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.     

泥饼固化提高固井二界面胶结强度的微观分析

采用XRD、ESEM-EDX和TG-DSC测试分析方法,对泥饼固化提高固井二界面胶结强度的机理进行了研究。结果表明,泥饼固化法制备的固井二界面凝饼中生成了水化硅酸钙(C-S-H)凝胶和沸石类凝胶。它们是由泥饼改性剂中的活性物质、黏土矿物被溶蚀析出的活性物质、水泥水化产生的水化离子和凝饼形成剂共同作用形成的。这些胶凝物质填充在黏土矿物和钻井岩屑之间,并将之粘接在一起,相互胶结形成了连续相,实现了固井二界面的整体固化胶结。图7表1参12     

固井二界面泥饼固化剂与水泥浆滤液的反应机理

固井二界面封隔失效已是制约油气高效开采的重要因素,而提高固井二界面胶结质量是解决这一工程难题的主要途径。基于提出的MCS (mud cake solidification)技术,采用现代分析测试技术,研究了固井二界面泥饼固化剂与水泥浆滤液的反应机理。研究结果表明,在压差的作用下泥饼固化剂的有效成分将发生向泥饼方向的迁移扩散,进而吸附在泥饼表面且渗透进入泥饼本体;泥饼固化剂与水泥浆滤液反应,生成水化硅酸钙(C-S-H)、水化铝酸钙(C₃AH₆)等胶凝物,且随着养护时间的延长,这些胶凝物可由低聚态的硅酸阴离子逐渐聚合为高聚态水化硅酸胶凝物,即在最初的3 h内,硅酸阴离子单聚体的量急剧下降,同时二聚体的量先增多后减少,最终生成高聚物,进而固化泥饼,提高固井二界面胶结质量。      

河南油田稠油井一体化固井技术研究

针对河南油田稠油井第二界面汽窜问题,开展了油井水泥-泥饼-地层整体胶结一体化固井技术研究。该技术是在不改变现有钻井液、水泥浆体系及性能的基础上,采用化学方法实现水泥环-泥饼-地层的整体胶结,达到大幅度提高固井第二界面胶结强度的目的。通过室内配伍性实验及胶结强度测试,证实了泥饼改性剂(GM-Ⅰ)、凝饼形成剂(GA-Ⅱ)与钻井液、水泥浆配伍良好,水泥环-泥饼-地层的整体胶结作用使固井第二界面胶结强度提高到200%以上。6口井的现场应用表明,固井第二界面胶结质量较邻井显著提高,解决了稠油井第二界面汽窜问题。     

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。     

MTA方法固井二界面整体固化胶结实验

基于泥饼仿地成凝饼的科学构想,采用力学性能评价(如胶结强度)、微观结构分析(如X射线粉末衍射分析、热失重分析、环境扫描电子显微镜分析)和流体溶蚀实验等方法对MTA方法固井二界面整体固化胶结进行了实验研究。研究结果表明:随着养护时间的延长,用MTA方法得到的固井二界面胶结强度较目前提高了37.81%~1 606.31%;泥饼与水泥浆发生了局部的同步水化硬化反应,且生成了少量的团状水化硅酸钙(CSH(Ⅰ))凝胶和片沸石类凝胶,显示固井二界面整体固化胶结;流体溶蚀实验表明,采用目前方法,养护成型的样品浸泡28 d后,泥饼还原成了浑浊的稀钻井液,而用MTA方法得到的凝饼与水泥硬化体已胶结为一体,且凝饼未被溶蚀,表现为杯内流体仍清澈。这印证了两个事实:一是泥饼仿地成了凝饼,二是固井二界面已整体固化胶结。图6表1参16     

养护时间和泥饼改性剂对固井二界面胶结强度的影响

建立了切合实际的固井二界面仿真实验系统和评价方法,包括仿地井筒制备、泥饼形成、样品养护和固井二界面胶结强度测试。以取自油田的相关样品为基础,研究了养护时间和泥饼改性剂加量对固井二界面胶结强度的影响。在38℃、75℃、90℃下,无论泥饼改性剂是2%或是3%,固井二界面胶结强度均随养护时间的延长而增大,且从2 d到7 d增长较快,而从7 d到14 d增长趋于平缓,最大胶结强度达1.142 MPa。在上述不同温度、不同养护时间条件下,泥饼改性剂加量由0%增至3%,固井二界面胶结强度逐渐增加。在3%泥饼改性剂加量、养护时间14 d的条件下低温养护下的二界面胶结强度高于高温养护下的强度。论述了泥饼改性剂和凝饼形成剂的联合作用所产生的胶凝效应和微骨料效应。     

基于地质聚合物原理实现泥饼固化的固井质量改善方法

钻井液在井壁上形成的一层不可固化的泥饼是固井二界面质量出现问题的主要因素,而泥饼固化技术是解决固井二界面问题的新思路。笔者结合矿渣固化泥饼技术和MTA固井技术的优势,提出了基于地质聚合物原理实现泥饼固化的新思。实验研究结果表明,在钻井液中加入偏高岭土和超细矿渣2种潜活性材料,当膨润土、偏高岭土和超细矿渣的比例为3︰3︰1时,钻井液形成的泥饼在激活剂的作用下能够具有较高强度;激活参数优化结果表明,激活剂硅酸钠的最佳加量为偏高岭土加量的72%,用于激活矿渣的氢氧化钠最佳加量为偏高岭土加量的2%,最优激活时间为15 min。此外,研究了偏高岭土和超细矿渣与钻井液的配伍性,发现2种材料对钻井液性能影响较小。通过泥饼固化实验结果显示,钻井液基浆的泥饼强度提高了63倍,2种钻井液体系的泥饼强度分别提高了16倍和20倍,表明该技术具有广阔的研究前景。      

渗透固结型环氧树脂基油气井常温固泥材料

在油气井钻井过程中固井二界面胶结强度低是导致固井环气窜问题的重要原因。采用含可反应稀释剂的低黏度、高渗透性的环氧树脂（HP环氧树脂）与水泥浆共混,混合水泥浆中的环氧树脂在高压下可以渗透扩散至泥饼中,经固化后可明显改善水泥浆和泥饼之间的界面胶结强度。实验结果表明,HP环氧树脂自身固化具有较高的抗压性能,加入表面活性剂Tween-80可提高其与水泥浆的相容性,形成均一的体系,HP环氧改性水泥浆的各项性能指标符合工程需求。通过接触角、SEM等测试验证了环氧树脂通过“渗入-扩散-胶结”来增强界面黏接力的机理。结果表明, HP环氧树脂占比为5%的共混水泥浆,其1 d的抗压强度为24.3 MPa,用其进行泥饼胶结时,固化1 mm厚泥饼的胶结强度可达0.45 MPa,如果将HP环氧树脂的含量升至10%,胶结强度还能进一步提升至0.55 MPa。从微观形貌中可以看出,HP环氧树脂从水泥浆中渗透扩散至泥饼中,使得形成的泥饼界面更加致密,从而提高改性水泥浆-泥饼界面的胶结强度。      

固井二界面泥饼的固化反应

对比考察了现有技术和泥饼固化(MCS)技术的固井二界面胶结强度,通过环境扫描电子显微镜(ESEM)考察了固井二界面泥饼的微观形貌,并通过差示扫描量热仪(DSC)测试对固化反应动力学进行了动态分析。实验结果表明,95℃水浴养护3 d、7 d和15 d条件下,MCS技术的固井二界面胶结强度分别较现有技术的平均提高了439.33%、471.37%和194.11%。ESEM分析表明,MCS技术使固井二界面胶凝固化为一个胶结致密整体,泥饼固化效果显著。在泥饼固化剂作用下,泥饼发生了溶蚀-胶凝固化反应,实现了固井二界面整体固化胶结。Kissinger法和Ozawa法求取的固化反应表观活化能分别为101.33 k J/mol和106.55 k J/mol;固化反应级数为0.95,泥饼固化反应是由多个简单反应复合而成的复杂反应。     

MgO作为油井水泥膨胀剂的研究现状与展望

随着对稠油井、超深井等高温井开采力度的加大,CaO及钙钒石类传统油井水泥膨胀剂因其高温性能不稳定而无法满足固井需要,以MgO为主要成分的镁质油井水泥膨胀剂有望在高温井固井中得到更为广泛的应用。列举了MgO膨胀剂应用于油井水泥的国内外研究成果,从中可以得出,MgO煅烧温度须与使用温度满足一定的匹配关系;高掺量（12%） MgO可优化80℃三维受限状态的水泥石孔径并提高其抗压强度,但5%~10%掺量的MgO会降低135~150℃下加砂水泥石的抗压强度;水泥石因MgO产生的径向膨胀能够显著提高二界面胶结强度,改善封隔质量,对存在劣质泥饼的二界面胶结强度亦有增强效果。以上结果对以MgO为主要成分的高温复合型防窜剂研究及应用推广具有一定的指导意义。      

一种低温低密度可固化隔离液的研制与性能评价

为适应海上“零排放”的环境保护政策,最大限度减少环空自由套管长度,同时为了提高斜井（尤其大位移井段、水平井段）固井顶替效率,改善固井二界面封固质量,研制了一种低温低密度条件下可固化的隔离液LL-CSF。对其进行性能评价,结果表明：① LL-CSF与钻井液和水泥浆具有良好的相容性,满足固井作业对前置液的要求;② LL-CSF与钻井液和水泥浆的混合液固化体抗压强度达到1.6 MPa以上,且与钻井液的混合液固化体也具有一定的抗压强度;③温度为20℃和40℃时,LL-CSF有利于提高固井二界面抗剪切强度,且40℃下可提高约3倍,但温度超过60℃时则不利于固井二界面胶结;④随着温度和时间的增加,LL-CSF固化体抗压强度先增大后降低,但随着LL-CSF密度的增大,其固化体抗压强度总体呈增大趋势;⑤ LL-CSF固化体具有较好的耐久性和稳定性。LL-CSF固化机理初步认为先是矿渣中富钙相和富硅相分解,然后各种离子和化学键重组而形成相应的水化产物。LL-CSF具有成本低廉、现场实施简便,可满足海洋固井的特殊需求,即在低温（小于40℃）且水泥浆不返到地面而又需要隔离液固化充填的固井中具有一定的应用前景。     

一种低温低密度可固化隔离液的研制与性能评价

为适应海上“零排放”的环境保护政策,最大限度减少环空自由套管长度,同时为了提高斜井（尤其大位移井段、水平井段）固井顶替效率,改善固井二界面封固质量,研制了一种低温低密度条件下可固化的隔离液LL-CSF。对其进行性能评价,结果表明:① LL-CSF与钻井液和水泥浆具有良好的相容性,满足固井作业对前置液的要求;② LL-CSF与钻井液和水泥浆的混合液固化体抗压强度达到1.6 MPa以上,且与钻井液的混合液固化体也具有一定的抗压强度;③温度为20℃和40℃时,LL-CSF有利于提高固井二界面抗剪切强度,且40℃下可提高约3倍,但温度超过60℃时则不利于固井二界面胶结;④随着温度和时间的增加,LL-CSF固化体抗压强度先增大后降低,但随着LL-CSF密度的增大,其固化体抗压强度总体呈增大趋势;⑤ LL-CSF固化体具有较好的耐久性和稳定性。LL-CSF固化机理初步认为先是矿渣中富钙相和富硅相分解,然后各种离子和化学键重组而形成相应的水化产物。LL-CSF具有成本低廉、现场实施简便,可满足海洋固井的特殊需求,即在低温（小于40℃）且水泥浆不返到地面而又需要隔离液固化充填的固井中具有一定的应用前景。      

塔里木库车山前深井窄间隙小尾管固井技术

库车山前是塔里木油田增储上产的重点区域,井深通常在6000~7000 m左右,地质条件复杂,已钻遇井最高温度近180℃,最高气藏压力为150 MPa。钻井采用五开井身结构,目的层巴什基奇克组专打,厚度较薄,约为200 m,采用尾管固井工艺。井深、温度高（120~180℃）、窄间隙（11~18 mm）、小尾管约200 m,对水泥浆抗温性能、流变性能及力学性能均提出了挑战,同时部分井采用水基钻井液,滤饼厚、清除困难,保证固井施工安全及胶结质量困难。针对以上难点,优选抗高温高强度水泥浆体系、抗高温冲洗隔离液体系,同时配套固井工艺,形成适合库车山前固井的深井窄间隙小尾管固井技术,可大幅度提升环空的冲洗顶替效率,同时水泥浆强度发展快,有利于提高水泥石胶结质量,确保后期负压验窜顺利实施。该技术在大北1101井φ127 mm尾管固井中应用,固井合格率为97.2%,优质率为79.4%,负压差33 MPa验窜合格,创山前水基钻井液固井质量最高记录。      

巴彦河套盆地复杂储层固井技术

巴彦河套盆地储层低成熟度、高渗透、低强度、高泥质含量特性显著,井壁岩性水敏性强,地层不稳定而易垮易漏,固井面临井深、封固段长、顶替效率低、界面胶结差和后期压裂对水泥环力学性能要求高等技术难题,采用界面增强材料DRJ-2S、膨胀增韧材料DRE-4S等固井关键材料,形成了综合性能良好的DRJ-2S批混批注固壁型冲洗隔离液和DRE高强度韧性微膨胀水泥浆体系。研究表明,DRJ-2S批混批注固壁型冲洗隔离液的冲洗效率达96%以上,较清水提高30%以上,且密度为1.60 g/cm3隔离液的7 d抗压强度为9.6 MPa,可明显提高混合流体抗压强度及水泥环界面胶结强度;90℃、21 MPa下,掺有（4%～6%）DRE-4S的高强度韧性微膨胀水泥浆的抗压强度不小于24 MPa,弹性模量不大于7 GPa,线性膨胀率不小于0.02%,具有较强的力学交变适应性。DRE高强度韧性微膨胀水泥浆体系、DRJ-2S批混批注固壁型冲洗隔离液及配套固井工艺技术在巴彦河套盆地规模应用40多井次,平均固井合格率为96.5%以上,推动了该地区整体固井质量大幅提升,为复杂油气井安全高效开发提供了强有力的技术保障,且具有很好的推...     

抗盐高性能水泥浆体系研究与应用

伊拉克米桑油田井底普遍存在高压盐膏层,由于盐层蠕变致使井径缩小、冲蚀和溶解盐层导致水泥浆含盐量越来越高、密度窗口窄、顶替效率低等难点给固井质量带来挑战。针对目前常用的半饱和NaCl溶液或者（3%～5%） KCl溶液配浆存在的水泥石抗压强度低,界面胶结差的问题,优选含有25% NaCl和5% KCl高盐混合水配制水泥浆,配套抗盐降失水剂、分散剂、缓凝剂等外加剂,解决了因高盐混合水配浆可能带来的水泥浆增稠、触变等问题,构建了一种抗盐高性能水泥浆体系。室内研究表明,该套水泥浆体系能抑制盐的溶解,配制密度为2.39 g/cm3的水泥浆,最低只需加入30%铁矿粉,在降低水泥浆成本的同时大幅度提高了水泥石的抗压强度,使其24 h抗压强度可达48 MPa,较目前应用水平提高近一倍;水泥浆污染后24 h强度依然大于14 MPa,能够保证米桑油田盐膏层固井质量,可在伊拉克米桑油田推广应用。      

高石梯-磨溪区块高压气井尾管固井技术

针对西南油气田高石梯-磨溪区块高压气井φ177.8 mm尾管固井遇到的气层活跃、安全密度窗口窄、流体相容性差及高温大温差等问题,制定了相应的固井技术措施。开发了适合高温大温差固井的自愈合防窜高密度水泥浆体系,并进行了室内研究。结果表明:该体系密度为2.0~2.8 g/cm3,现场一次混配可达2.6 g/cm3以上;适应温度为常温~180℃;浆体的上下密度差不大于0.05 g/cm3;失水量不大于50 mL;稠化时间与缓凝剂掺量具有良好的线性关系,稠化过渡时间不大于10 min;静胶凝强度过渡时间不大于20 min;24 h抗压强度大于10 MPa,水泥石顶部48 h抗压强度大于3.5 MPa,低温下强度发展快,形成的水泥石体积稳定不收缩,具有类似韧性水泥的力学性能;遇油气产生体积膨胀,保证了界面胶结质量和密封完整性,降低了固井后发生气窜的风险。该固井技术在高石X井和高石Y井中进行了应用,固井优质率和合格率得到较大幅度提高,水泥环后期不带压,获得良好应用效果。      

偏高岭土-矿渣地聚合物固井水泥浆体系研究

地聚合物比现有的油井水泥性能优越,是常规固井水泥的替代品,但是目前没有成熟的地聚合物固井水泥浆体系.为了研发出一套成熟的地聚合物固井水泥浆体系,针对地聚合物在配比设计和制备理论不成熟的问题,开展了碱激发剂(氢氧化钠与速溶硅酸钠)和原材料偏高岭土与矿渣的配比对地聚合物抗压强度的影响等方面的研究工作,优选出地聚合物碱激发剂...