深水水合物层固井低水化热水泥浆体系研究及应用

深水表层水合物层固井常规水泥浆体系水化放热量大,导致水合物层吸热分解而影响固井质量,存在井喷风险。通过分析深水表层水合物层特点,基于水泥浆密度低、水化放热量低、低温强度发展满足封固地层与支撑套管需求及对作业时效影响小等要求,构建了深水水合物层固井低水化热水泥浆体系。性能评价结果表明,所构建的低水化热水泥浆体系具有低温条件下放热量低、抗压强度满足施工要求等优良特性,可避免水合物层发生分解。目前深水水合物层固井低水化热水泥浆体系已在南海某深水井固井作业中取得成功应用,未发生水合物分解引发的气窜问题,可满足深水天然气水合物层固井作业要求,具有较好的推广应用价值。     

天然气水合物层固井低热水泥浆研究

海洋深水表层固井作业环境具有低温、低地层破裂压力以及存在天然气水合物等突出问题,开发低热水泥浆,形成一套能够在天然气水合物层的低温环境下高效封固表层的硅酸盐水泥浆体系,是保证海洋深水勘探开发有效开展的关键。通过筛选和研制放热平衡抑制剂,使其在低温下能够吸收水泥水化产生的热量,平衡抑制热量,控制温度上限,可有效地降低水泥水化热,从而确立了一套可适于天然气水合物层固井的低热水泥浆体系。该体系在低温环境下具有低水化热、高早强、低滤失以及良好稠化和防气窜等性能,能够满足海洋深水天然气水合物层固井作业要求。     

一种新型低放热水泥材料的室内性能研究

海洋深水钻探常常钻遇浅层水合物层,常规低温水泥浆放热量大,固井期间会引起水合物层不稳定,影响固井质量。通过对几种胶凝材料的筛选研究,开发了一种新型低放热水泥材料,从而建立了一套可适于深水浅层水合物层固井的低热水泥浆体系。该水泥浆体系在密度为1.40～1.60 g/cm3时,3 d的水化热均小于200 J/g,水泥石在10℃下养护24 h后的抗压强度大于3.5 MPa,降失水性能较常规低热水泥有较大提高,均小于50 mL,流变性测试φ₃₀₀均在300以下,同时新型低热水泥性能比普通低热水泥水化热更低,稠化时间可调,室内实验表明,新型低热水泥浆体系在低温环境下具有低水化热、高早强、低失水以及稠化性良好等特点,能够满足海洋深水水合物层固井作业的要求。      

深水水合物层固井存在问题和解决方法

如何在不破坏水合物稳定性的前提下,对深水油气资源进行高效安全的开采,是摆在油气开发者面前最大的难题.通过对深水水合物稳定性的确定、低水化热固井水泥浆稳定性、流变性、胶凝强度、候凝时间、水泥石具有较好的力学性能和较低导热性能等一系列特殊要求分析,提出以准确绘制水合物稳定性特性曲线为前提,以低水化热固井材料研究为基础,以水合物层固井可能存在的风险为指导,优化深水水合物层固井水泥浆性能和注水泥工艺,解决深水水合物层固井中面临的困难.     

深水固井液体减轻低密度水泥浆体系

与传统的表层固井技术不同,深水表层固井由于受到深水环境和现场条件限制,对固井作业提出了新的要求。针对深水表层固井的难点,开发了一种新型液体减轻剂PC-P81L,并以其为主体构建出了深水固井液体减轻低密度水泥浆体系。室内实验结果表明,PC-P81L作为减轻剂对水泥浆具有密度调节作用,可在1.30~1.70 g/cm3之间调节水泥浆密度;具有高悬浮性,最高可悬浮水灰比为2的水泥浆;具有增强作用,还可以应用于常规密度水泥浆中作为增强剂;具有促凝作用,可在深水低温环境下缩短水泥浆稠化时间。构建的深水固井用液体减轻低密度水泥浆体系,通过增大水灰比降低水泥浆密度,提高了水泥浆的造浆率,减少现场水泥用量;且配方简单,易于调节,外加剂以全液体形式添加,减小了现场工作人员的劳动强度;同时满足深水低温环境下的水泥浆性能要求,为下部钻进提高保障;液体减轻水泥浆体系作业成本较漂珠体系也大幅度降低,满足深水低温条件的性能要求,可适用于深水表层固井。      

深水表层固井水泥浆体系应用现状及发展方向

首先对国内外深水表层固井水泥浆体系进行了介绍,阐述了各水泥浆体系的现场应用情况及先进经验,并针对性的提出了存在的问题。结合存在的问题和国内深水海域环境温度的特点,自主研发了适用于表层套管固井的低温、低密度、低水化、热防窜和低温早强防浅层流水泥浆体系,并成功应用于现场作业。最后提出了深水表层固井技术未来的发展方向。     

深水表层固井水泥浆体系在LH29-2-2井的应用

LH29-2-2井是中海油服南海八号深水钻井平台承钻的第1口深水井。针对LH29-2-2深水井表层固井面临低温、表层压力窗口窄、容易漏失等技术难题,研究了深水表层固井水泥浆体系PC-LoLET,该水泥浆体系具有良好的低温早强效果、失水量小、稠化时间易于调整,水泥浆体系稳定等优点。现场应用证明,该深水表层水泥浆体系满足了深水表层固井现场施工的要求,可在未来深水、超深水井固井作业中推广应用。     

一种新型曼尼希碱促凝剂的性能研究

常规的用于深水固井的水泥浆促凝剂多为无机盐类,给水泥浆带来大量的反应热,威胁到水合物层的稳定性.因此,研制一种低反应热的、适用于钻进深水水合物层的低温促凝剂对安全开采水合物层以下的油气资源、保护水合物稳定具有重要意义.利用有机胺类物质与醛类物质之间的胺甲基化反应,合成了一种曼尼希碱作为低温促凝剂.用正交试验法确定了合成方案:一元甲醛与二乙醇胺的配比为2:1、草酸与一元甲醛的比例为1:2、反应温度100 ℃、反应时间2 h.曼尼希碱促凝剂性能评价试验结果表明,对水泥浆的水化热影响较小,促凝早强效果明显,初终凝过渡时间短,近似"直角稠化",能较好地满足深水水合物层的固井要求.     

液体减轻低密度水泥浆体系在南海深水井的应用

陵水M井是中海油深水钻井平台承钻的一口水深达998m的深水井。针对陵水M深水井表层固井由于水深,海床温度低,表层固井水泥石强度发展慢;表层地层疏松,破裂压力当量低,压力窗口窄,固井期间漏失风险大等技术难题。采用了自主研发的液体减轻低密度水泥浆体系。该水泥浆体系具有密度低,首浆密度达到1.50g/cm3,良好的低温早强效果、失水量小、零自由液、稠化时间易于调整等优点。现场应用证明,该液体减轻低密度水泥浆体系满足了深水固井现场施工的要求,能很好解决海洋深水、超深水表层压力窗口窄、容易漏失等难题,可在未来深水、超深水井固井作业中推广应用。     

ASDD试验井深水表层固井水泥浆体系研究与应用

简要介绍了海洋深水表层固井水泥浆体系所处的复杂情况,并针对ASDD试验井深水低温等复杂情况,开发出一套适合于深水表层固井的低温低密度高强水泥浆体系,并对其性能进行了详细的评价。最后介绍了现场作业情况。研究表明,开发的水泥浆体系满足了ASDD试验井固井技术要求,水泥石在低温下有足够的强度,水泥环与20in套管间的剪切胶结力远远大于浮筒产生的浮力,套管被拔起的可能性很小,保证了ABS的试验成功。     

基于水化反应动力学的深水固井井筒温度与压力耦合预测模型

针对深水固井候凝期间水泥浆温度、压力与水化反应之间复杂的相互作用,基于水泥浆水化反应动力学建立深水固井候凝井筒温度压力耦合模型,利用差分法进行耦合数值求解,并将计算结果与实验及现场数据进行对比以验证模型的准确性。考虑水化反应、温度、压力之间的相互作用时,新建立的固井井筒温度压力耦合模型计算精度在5.6%以内,能够很好地满足工程要求。结合深水井开展数值模拟分析候凝期间井筒温度、压力、水化度的演化规律,研究结果表明:水泥浆温度在水化热作用下会迅速升高;随着水泥浆胶凝强度的发展,水泥浆的孔隙压力会逐渐降低,甚至低于地层压力,从而引发气窜;瞬态变化的温度和压力会影响水泥浆水化反应速率,井筒深部的水泥浆在高温高压环境下具有更快的水化反应速率;对于深水固井作业来说,泥线附近的低温环境会延长水泥浆的候凝时间,导致固井工作周期变长。图16表2参26     

新型相变材料对低热水泥浆性能的影响

深水低温天然气水合物地层固井,需要水泥浆体系在水化过程中少发热,尽量降低水合物地层温度上升的程度。因此,针对深水天然气水合物地层固井,研究了一种用于低热水泥浆体系设计的新型相变材料,并研究了相变材料的热存储性能及其对水泥浆体系性能的影响。实验结果表明,新型相变材料相变峰值温度为15.5℃,相变温度在井下低温与常温之间,且相变潜热较大。当相变材料在77.8℃以下时,具有良好的热稳定性,且在0℃～60℃之间经历多次升降温后,相变材料化学结构没有发生变化。随着相变材料加量的增加,水泥浆的流变数据呈现增大的趋势,但加量达到8%时流变性依然满足固井施工要求。此外,新型相变材料可以改善水泥浆体系的稳定性。相变材料对低热水泥浆体系的抗压强度影响不大,加入8%相变材料的水泥石抗压强度也达到8.9 MPa,抗压强度最大下降幅度小于5%。当加入2%、4%、6%、8%相变材料后,水泥浆体系稠化时间比无相变材料水泥浆体系最大缩短约15 min,水泥浆体系72 h水化热较空白水泥浆体系分别下降5.2%、29.1%、35.6%、47.6%。研究结果为天然气水合物层低热水泥浆体系的设计提供了支持与参考。      

深水表层固井硅酸盐水泥浆体系研究

针对海洋深水表层套管固井作业,介绍了一种密度可调（1.20～1.80 kg/L）的低温低密度G级硅酸盐水泥浆体系。对低温低密度G级硅酸盐水泥浆体系的设计原理与水泥浆组分以及不同密度水泥浆配方进行了详细的论述,并对该水泥浆体系在深水环境下的性能进行了评价。结果表明,低温低密度G级硅酸盐水泥浆体系在低温环境下具有较高早期强度、低失水量以及良好的流变性和稠化性能,其中密度为1.20 kg/L的水泥浆在3 ℃温度下的稠化时间≤560 min,稠化过渡时间≤60 min,API失水≤70 mL,水泥石在5 ℃温度下养护24 h后的抗压强度≥3.5MPa。这表明低密度G级硅酸盐水泥浆体系具有良好的低温性能,能够满足海洋深水表层套管固井作业要求。      

低温早强低水化放热水泥浆体系开发

深水水合物地层的特殊环境要求固井水泥具有低水化放热和低温早强特性,而现有的固井水泥浆体系大多不具备低水化放热特性,而且低温水化速度较慢。为此,提出了低温早强低水化放热水泥浆体系的研究思路。在铝酸盐水泥和G级水泥按照1:1质量比形成的混合水泥浆的基础上,通过对储能微球研发以及对密度减轻剂、稳定剂和其他外加剂的种类和加量的优选,形成了低温早强低水化放热水泥浆体系,其早强剂为0.06%三乙醇胺,降失水剂为1%聚乙烯醇类降失水剂CML,缓凝剂为0.35%硼酸,分散剂为1.5%SYJZ-1。同时对该体系进行的性能测试表明,在4℃养护24 h水泥石抗压强度可以达到5.9 MPa,水泥浆呈现低水化放热和低温早强特性。可以看出,该低温早强低水化放热水泥浆体系在早期强度、水化放热、密度等方面性能优异。      

国外深水固井水泥浆技术综述

深水固井面临着诸多的挑战，如低温、潜在的浅层水窜和气窜、地层孔隙压力和破裂压力之间“窗口”狭窄，地层易压漏、水泥浆温度的演变、顶替差等，提出满足深水低温固井的水泥浆的基本性能要求是：①水泥浆密度低；②低温下较短的过渡时间和优良的抗压强度；③低失水；④好的水泥浆完整性；⑤水泥浆与套管和地层的密封和胶结等长期性能好；⑥顶替效率高。介绍了国外常见的几种深水固井水泥浆技术，包括快凝石膏水泥浆体系、PSD水泥浆技术、高铝水泥、充气水泥浆技术和其他水泥浆技术。最后就深水固井应重点注意的几个问题提出了建议。     

深水表层套管固井水泥浆体系的研制及应用

研制了一套深水低温低密度水泥浆体系,并通过室内实验对其主要性能进行了评价。室内性能评价和现场初步应用结果表明,新研制的水泥浆体系低温强度高,稠化时间易于调节,可满足深水表层固井作业的需求。     

深水固井低温水泥外加剂的开发及应用

针对深水固井面临的低温、海底松软地层、浅层流等技术难题,采用单体复配技术开发了新型深水固井低温早强剂PC-DA92S、PC-DA93L,采用悬浮聚合技术开发了低温降滤失剂PC-DG72S。根据南海海域钻探的实际井况,研制出了适合现场应用的2种低温水泥浆,对该水泥浆在深水环境下的性能进行了评价。在南海LH16-1-1井的现场应用结果表明,2种低温水泥浆体系低温早强效果良好,具有失水量小、防气窜能力良好、稠化时间易于调整、水泥浆性能稳定等优点,能够满足现场施工要求,可用于海洋深水表层套管固井。      

海洋深水水泥浆体系性能室内研究

介绍了一种新型的化学发泡气体充填与固体充填减轻制备的低密度低温深水水泥浆体系,并对其在海洋深水环境下的性能进行了系统的室内评价研究。结果表明,所制得的气固双充填泡沫水泥浆体系具有较好的低温稠化性能,并且在较高的室内温度下具有较好的安全作业保证时间,其直角凝固特征保证了深水水泥浆对浅层流的有效抑制。能满足深水固井作业的要求。     

适于海洋深水固井的零稠化转化时间低温水泥浆体系研究

介绍了一种新型的用于海洋深水低温浅层流固井作业用的零稠化转化时间低密度水泥浆体系,该水泥浆体系采用新型高强快速凝固水泥制备。对体系中使用的各种水泥浆外加剂的系统评价研究表明,采用这种新型水泥制得的水泥浆体系不仅具有良好的低密度下的低温强度,而且具有较好的稠化安全性能和低温稠化转化性能,能保证深水低温低密度固井作业的有效实施和深水固井过程对浅层流的有效抑制,可以有效地解决深水固井作业中遇到的问题。     

固井水泥浆侵入对近井壁水合物稳定的不利影响

中国青藏高原多年冻土区蕴藏有丰富的天然气水合物资源,在此区域进行常规油气固井时产生水合物的几率较大。在井内压差作用下,固井水泥浆容易侵入含水合物地层内部并贴近水合物水化放热,改变水合物相平衡条件并诱发水合物分解,导致固井质量降低甚至失效。以青藏高原木里地区含水合物多年冻土层为研究对象,采用室内模拟实验和数值模拟计算相结合的方法,研究了固井水泥浆侵入对近井壁地层中水合物的影响。研究结果表明,在多年冻土区水合物地层进行常规油气固井作业时,渗入井周地层的固井水泥浆只需22 min即可导致其渗透距离内的水合物发生不同程度的分解,且距离井壁约1倍井径的范围内的水合物将全部分解,直接导致井壁失稳和固井质量低劣。