油井水泥浆与多功能钻井液泥饼界面离子扩散阻碍机理

对泥浆转化为水泥浆（MTC）固井液水化离子可扩散进入多功能钻井液泥饼的机理已有研究,但对油井水泥浆水化离子不能扩散运移进入多功能钻井液泥饼的机理尚未清楚。采用离子色谱仪、原子吸收分光光度计和X射线衍射仪,从油井水泥浆与MTC固井液离子组成的差异性入手,对油井水泥水化离子向多功能钻井液泥饼扩散运移的阻碍机理进行了研究。结果表明,油井水泥浆中Ca²⁺的质量分数远远大于MTC固井液中Ca²⁺的质量分数,在油井水泥与多功能钻井液泥饼界面生成了CaCO₃、CaSO₄和Ca(OH)₂,而MTC固井液中Na⁺的质量分数则大于油井水泥浆中Na⁺的质量分数;Na⁺可改变泥饼中活性颗粒表面的ζ电位和破坏钻井液有机处理剂表面形成的水膜是MTC固井液中水化离子能扩散运移进入多功能钻井液泥饼的主要原因,而在油井水泥与多功能钻井液泥饼界面生成的CaCO₃、CaSO₄和Ca(OH)₂沉淀堵塞孔道则是油井水泥浆水化离子不能扩散运移进入多功能钻井液泥饼的主要机理。     

矿渣MTC水化机理实验研究

针对钻井行业中采用矿渣MTC进行油气井固井的特点,利用XRD对矿渣MTC水化过程产物以及膨润土等进行了物相鉴定实验研究,根据硅酸盐化学理论、无机材料化学理论,分析了矿渣MTC的水化机理.研究结果表明:矿渣由大量玻璃体和少量水泥熟料晶体组成,膨润土中含有大量的钠蒙脱石和石英,使其与玻璃体的性能相似,可以在强碱作用下被激活.硅酸三钙、硅酸二钙、硅钙石等都可以水化生成硅酸钙凝胶和Ca(OH)₂,随着钙硅比的减小,它们的活性减弱,并且生成的硅酸钙凝胶也具有不同的钙硅比.反应过程的水化产物Ca(OH)₂可以作为矿渣的激活剂,与SiO₂作用生成低钙硅比的C-S-H凝胶,其中水泥熟料物质的水化进程与其在24h之内的水化特性相吻合.     

钻井液转变成固井液的固井技术研究

通过向钻井液中加入高炉矿渣和其它化学处理剂,可将钻井液转变成固井液(MTC)。高炉矿渣是一种具有水硬性质的颗粒材料。文中介绍了筛选矿渣,分析了影响矿渣水化反应和形成强度的因素,建立了钻井液转变成固井液的室内实验方法,研究了钻井液转变成固井液的液体性能和固体性能,评选出1种激活剂、2种分散剂和3种调凝剂,完成了密度1.50~1.70g/cm3、流动度21~26cm、API失水小于100mL、无游离水、稠化时间180~300min、24h抗压强度大于13MPa的MTC固井液配方。经冀东油田用常规固井设备和工艺在φ244.5mm套管固井中施工5口井。这5口定向井的钻井液类型有聚合物钻井液、正电胶钻井液和小阳离子钻井液。钻井液转变成的MTC团开液密度为1.62~1.81g/cm3,具有可泵性好、固化物抗压强度发展快等特点,测井表明固井质量合格,与用油井水泥固井相比可节约固井材料费约75%。     

低温固井水泥浆体系的室内研究

针对煤层气层的低温固井以及深水表层套管固井中油井水泥早期强度发展缓慢的问题,通过将胶体SiO₂、硫酸盐和醇胺类物质三元复配,开发出一种复合型无氯早强剂AA。研究了该早强剂不同加量对油井水泥的影响,采用XRD、SEM分析水泥水化产物和微观形貌,并结合早强剂中各组分作用,分析了它的作用机理。通过向水泥中加入减轻材料和配套外加剂,形成了一套密度为1.35~1.87 g/cm3的低温固井水泥浆体系。研究结果表明,早强剂AA可以加速水泥熟料C₃S、C₂S的水化反应进程,同时消耗水泥水化生成的Ca(OH)₂,胶体SiO₂可以与Ca(OH)₂发生火山灰反应生成C-S-H凝胶,它可以填充水泥颗粒之间的微孔隙,显著提高水泥石早期强度;该低温固井水泥浆在30℃下的24 h抗压强度大于13 MPa,稠化时间在196~258 min之间,失水量为24 mL,游离液为0,流动度大于20 cm。此外,该水泥浆体系具有直角稠化、防气窜性能优异等优点。      

MTC固井液固化影响因素的探讨

讨论了矿渣活性、细度、加量、钻井液中膨润土含量、介质pH值、外加剂以及养护温度和时间对MTC固井液的影响。结果表明,用于固井液的矿渣必须具有较高的活性,细度介于14—37 μm之间,固井液的pH值大于12,钻井液中膨润土含量适中,养护温度高,才能使MTC固井液很好地固化。     

矿渣MTC固化泥饼能力及其行为原因分析

矿渣MTC能不能实现泥饼的固化胶结,是否能提高第二界面胶结强度,对矿渣MTC的推广应用极其关键,为此系统比较了矿渣MTC水泥浆与油井水泥浆在没有泥饼、普通钻井液泥饼、多功能钻井液泥饼3种情况下的界面胶结性能,并对泥饼固化的原因进行了分析研究.实验结果表明,没有泥饼存在时,油井水泥浆的胶结性能明显优于矿渣MTC;普通泥饼存在时,水泥浆和MTC均不能得到令人满意的胶结性能;油井水泥浆不能使多功能钻井液泥饼固化胶结,而矿渣MTC能够实现多功能钻井液泥饼的固化胶结.结果还表明,泥饼固化的首要条件是泥饼中必须含有胶凝材料,由于普通泥饼中没有胶凝材料,所以不论是什么固井液都不能使其固化.而矿渣的活性是潜在的,只有被激活才能发挥胶凝性能,因此油井水泥浆无法与多功能钻井液泥饼发生同步的水化固化反应,只有矿渣MTC浆体与多功能钻井液泥饼相遇,才能既保证有胶凝组分的存在又具有足以激活矿渣水化的可溶性激活组分,从而有效实现泥饼的固化,提高固井质量.     

固井液与多功能钻井液泥饼整体固化胶结的可行性探讨

研究了MTC固井液和油井水泥浆固井液与多功能钻井液泥饼的胶结状况。试验结果表明，多功能钻井液泥饼的固化反应直接受到固井液水化反应机理和过程的控制。在MTC浆水化反应初期会产生大量发生水化反应必需的可溶性离子，这些可溶性离子渗透到多功能钻井液泥饼内部，为其提供了可激发水化反应的可溶性离子，从而实现了整体固化胶结；而在油井水泥浆与多功能钻井液泥饼的胶结试验中，能够渗透到泥饼内部的大多是Ca^2 ，而Ca^2 离子极易和泥饼中的膨润土颗粒和处理剂发生絮凝反应，形成不会固化而且破坏胶结强度的絮凝产物，剩下的少量Ca(OH）2难以激活多功能钻井液泥饼的水化反应，因此整体固化胶结难以实现。要实现油井水泥浆固化体与多功能钻井液泥饼的整体固化胶结，应该对固井液体系进行必要的改进，使其在水化反应过程中产生的水溶性离子的种类和数量能够满足泥饼固化的需要；同时应该注意研究新的能够激发和促进泥饼固化水化反应的钻井液添加剂，对钻井液进行必要的改进。     

矿渣MTC固化滤饼能力实验研究

固井液与钻井液滤饼实现整体固化胶结一直是石油工程界期待解决的重大技术难题。由于钻井液滤饼的存在，水泥浆与井壁不能牢固胶结，固井后常常出现油气水窜等严重问题，从而造成固井失败。为此，系统地比较了矿渣MTC水泥浆与油井水泥浆在没有滤饼、普通钻井液滤饼、多功能钻井液滤饼3种情况下的界面胶结性能。实验结果表明，没有滤饼存在时，油井水泥浆的胶结性能明显优于矿渣MTC；普通滤饼存在时，水泥浆和MTC均不能得到令人满意的胶结性能；油井水泥浆不能使多功能钻井液滤饼固化胶结，而矿渣MTC能够实现多功能钻井液滤饼的固化胶结。多功能钻井液钻井技术与矿渣MTC固井技术联合使用可以适当淡化顶替技术，充分发挥矿渣MTC技术的经济、技术优势，提高固井质量。     

高炉矿渣改性铝酸盐水泥材料腐蚀机理与性能

随着油气资源的勘探与开发力度加大，固井作业面临越来越复杂的工况，如高温、高压、酸性环境等，对固井水泥环提出了更高的要求，固井常用硅酸盐水泥由于自身矿物组分及水化产物原因，易被酸性环境腐蚀，进而引起固井水泥环封隔失效等问题。而高炉矿渣改性铝酸盐水泥基材料具有较好的耐高温性、耐久性和抗酸腐蚀性，还具有成本低、使用范围广的特点。模拟海上高温高压酸性气田开发实际工况，研究了高炉矿渣改性铝酸盐水泥的耐腐蚀性能，通过对腐蚀前后水泥石的物相组成和微观形貌的表征揭示了高炉矿渣改性水泥石的增强及防腐蚀机理。结果表明，掺入40%高炉矿渣可改善铝酸盐水泥后期强度衰退并提高防腐能力；微观分析表明，铝酸盐水泥主要物相CA会直接生成C₃AH₆，避免了C₂AH₈、CAH₁₀和高炉矿渣反应生成结构疏松并且强度较低的C₂ASH₈。由于该水化产物的大量生成，使得水泥石结构更为致密，减少了酸性介质腐蚀通道，使得高炉矿渣改性铝酸盐水泥石的力学性能以及防腐蚀能力大大提升。      

影响井壁泥饼固化质量的因素分析

解决固井第二界面胶结问题的根本是实现泥饼与井壁和固井液的整体固化胶结。研究了固井液的类型、pH值、泥饼厚度、矿渣含量、养护时间对泥饼整体固化胶结质量的影响。实验结果表明,MTC固井液能与多功能钻井液泥饼整体固化胶结,多功能钻井液中矿渣含量达一定值后才能实现整体固化胶结,且随矿渣含量的增大,胶结强度增大,当矿渣含量为20%时,养护3 d胶结强度可达2 MPa以上;含矿渣泥饼在高碱环境下且厚度小于2.5mm时才能固化,随养护时间的延长泥饼的胶结强度增大,在养护前3 d内,其增长速率最快。该研究结果对提高泥饼整体固化胶结强度,提高第二界面胶结质量有重要意义。     

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以高炉矿渣为水化材料，使钻井液转化为水泥浆固井技术，与多功能钻井液固井工艺技术相结合，井壁形成可固化的坚硬的泥饼，有助于地层封隔，减少或阻止循环漏失和固井注水泥中水泥浆通过漏失层位的液柱回落。多功能钻井液可以提高井眼的完整性和固井注水泥质量。文中介绍对调整井设计密度为１．１６ｇ／ｃｍ３，用高炉矿渣代替重晶石加重的多功能钻井液。试验研究了矿渣钻井液固化液在多功能钻井液中的扩散过程和矿渣钻井液固化液的抗压强度、流变性、稳定性等性能。研究结果表明：矿渣钻井液固化液中的激活剂能扩散到泥饼和残留于环空中的钻井液中，使钻井液滤饼和残留于环空中的钻井液全部固化，实现第一界面、第二界面的良好胶结，防止油气水窜，提高固井质量。矿渣钻井液固化液抗压强度高，流变性和稳定性好，有利于提高固井质量。多功能钻井液固井技术对提高水平井固井质量有较大的技术优势，建议研究应用。     

提高第二界面固井质量的钻井液与前置液研究

针对提高第二界面固井质量的问题．研究出了多功能钻井液和SF-1冲洗前置液。对这两种体系的性能评价表明：加入矿渣后多功能钻井液的滤失量大大降低．泥饼的胶结强度提高，从而降低了钻井液对地层的损害；加有活性组分的SF-1前置液具有较强的稀释钻井液、降低粘度和切力的作用，提高了钻井液和水泥浆的相容性。现场应用表明．多功能钻井液须与MTC固井液配合使用．才具有提高第二界面固井质量的效果；SF-1前置液改善了水泥环与套管和水泥环与井壁的胶结环境．增强胶结力，提高了水泥浆的顶替效率．有效地提高了固井质量。密度介于钻井液与水泥浆之间的加重前置液在现场使用效果良好．固井质量优质，钻井液与水泥浆界面清晰。     

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钻井液转化为水泥浆技术，是在钻井液中添加某些胶凝材料和外加剂将其转变成水泥浆直接用作固井材料的新型固井方法。在钻井过程中钻井液承担着冷却润滑钻头，携带岩屑，平衡地层压力，稳定井壁的任务。如果在完成钻井后将钻井液通过一定的方法转化为可固结的材料———固井液，就能达到封隔地层、支撑套管、防止层间流体窜通的目的，这种技术又称为ＭＴＣ（ＭｕｄｔｏＣｅｍｅｎｔ）技术。文中从油气井开发提高效率、降低费用的技术要求出发，论述了采用ＭＴＣ技术是一条可行的路子。实验研究得出用油井水泥，粒化高炉矿渣共同作为胶凝材料，优选合适的分散剂和促凝剂，提出了普通钻井液和聚丙烯酰胺低固相钻井液转化为水泥浆体系的优化配方。这种兼有钻井液和固井液作用的技术，能避免钻井液和水泥浆混合时发生的絮凝现象，提高环空顶替效率，降低废钻井液处理费用，减少固井材料，因而在提高固井质量和降低成本上有很大的潜力，可供生产部门参考     

超低密度高炉矿渣MTC固井液试验研究

长庆油田靖安、华池、镇原等地区的低压易漏地层,用1.30~1.50g/cm3低密度水泥浆固井,仍然存在水泥返高不够、固井质量差的问题。利用MTC固井的技术优势,用高炉矿渣、减轻材料漂珠和碱性激活剂设计1.20~1.40g/cm3的超低密度高炉矿渣MTC固井液体系,以解决低压易漏地层的固井质量问题。设计的超低密度矿渣MTC固井液流变性好,体系稳定,稠化时间能满足固井施工要求,在低温和高温下抗压强度高。高炉矿渣激活剂BES-1和BES-2性能良好,能在低温和高温下激活矿渣和漂珠的潜在活性,可提高超低密度矿渣MTC固井液水泥石的抗压强度。     

用多功能钻井液设计超低密度矿渣水泥浆

本文针对陕甘宁盆地中部低渗透天然气田低压易漏地层二级固井中存在的问题，利用高炉矿渣、漂珠的潜在活性及比重较小的特点，结合多功能钻井液固井技术的优点，用多功能钻井液设计超低密度（１２０ｇ／ｃｍ３～１４０ｇ／ｃｍ３）矿渣水泥浆。用该水泥浆为领浆和纯Ｇ级水泥浆为尾浆对天然气井进行一次性注水泥固井，替代分级固井技术。室内研究结果表明：超低密度矿渣钻井液固化液中激活剂可以扩散到滤饼和残留的多功能钻井液中，使套管、水泥石和地层三者之间达到完整的胶结，使地层封隔效果良好，水泥石抗压强度高，水泥浆流变性好，体系稳定，稠化时间满足现场施工要求，并解决了分级固井技术中存在的固井质量问题。     

提高矿渣石高温高压强度的方法探讨

MTC固有井技术中深井和深井高温高压井段固井质量均差于浅井。通过室内实验分析可知，水灰比，矿渣活性，激活剂，助剂种类以及加强，分散剂，钻井液加量，降失水剂，PH值及其它水泥化质都影响矿渣石高温高压强度，对提高砂渣石高温高压强度的方法进行了探讨，并提出了相应的措施，即：设计出合理的矿渣浆密度；选择具有良好配伍性的降失水剂；选用活性的矿渣，活性的判断可采用MTC法；加入20％－35％的预水化钻井液，根据并底温度确定加量；加强设备的管理和维修，确保固井施工的连续和注浆的泵速；实验确定激剂，助剂比例关系，采用高效分散剂或者复配其他缓凝剂增加助剂的加量，最终提高矿渣石的高温高压强度。现场应用表明，通过采用上述方法提高矿渣石高温高压强度；提高了中深井和深井高温高压井段的固井质量。