热采井用固井水泥石养护方法及力学性能研究

如何模拟稠油热采井井下环境,对评价稠油井用固井水泥石能否满足热采工况的需求具有重要意义。然而,以往用马弗炉超高温干燥条件养护水泥石的方法,与稠油热采井下的超高温水蒸气环境、水泥石受套管和地层约束等实际情况不符。为此,提出了一套可模拟稠油热采井下超高温水蒸气环境的固井水泥石养护装置及方法,并对比研究了超高温干燥与水蒸气条件下,试样尺寸、加热速率对固井水泥石抗压强度和完整性的影响。研究结果表明,小尺寸水泥石试样、低升温速率和水蒸气环境有利于保证在加热过程中试样受热更均匀,从而有利于缓解因受热不均导致开裂的现象,进而维持水泥石更高的抗压强度及完整性。因此,通过该研究结果,建议室内实验模拟方法应充分考虑实验条件对模拟结果的影响;同时,基于此研究结果,建议在实际生产过程中,可适当优化注蒸汽的工艺过程及参数,以降低注蒸汽过程对固井水泥石的加热速率、减少对水泥石的不利影响。      

耐交变超高温固井水泥浆

在稠油热采井中,交变超高温将对固井水泥石的力学性能造成巨大影响。为研制抗高温能力强的水泥浆体系,基于XRD、TG、氮吸附及SEM方法,研究了交变超高温下偏高岭土和石墨对水泥石抗压强度、水化产物化学结构及微观结构的影响。研究结果表明,交变超高温可使常规加砂水泥石C—S—H的形态由“链状”或“网状”转变为“颗粒状”,破坏水泥石的结构完整性,从而降低其抗压强度;掺入偏高岭土和石墨后,可提高常规加砂水泥石耐交变超高温能力,且对水泥石物相组成影响不大;偏高岭土有颗粒填充作用和火山灰效应,且石墨与水泥基体界面胶结良好,使其二维方向上起到拔出作用,提高了水泥石结构完整性及力学性能。该研究结果可为稠油热采井固井水泥浆体系的性能评价及配方优化提供参考。      

高温干烧和水湿环境对水泥石结构性能的影响

为了更真实评价稠油热采井中交变超高温对水泥石力学性能及微观结构的影响,基于其在井下所处的实际环境,设计了一套超高温水湿模拟养护装置及方法,并据此研究了水泥石在干烧和水湿环境下抗压强度的变化规律.同时,利用XRD、TG、氮吸附及SEM技术探明了不同养护环境对水泥石物相组成、化学结构、孔隙结构及微观形貌的影响.实验结果表明...     

硅砂对稠油热采井水泥石强度影响的室内试验

为了满足稠油热采对固井水泥石的要求,模拟稠油热采固井水泥常温凝固、高温热采这一特殊的地层环境,先将水泥浆在70℃下常压养护3d后再进行高温高压养护。通过研究不同热采温度下硅砂粒径对水泥石强度发展的影响,以及不同钙硅比在不同的高温梯度下对油井水泥石强度衰退的影响,从机理上阐述了硅砂粒径及钙硅比能提高硅酸盐水泥石强度和热稳定性的原因,找到了最佳的硅砂粒径和合适的钙硅比,为进一步选择和设计稠油固井水泥浆体系提供了依据,对稠油油藏的开发开采具有重要意义。     

固井水泥石三轴力学试验的试样制备方法

固井水泥石力学性能直接关系到水泥环的长期密封效果。获取固井水泥石的力学性能参数主要通过三轴力学试验进行，有效制备试样对固井水泥石三轴力学试验研究乃至水泥环完整性分析至关重要。基于固井水泥石三轴力学试验试样的特殊性，设计探索了正方体水泥石养护成形后取心的正方体取心制样以及借助于模具一次养护成形制样等2种试样制备方法；研制了用于模具养护制样方法的?25.4 mm×50.8 mm小试样和?50.8 mm×101.6 mm大试样2套圆柱形水泥石养护模具；通过散点分布、均方根误差分析、标准差分析等对比研究了56组不同制样方法获取试样的力学试验数据，结果表明，小试样模具制样养护方法在数据可靠性、制样效率及成本等方面均优于其他方法，推荐作为固井水泥石三轴力学试验试样制备方法。     

深水深井高温高压水泥石固化养护及制备方法研究

深水深井面临超深、超高温超高压、复杂储层等特殊地质条件,对固井水泥石的综合力学性能提出了更高要求,急需适用于高温高压工况的水泥石固化养护及制备方法,从而准确可靠地评价和优化水泥浆体系。设计并建立了高温高压水泥浆固化养护装置及水泥石制备方法,精准模拟了深水深井高温高压(150 MPa、250 ℃)工况水泥浆固化养护过程,分析对比了不同温度、压力条件下所制备水泥石的单轴抗压强度、抗拉强度等力学性能。结果表明:所建立的高温高压工况水泥石固化养护及制备方法可准确模拟深水深井高温高压井筒工况条件,同时高温高压条件亦可充分发挥水泥浆体系助剂的性能优势,测试发现运用该方法制备的水泥石与常规方法制备的水泥石在抗压强度、抗拉强度等力学性能方面存在显著差异。该方法的提出有利于促进深水深井高温高压水泥浆体系固化养护和水泥石制备技术的发展,为固井水泥浆体系配方优化提供实验方法和技术支撑。     

基于三维温度场的热采井水泥环完整性破坏的研究及对策

稠油热采井固井问题一直是制约稠油资源开发的关键技术难题之一,注蒸汽高温热载荷作用下的水泥环完整性破坏导致的井口抬升现象普遍存在于海上稠油热采井开发过程中,危害极大,严重影响油井生产寿命和井控风险。以渤海热采井固井水泥环完整性为研究背景,基于热传导分析,建立了热采井注热井筒三维温度场分析模型和热载荷、注氮载荷和非均匀地应力耦合条件下的水泥环完整性分析模型,并从水泥浆体系、工艺技术、隔热油管性能等方面提出了增强热采井水泥环完整性的应对措施。应用表明,该套理论可有效模拟热采井注蒸汽三维温度场剖面,判断热载荷条件下的水泥环完整性破坏机理及失效形式,为新开发热采井提供借鉴与参考,应用前景广阔。      

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。     

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。     

CO2液相及气相下铝酸盐水泥石强度发展规律

火烧油层工况下,固井水泥石服役温度高达500 ℃以上。硅酸盐水泥难以在此温度范围下稳定存在,同时井内伴生大量腐蚀性气体。因此,研究了矿渣改性铝酸盐水泥（CAC）力学性能的可行性,同时模拟火烧油层实际工况,探究了改性铝酸盐水泥石强度发展规律。采用X射线衍射仪、扫描电子显微镜等测试了腐蚀前后改性铝酸盐水泥石的物相组成和微观形貌特征,分析了模拟火烧油层工况下改性铝酸盐水泥石的强度发展规律。结果表明,随着矿渣掺量的增加铝酸盐水泥石抗压强度出现先增加后降低的趋势,且当矿渣掺量为30%左右时其改性效果较好。在50 ℃液相环境下,水泥石被腐蚀产生碳酸钙并产生了孔洞和微裂纹,破坏了水泥石的完整性造成抗压强度降低;而在高温气相环境下,二氧化碳未对水泥石产生腐蚀破坏。在高温下改性CAC水泥石仍可保持较高的抗压强度,并且经过二次高温养护后改性CAC水泥石强度进一步得到发展,具有较好的耐高温性能。该研究为火烧油层工况下CAC水泥石力学性能优化和耐CO₂腐蚀提供了一定的理论基础。      

耐高温高压超高密度水泥石力学性能

准噶尔南缘区块是新疆油田增储上产的重点区块,井深6000～8000 m,预测井底温度为160 ℃,井底压力为170 MPa,属于典型的“三超”井。在该井区耐高温高压超高密度水泥浆基本性能的基础上,针对高温高压下超高密度水泥石的力学性能进行了研究。重点结合井下实际强度发育情况和实验室内强度发育结果吻合度相差较大的情况,按照该井区耐高温高压超高密度水泥浆体系配方,在120和160 ℃下,分别模拟井下实际压力和GB/T 19139—2012中要求的20.7 MPa压力下进行水泥试块的制备,开展常温抗压强度、抗折强度、单轴压缩实验以及井下温度下的三轴压缩实验,探究压力对超高密度水泥石抗压强度、抗折强度的影响以及试块的变形、破坏模式等力学特征。实验结果表明,压力是超高密度水泥石早期强度发展的关键因素之一;随着养护压力的增加,超高密度水泥试块的顶部抗压强度增加61.53%、底部抗压强度增加了120%;顶部抗折强度增加了65.2%,底部抗折强度增加了62.8%;常温下单轴压缩实验水泥石表现出明显的弹脆特性,在20.7 MPa下养护后试块端部出现明显破损,随着养护压力的增加,试块的峰值应力和弹性模量增加,抵抗变形破坏的能力增强;高温下的三轴压缩实验表明,超高密度水泥石的各项力学参数比单轴情况下均有较大提高,试块的变形均以轴向压缩变形为主,未形成明显的宏观裂纹,体现出良好的抵抗破坏变形的能力,更加接近线弹性-理想塑性材料。建议室内实验检测和模拟方法应充分考虑实际井况条件对水泥石力学性能的影响。      

累积工况下常规加砂水泥石的耐温性

为了准确探究常规加砂水泥石的耐温能力，根据其在井下先经历蒸汽吞吐、蒸汽驱，再经历过渡期及稠油火烧的实际工况，利用核磁共振、XRD和SEM等技术，探明了累积工况下常规加砂水泥石孔隙度、渗透率、水化产物化学结构及微观结构的变化情况。实验结果表明，水泥石经常温养护14 d后，抗压强度达31.8 MPa，是养护28 d的90.86%，且孔渗性相对较低；经稠油火烧后，水泥石抗压强度衰退率达67.92%，孔隙度及渗透率也分别增长53.85%和77.31%，已不能满足稠油井的生产要求。这是由于高温环境下水泥石中部分“网状”或“链状”结构的水化硅酸钙转化为“颗粒状”的粒硅钙石，从而导致孔径及孔隙率变大、抗压强度降低；同时，Ca(OH)₂脱羟基生成CaO并产生大量粗大孔隙及裂纹，有利于维持水泥石力学性能的物相已基本失效。      

累积工况下CO2对稠油热采水泥石的修复作用

根据稠油火烧水泥石在井下先经历蒸汽吞吐、蒸汽驱,再经历稠油火烧的实际工况,利用超高温水泥石养护装置及高温高压腐蚀釜,研究累积工况下CO₂对水泥石抗压强度及腐蚀深度的变化规律;同时,利用XRD和SEM等技术探明了CO₂对水泥石化学结构及微观形貌的影响。实验结果表明,水泥石经常温及高温养护后呈现高孔渗、低强度的特征,但累积工况下经CO₂腐蚀釜养护后,抗压强度不减反增,到28 d时已升至53.4 MPa,较蒸汽驱后提高了54.87%;而随着CO₂腐蚀龄期的延长,水泥石腐蚀深度逐渐加深,结构更为致密,且28 d后已被完全碳化。究其原因,水泥石经CO₂腐蚀后,腐蚀产物CaCO₃溶解度较低,并在孔隙中沉淀结晶,堵塞毛细孔或将大孔分割成小孔,使水泥颗粒密实度提高。该研究结果可进一步丰富业界对CO₂腐蚀的认识,同时也为稠油火烧水泥浆体系的性能评价、配方优化提供参考。      

高温及超高温下水泥石力学及孔渗特性变化规律

页岩油原位注热开采过程中,井筒温度处于高温或者超高温状态,容易导致水泥环密封完整性失效,开展水泥石在高温及超高温下的力学特性和孔渗特征变化规律极为重要。对此,研究了不同温度热处理条件下水泥石力学特性的变化,基于数字图像相关技术,分析了高温处理后水泥石破坏模式的变化,采用低场核磁共振技术对于热处理后水泥石孔隙度和渗透率的变化规律进行了研究,并分析了孔隙度与渗透率关系的相关性。研究结果表明,对于高温处理后的水泥石试样,随着热处理温度的不断增加,水泥石单轴压缩强度先增加、后减少。试样的孔隙度和渗透率不断增加,其规律为先缓慢增加、后快速增加,主要是因为热处理温度较低时,产生的主要是微、小孔隙且并未发生连通;随着热处理温度的不断提升,部分微、小孔隙聚合成为中、大孔,且不同级别的孔隙之间出现连通,进而导致渗透率显著升高。研究结果对于页岩油原位注热开采过程中水泥环密封完整性的保护以及水泥浆配方的优化具有重要的参考意义。     

耐高温高压超高密度水泥浆体系的室内研究

天湾1井是位于准噶尔盆地中部的一口超深预探井,井深为7500 m,井底压力为170 MPa,井底温度为160℃,针对该井高温高压的问题,以及目前超高密度水泥浆存在的流动性和沉降稳定性差、动态失水量较大、以及大温差下顶部水泥石强度出现过缓凝等问题,室内成功研制出耐高温高压超高密度水泥浆体系,水泥浆密度可达2.55 g/cm3,该体系主要由新型加重剂、微硅、高温稳定剂、600目硅石粉（粒径为0.025 mm）、新型微锰矿粉、悬浮剂、高温缓凝剂、高温降失水剂、高温减阻剂等组成。实验结果表明,该体系水泥浆流动度达到32 cm,同时具有较好的沉降稳定性能,顶部水泥石强度较高,防气窜能力强,在160℃、170 MPa下,稠化时间线性可调,动态失水量为40 mL,该水泥浆体系应用范围广泛,可通过调整外加剂掺量来满足天湾1井不同井深温度下的固井施工要求。      

稠油热采井抗350℃高温硅酸盐基水泥浆

针对蒸汽驱稠油热采井井筒温度高达350℃,常规加砂水泥在高温下结构疏松,抗压强度低,铝酸盐及磷铝酸盐水泥成本高及与硅酸盐水泥污染严重等问题。通过探索高温增强作用机理,开发出高温特种增强材料,结合配套硅酸盐外加剂,研发出综合性能良好的抗350℃高温硅酸盐基水泥浆,并进行了水泥浆综合性能测试、XRD晶相组分分析、SEM晶相形貌分析,结果表明,抗350℃高温硅酸盐基水泥浆的沉降稳定性小于0.02 g/cm3,游离液量为0,API失水量小于50 mL,流动度大于20 cm,70℃水泥石24 h抗压强度大于14 MPa,且3轮次下350℃高温水泥石强度大于40 MPa,长期强度发展稳定,满足稠油热采井的工程应用需求,突破了超高温下硅酸盐水泥强度低、铝酸盐及磷铝酸盐水泥必用的困境,促进了超高温水泥浆技术进步。     

稠油热采井抗350℃高温硅酸盐基水泥浆

针对蒸汽驱稠油热采井井筒温度高达350℃，常规加砂水泥在高温下结构疏松，抗压强度低，铝酸盐及磷铝酸盐水泥成本高及与硅酸盐水泥污染严重等问题。通过探索高温增强作用机理，开发出高温特种增强材料，结合配套硅酸盐外加剂，研发出综合性能良好的抗350℃高温硅酸盐基水泥浆，并进行了水泥浆综合性能测试、XRD晶相组分分析、SEM晶相形貌分析，结果表明，抗350℃高温硅酸盐基水泥浆的沉降稳定性小于0.02 g/cm3，游离液量为0，API失水量小于50 mL，流动度大于20 cm，70℃水泥石24 h抗压强度大于14 MPa，且3轮次下350℃高温水泥石强度大于40 MPa，长期强度发展稳定，满足稠油热采井的工程应用需求，突破了超高温下硅酸盐水泥强度低、铝酸盐及磷铝酸盐水泥必用的困境，促进了超高温水泥浆技术进步。