紧密堆积优化固井水泥浆体系堆积密实度

紧密堆积技术是高性能固井水泥浆体系设计关键技术,对提高固井水泥浆性能具有重要意义,其核心是提高颗粒体系的堆积密实度。为此,选用可压缩堆积模型作为紧密堆积理论模型,确定了模型参数和数值计算方法,编制了堆积密实度计算程序并对计算结果进行了验证;通过计算多元颗粒体系的堆积密实度,对影响颗粒体系堆积密实度的因素进行了分析,并进行了水泥浆设计和性能试验。研究结果表明,适当增加超细颗粒组分、合理优化粒径分布区间、提高颗粒体系的大小颗粒平均粒径比可以有效提高堆积密度,相比三元体系,含有纳米材料的五元体系可达到颗粒体系的最紧密堆积,水泥浆性能更好。利用紧密堆积模型指导油井水泥体系干混配比设计具有可行性。     

紧密堆积水泥浆体系的堆积率计算

紧密堆积水泥浆体系在油气井固井中应用越来越广泛，衡量其紧密堆积程度的主要参数是堆积率（PVF）。通过对颗粒堆积的理论推导，分析了颗粒之间堆积的组合形式，从粒径分析角度对堆积率进行了理论计算，为设计高性能紧密堆积水泥浆体系提供了理论指导和参考。计算分析结果表明：采用单一颗粒不能达到紧密堆积；适当增加粗粒组分的数目，可提高堆积率，使它接近最紧密堆积，但当组分大于3时，实际意义不大。     

紧密堆积理论优化的固井材料和工艺体系

常规固井水泥浆在混合和泵送顶替时的最优性能与长期层间封隔水泥环柱所要求的力学性能总是矛盾的,在密度低或高时矛盾更加突出,粉末技术和钠米材料以及微细颗粒大小分布测试技术的发展,促进了材料力学的发展材料科技工作除关注化学键力的开发外,更注意颗粒间范德华力的开发,并发现紧密堆积理论是获得高性能固井材料的关键,利用紧密堆积理论与颗粒大小分布技术,使微细胶粒凝颗粒挤入材料的空隙,材料的胶空比大幅度降低,提高颗粒间的范德华力,从而创造出了新一代高性能胶凝材料,但用于紧密堆积的微细胶凝颗粒应是水化膜薄,外形呈球形,具有较好活性的颗粒,介绍了线性堆积密度模型以及二元系统的最大堆积密度与微细胶凝材料直径的关系,提出二元系统最大堆积时微细胶凝材料的体积分数为0.18-0.27,对于密度与水泥相近的微细胶凝材料,其最佳掺量为18%-27%,指出二元充填微细胶凝材料的尺寸应在被填充材料颗粒尺寸的1/2.5至1/10范围内;提出了干混材料堆积体积分数（PVF）的概念,PVF值越高,水泥浆性能越好,新一代高性能固井材料包括低密度高性能水泥浆,常规高性能水泥浆,高密度高性能水泥浆,微矩阵水泥和微细优化水泥,介绍了新型固井材料性能的优化设计以及与微细优化水泥相应的新的固井工艺-超低速挤注。     

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.     

超低密度水泥浆体系设计和研究

欠平衡钻井的发展和某些低破裂压力地层要求固井水泥浆密度低于1.20 g/cm^3,有些甚至要求水泥浆密度低于1.00 g/cm^3。为此,引入了超低密度水泥浆的概念;分析了所使用的减轻材料选择依据,提出超低密度水泥浆设计原理,超低密度水泥浆密度可达0.96 g/cm^3;讨论了超低密度水泥浆稳定性、失水、强度等性能,并对超低密度水泥浆的综合性能进行了试验,结果表明其综合性能优良,可以满足各种固井工程的应用要求。     

川东北地区高密度水泥浆体系的开发与应用

针对川东北地区气井目的层埋藏深、地层压力高、固井作业时易发生井漏和气窜等问题,进行了防气窜高密度水泥浆体系研究。应用紧密堆积和颗粒级配原理,使用微硅和铁矿粉进行颗粒级配,并优选了铁矿粉和＂卫辉＂的外加剂,配制出了高性能的高密度水泥浆体系。对该水泥浆的稳定性、稠化时间、抗压强度、防气窜性能、流变性能进行了室内评价,试验表明,该体系在较大温度范围内具有浆体沉降稳定性好、密度可调、游离水为零、流变性好、失水量小、强度高、稠化时间可调等特点,而且具有良好的防气窜性能。该高密度水泥浆体系已成功应用于川东北地区建深1井的高压气层的固井作业中,现场应用表明,该体系的流变性能、初始稠度、失水量、稠化时间、抗压强度等指标均能满足施工要求,固井质量合格,可进一步推广应用。     

低密度水泥浆决策软件

对于深水及近水油井，多采用低密度水泥浆进行固井，为改善低密度水泥浆的性能，美国能源部Natl能源工艺试验室经过3年的研究．研制出一套低密度水泥浆决策软件。该软件的主要核心是测试应用玻璃泡的超低密度水泥浆的物理特性，比较其与常规/低密度水泥浆特性的差异。该软件从许多施工井中获得数千套数据作为软件的数据库。许多现场要求水泥浆具有低密度、高强度，以满足施工过程中温度和循环压力的要求。室内试验表明，低密度水泥浆中的玻璃泡耐久力强，密度低、黏结性能好，能够满足现场温度和压力的要求。     

大温差水泥浆体系的研究与应用

辽河油田深井、高地温梯度井存在封固段长、上下温差大、顶部水泥浆易出现缓凝甚至超缓凝等问题。为了解决这些问题,运用缓凝剂DRH-200L、降失水剂DRF-120L,结合紧密堆积理论掺入具有火山灰活性的增强材料DRB-1S,开发出了常规密度大温差水泥浆体系并考察了其综合性能。实验结果表明,该水泥浆体系的综合性能良好;在大温差(温差为60℃)条件下,封固段顶部的水泥石抗压强度大于10 MPa/24 h;且此体系成功应用在沈308井φ177.8 mm技术套管固井中,固井质量优质,为提高辽河油田大温差井段的固井质量积累了经验。     

高性能超高密度水泥浆技术研究与应用

为了解决贵州赤水地区官渡构造钻探中超高压气层或盐水层固井的技术难题,实现超高密度水泥浆固井,必须采取使用密度较高的加重材料进行加重。常规的一些加重方法,如减少水灰比、配盐水溶液等已经不能满足所要加重密度的需要。通过颗粒级配、紧密堆积理论、外加剂选择,设计开发了密度为2.60~3.00g/cm3系列的高性能超高密度水泥浆体系,在官深1井的尾管固井中,水泥浆入井平均密度为2.75g/cm3,最高密度为2.82g/cm3,声幅测井显示固井质量合格,成功封隔超高压盐水层。     

高强低密度水泥浆体系及性能研究

针对目前低密度水泥浆抗压强度偏低,无法满足封固生产套管的不足,在分析低密度水泥浆配制关键技术的基础上,通过优选合适的中空微珠减轻剂、研制高性能促凝剂和选择合理的Ｄｉｎｇｅｒ－Ｆｕｎｋ方程紧密堆积计算模型,开发出密度１．３０～１．５０ｇ／ｃｍ３高强低密度水泥浆ＨＰＬＣ体系。测试结果表明,ＨＰＬＣ体系无游离液、浆 体稳定、流变性好、ＡＰＩ失水量≤３７ｍＬ／３０ｍｉｎ、稠化时间满足施工要求、低温早强和水泥石抗压强度高等优异性能,完全能够满足封固生产套管的抗压强度要求,有助于通过低压固井来实现保护油层目的。     

胜坨地区高密度水泥浆体系的设计与应用

针对胜坨地区油气井原始地层压力高,固井作业时易发生气窜等问题,进行了高密度抗盐水泥浆体系研究。应用紧密堆积和颗粒级配原理,使用微硅与铁矿粉进行颗粒级配,并优选了铁矿粉和沃尔德的外加剂,配制出高性能的高密度水泥浆体系。对该水泥浆的稳定性、稠化时间、防气窜性能、流变性能进行了室内评价,试验表明,该体系在较大温度范围内具有浆体沉降稳定性好、密度在1.90~2.60 g/cm3范围内可调、游离液为零、流变性好、失水量小、强度高、稠化时间可调等特点,而且具有良好的防气窜性能。该高密度水泥浆体系已成功应用于胜坨地区坨720等井以及胜利油田、新疆等高压油气层地区固井作业中,现场应用表明,该体系的流变性能、初始稠度、失水量、稠化时间、抗压强度等指标均能满足施工要求,固井质量优良,可进一步推广应用。     

高温抗盐直角稠化水泥浆体系

针对深井油气层埋藏深、分散,井温高、封固段长等复杂情况,优选出了一种高温抗盐直角稠化水泥浆体系.该体系外加剂由高温降失水剂G301(或G306)、高温缓凝剂GH-Ⅱ(GH-ⅡB)和高温减阻剂USZ组成.该水泥浆体系能够抗盐达饱和盐水,失水量小于150 mL,抗温达160 ℃,低温养护后强度大于14 MPa ,高温养护后强度仍大于15 MPa,表现出了很好的抗高温强度衰退性能;稠化时间可调,过渡时间短;易于配浆,流动性好,能够适应深井固井需要.在不同油田的高温固井实践表明,使用该水泥浆固井施工顺利,固井质量优质.     

低密度高强度防气窜水泥浆体系的研制及应用

基于紧密堆积和颗粒级配理论,研制了一种以工业漂珠为减轻剂、以超细胶凝材料为增强剂的新型低密度、高强度防气窜水泥浆体系。该水泥浆体系已成功应用于蓬莱193油田Ⅰ期工程固井作业,实现了对浅层气的有效封固。文中阐述了所研制水泥浆体系的设计原理,介绍了现场应用情况,并讨论了应用中有待进一步完善的问题。     

高温缓凝剂GH-9的研究与应用

为解决深井及超深井固井难题,克服一般固井用缓凝剂材料(铁铬盐、酒石酸、CMHEC、木质素磺酸盐等)存在的过缓凝或过敏感、不抗高温的弊病,研制开发了GH-9油井水泥抗高温缓凝剂,该高温缓凝剂是用一种不饱和二元有机酸衣康酸(又称亚甲基丁二酸)和另外一种带有磺酸基团的乙烯单体AMPS(又称2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸)在引发条件下聚合反应制成,该产品有很好的高温缓凝作用,与大多数的分散剂、降失水剂有良好的相容性,配制的水泥浆具有高温直角稠化的特点.经现场应用证明,该油井水泥抗高温缓凝剂能够满足高温固井需要,并适合在严寒的条件下施工,具有一定的推广应用价值.     

抗高温低密度水泥浆体系的研究

室内确定了一种适用于热采井(井深约2000m,蒸汽驱时温度为350℃)的抗高温低密度水泥浆体系。该水泥浆体系密度在1.40-1.60g/cm3之间可调;失水量低;低温(40℃)养护后,早期强度大于15MPa,远高于一般的低密度水泥浆体系;高温(350℃)养护后,水泥石强度仍大于10MPa,体现了其优异的抗高温强度衰退性能。同时对该体系的降失水、调凝,增加早期强度和抗高温的作用机理作了初步的探讨。     

吉林油田低密度水泥浆体系的研究与应用

吉林油田开发的新区块中,多数井井深为1500～2500 m,井下情况复杂,井漏、井塌现象时有发生、地层油气水活跃,给固井施工造成了很多困难,也严重影响了固井质量.为解决这些区块的固井技术难题,研究出并且应用了低密度水泥浆体系.本文论述了吉林油田针对各地区的不同特点,使用不同低密度水泥浆体系的情况,如在英台地区使用复合型低密度水泥浆体系,乾安地区使用降失水低密度水泥浆体系.同时配套使用冲洗液等不同的固井施工工艺,使吉林油田在固井质量方面有了较大的突破,为油田的增产创效做出了较大的贡献.     

优质高强低密度水泥浆体系的设计与应用

低压易漏地区的油气勘探开发对固井水泥浆密度提出了更高的要求,而常用的低密度水泥浆体系在更低的密度条件下已不能满足固井施工的基本要求.通过采用颗粒级配原理,优化低密度混合物中颗粒的粒度分布,提高体系的密实程度,使低密度水泥浆体系的强度和其它性能大幅度提高.依此原理设计的漂珠微硅低密度水泥浆体系性能如下:①密度范围为1.24～1.32 g/cm3;②密度为1.24 g/cm3时,50℃、24 h抗压强度达到14MPa,75℃强度超过16 MPa密度为1.29 g/em3时,50℃、24 h强度达到14 MPa,75℃强度超过17 MPa;③具有良好的流变性,较短的稠化过渡时间;④静胶凝强度发展形态较好,从48 Pa到240 Pa的过渡时间均小于20 min;⑤API失水量小;⑥超低密度水泥体系的强度已达到常规密度水泥体系的标准,其强度以及综合指标已远远超过普通低密度水泥浆体系.现场应用20多井次,取得了良好的效果.     

新型海水水泥浆体系的研究与应用

通过室内试验研究的新型海水水泥浆在渤海油田油层套管固井中得到成功应用。应用结果表明,新型海水水泥浆能够满足中深部地层(2000m左右)固井作业的要求,作业安全可靠,固井质量优良,对储层的伤害低于淡水水泥浆。新型海水水泥浆的成功应用,打破了以往海上技术套管和油层套管固井作业只能依赖淡水的限制。在海上钻井作业中广泛应用新型海水水泥浆,能够取得良好的社会效益和经济效益。     

深水低温固井水泥浆的研究

针对深水表层固井存在的低温、水泥石强度发展缓慢、浅层流、易漏失等难点,进行了深水低温固井水泥浆的研究,主要包括低温早强水泥、低密度减轻材料及配套外加剂。该水泥浆可在1.2～1.7 g/cm3、4～20℃的范围内应用,水泥浆低温强度发展快,体系稳定,具有良好的综合性能。     

高密度水泥浆高温沉降稳定调控热增黏聚合物研制与性能

在深井/超深井固井过程中,井底高温加剧了水泥浆中颗粒的布朗运动、降低了水泥浆内部黏滞力,高密度水泥浆更易发生沉降失稳甚至严重分层,影响固井质量和安全。现有改善高温高密度水泥浆稳定性方法存在着"低温增稠、高温变稀"缺陷,为此,在丙烯酰胺(AM)、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)共聚基础上引入耐高温N,N-二甲基丙烯酰胺(DMAA)单体、憎水单体(HCZW-50),采用水溶液自由基共聚法,合成出具有优秀热增黏特性的新型聚合物(TV-1),利用红外光谱、核磁共振、热重分析、凝胶渗透色谱、冷冻扫描电镜等分析了TV-1的结构、热增黏机理等,评价了TV-1对高密度水泥浆高温沉降稳定性的调控规律。研究结果表明:TV-1聚合物耐温性能优异,在20～150℃温度范围内,表观黏度随温度的升高显著增加,其独特的热增黏特性有助于防止高温高密度水泥浆沉降,在155℃下TV-1可将高密度水泥浆上、下密度差控制在0.03 g/cm³之内,为高温高密度水泥浆沉降稳定性调控提供了一种新方法,有利于提高深井/超深井固井质量,降低固井风险。