨胀剂与增韧剂混合对水泥浆失水量、沉降稳定性有一定的提升,对稠化时间有一定的延迟作用;其中,CNTs与2种膨胀剂组合的浆体动切力较大,触变性较强。研究结果可为不同工况下固井水泥浆设计提供借鉴和指导。      

油井水泥用聚合物微球膨胀剂的合成与性能

为解决固井水窜问题,通过借鉴调剖堵水技术原理,选用丙烯酰胺、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、丙烯酸酯为主要原料制备了粒径为100 nm左右的交联聚合物微球BCP-3S。利用扫描电镜和透射电镜对其微观形态进行观察,开展了聚合物微球水泥浆常规性能评价试验、水泥石膨胀性能测试以及水泥石裂缝自封堵试验。结果表明,聚合物微球膨胀剂BCP-3S具有良好的球形形态,对水泥浆常规性能无不利影响;加入0.6%(BWOC)的BCP-3S后,养护7 d的水泥石膨胀率最高达1.62%,远高于目前在用膨胀剂;水泥石出现裂缝遇到水窜后,BCP-3S可进一步发生膨胀,直径由原来的100 nm左右膨胀为600 nm以上,有效填充和阻塞裂缝,防止水窜发生。目前该技术在大港油田调整井官XX井成功实施,固井一界面胶结质量合格率92%,二界面胶结质量合格率85%,与同区块井相比,一界面合格率提高25%,二界面合格率提高40%,且在后期试采过程中无水窜的发生,可为解决固井过程中的水窜问题提供技术支撑。图6表3参10     

抑制油水井水泥浆固化后体积收缩的添加剂的研制与应用

为达到提高油水井打水泥塞施工有效率目的，采用在油水井水泥中加入添加剂来减少水泥浆稠化凝固后的体积收缩量及消除水泥塞裂缝。从这两方面进行油水井水泥浆添加剂的优选试验，到2000年共56井次的现场应用表明，该添加剂用量少，见效大，施工简便，增油效果显著，使打水泥塞施工有效率由22．7％提高到92．9％。     

新型油井水泥缓凝剂的研制

针对大温差长裸眼固井施工中,高温高压下缓凝剂加量敏感或者失效,水泥浆稠化时间缩短或不规律;施工结束后,长封固段顶部强度缓凝会导致气窜和密封完整性失效的现状。通过正交实验优化实验方案,合成耐高温有机缓凝剂,再采取有机-无机杂化的方式匹配适合的无机增强材料,利用无机和有机杂化的方法,设计层状结构,使有机材料能插层或者键合到无机材料表面。在油井水泥浆经历的低温-高温-低温过程中,随无机材料层间距的变化,低温时无机材料起增强主导作用,高温时有机材料起缓凝主导作用。优选了层状石墨烯类和双电子层水滑石类2种无机增强材料,根据无机材料本身的特点研制2种新型油井水泥缓凝剂,其中层状石墨烯类缓凝剂适应性强,耐温能力达150 ℃,110 ℃大温差条件下72 h强度大于7 MPa;双电子层水滑石类缓凝剂耐温能力也达150 ℃,加入该类缓凝剂的水泥浆流变性能易于调节,水化初期强度发展较快,但后期增强能力不如层状石墨烯类缓凝剂。上述缓凝剂室内制备工艺简单,原料易得,具有广阔的推广应用前景。      

油井水泥悬浮剂的研究进展

油井水泥浆沉降稳定性是水泥浆施工性能的重要指标之一。随着勘探开发逐步朝着深井、超深井方向发 展,特别是近年来井深接近万米,井底的温度将达到240 ℃以上,对油井水泥浆的稳定性提出了的更高的要求。 传统悬浮剂往往在提高悬浮稳定性的基础上,对水泥浆流变性造成不利影响,不利于复杂井况固井施工。针对 油井水泥悬浮剂的国内外研究现状进行调研,系统阐述了悬浮剂主要种类及其作用机理,重点对当前悬浮剂研 究的优化情况进行分析,包括无机和有机高分子材料优选复配和共聚单体优选或接枝共聚等技术,为今后油井 水泥悬浮剂研发提供借鉴。     

水泥环对油气井套管力学性能影响的分析计算

油田生产中岩层在油井开采中应力变化较大,生产层段的岩层产生的应力作用于套管,挤压套管造成套管损坏,影响了油井的正常生产。通过建立二维平面轴对称和平面应变模型,利用Ansys有限元软件分析套管在水泥环影响下的变形特征。分析表明,油井开采中地应力作用于水泥环,套管最大应力在套管内壁产生,均匀载荷下套管抗挤强度是非均匀载荷的7倍以上。载荷椭圆度越大,套管内壁应力越大且分布不均。增大水泥环弹性模量可以有效减小套管最大应力,生产中应保持水泥环弹性模量在20-35GPa范围,可以提高套管的抗挤强度。均匀载荷下,应采用J55套管,非均匀载荷下,应采用P110套管,可以有效地减小套管产生的应力,提高套管的抗挤强度。     

泡沫水泥稳定性研究

讨论了液气界面张力和Laplace压力差对泡沫水泥稳定性的影响.定义置于内径3.5 cm、高100 cm量筒中的泡沫水泥浆体初凝时高度与初始高度之比为泡沫水泥稳定系数ψ,实验测定了泡沫水泥的稳定性.ψ＞95%的泡沫水泥可用于固井施工.实验泡沫水泥由100∶25的G级油井水泥+漂珠、发气剂FCA+FCB(2.5%+1.0%)、稳泡剂FCF(2.5%)、缓凝剂FCR(1.1%)、增强剂FCP(1.0%)、水(75.0%)配成.密度0.809、0.979 g/cm3的泡沫水泥,浆柱上、下部密度差分别为0.019、0.012 g/cm3,ψ值分别为99%、100%.电镜照片显示实验泡沫水泥中气泡相互分离,细小,均匀,呈球状,结构稳定.用化学发气法制备的泡沫水泥在密度大于0.7 g/L时结构是稳定的,密度小于0.7 g/cm3时结构的稳定性取决于配方.图2表2参4.     

页岩油地层固井用改性铝酸盐水泥的水化行为及性能

页岩油原位转化的资源潜力巨大,属于中国油气的战略性替代资源。但是,低成熟度页岩油在原位转化过 程中极端高温会导致固井水泥石强度衰退。系统研究了改性材料六偏磷酸钠对铝酸盐水泥水化行为及在 650 ℃高温环境下应用性能的影响规律,并对其宏观性能和微观结构进行了深入探究。低场核磁共振分析测试 技术显示,改性材料六偏磷酸钠对铝酸盐水泥初期水化行为存在较为显著延缓作用,且可有效改善其流变性 能。50 ℃环境下,掺入六偏磷酸钠能显著降低铝酸盐水泥石的渗透率,但对强度提升不明显;650 ℃处理后,掺 入5%六偏磷酸钠的改性铝酸盐水泥石的抗压强度最高为47.19 MPa。铝酸盐水泥石在650 ℃处理前后水化产 物发生明显转化,主要是C₃AH₆和AH₃转化为C₁₂A₇和CA,其中,C₃AH₆和AH₃主要在180～400 ℃期间发生热分解。同时,压汞孔径分布显示,净浆铝酸盐水泥石以及5%六偏磷酸钠改性铝酸盐水泥石孔径范围主要分布在 100～1000 nm之间,且两种类型水泥石高温650 ℃处理后由于晶型的转化均导致孔隙明显增大。