高温水热条件下水泥石强度衰退的研究

本文研究了几种常用油井水泥在高温水热条件下水泥石抗压强度衰退的规律,提出了掺加适当比例石英砂(SiO_2)抑制水泥石高温强度衰退的方法。方法表明是行之有效的。本研究对深井、超深井及地热井的固井水泥浆设计具有一定的指导意义。     

加砂油井水泥石高温力学性能衰退机制研究进展

加砂油井水泥是常用高温固井材料,但在部分高温地层服役时存在短期内水泥石力学性能明显衰退及水泥环层间封隔失效问题,明确其高温力学性能失效机制将有助于合理使用加砂油井水泥。为此,笔者调研了国内外加砂油井水泥高温水化产物和石英砂（掺量、粒径）对加砂水泥石力学性能影响的相关文献,并对其进行了归纳分析。结果表明:加砂油井水泥石在110~210℃温度下服役,可长期保持较好的抗高温性能;在210~300℃静态水环境下,通过调整石英砂级配和掺量可延缓水泥石高温下力学性能的衰退;地层温度超过300℃且处于动态水环境时,由于SiO2大量溶出,加砂油井水泥石难以满足热采井固井质量要求。此外,基于对加砂水泥石硅溶出、水化产物脱钙现象及硬硅钙石晶粒形貌变化的分析,探讨了加砂油井水泥石高温力学性能失效作用机制,并提出了改善其高温力学性能的技术措施。      

一种油井水泥石高温稳定剂

针对普通加砂水泥石经受高温后抗压强度衰退的问题,研发出一种油井水泥石高温稳定剂,该稳定剂对水泥浆的稠化时间、水泥石常温强度发育、流变性无副作用,与油井水泥外加剂配伍性良好,形成的水泥石高温下（320℃、450℃）抗压强度不衰退,优于加砂水泥石及超细二氧化硅水泥石。同时加入高温稳定剂的水泥浆还具有很好的胶结强度,约是加砂水泥石环的4倍,超细二氧化硅水泥石环的3.5倍。该高温稳定剂在蒙古林油田现场应用2口井,整个施工过程顺利,固井质量较好,一二界面胶结质量良好,具有良好的应用前景。      

一种油井水泥石高温稳定剂

针对普通加砂水泥石经受高温后抗压强度衰退的问题,研发出一种油井水泥石高温稳定剂,该稳定剂对水泥浆的稠化时间、水泥石常温强度发育、流变性无副作用,与油井水泥外加剂配伍性良好,形成的水泥石高温下（320℃、450℃）抗压强度不衰退,优于加砂水泥石及超细二氧化硅水泥石。同时加入高温稳定剂的水泥浆还具有很好的胶结强度,约是加砂水泥石环的4倍,超细二氧化硅水泥石环的3.5倍。该高温稳定剂在蒙古林油田现场应用2口井,整个施工过程顺利,固井质量较好,一二界面胶结质量良好,具有良好的应用前景。     

单井固井科技发展应建立的十个新观念

随着世界各国深层勘探力度的加大和深井、超深井数目的不断增多,对固井工艺和固井材料技术提出了更高的要求。论述了发展单井固井科技应建立的十个新观念,即提高固井质量是保护油气层的关键;固井基本水泥、特种水泥的多样化以及油井水泥外加剂多品种化是解决疑难固井的两套协同、渗透的手段;防止水泥石高温强度衰退的添加剂;采用油基钻井液打的井,必须将其清洗掉;水泥石的疲劳问题;防窜的新理论及措施;准确的自动密度控制和高比混合能是配制高品质水泥浆的两个关键因素;水泥浆的沉降稳定性;关于抗压强度与水泥环的封隔性能;煤层气开发,应特别关注完井技术。     

不收缩微膨胀水泥浆研究

在油气井完井固井作业中,普通硅酸盐油井水泥水化凝结硬化过程中存在较高的自缩和失水,造成水泥环与地层套管之间胶结质量差,影响固井质量.为此,研究选择了一种新型晶体生长的膨胀材料,能在水泥不同水化阶段(塑性状态饱和凝固后期)保持稳定的体积膨胀,其适用性、配伍性和膨胀时间的协调性好,在高温高压(180℃、60 MPa)下仍保持较好的膨胀.考察了微膨胀水泥浆体工程性能和在不同温度、压力、时间条件下对水泥石的线膨胀率、抗压强度、胶结强度、渗透率的影响,结果表明,新型不收缩微膨胀水泥浆体系,在常压和高温高压下均能使水泥石产生体积膨胀,水泥浆工程性能良好,抗压强度、胶结强度高,同时可改善水泥石的力学性能及渗透性能,现场固井质量优良,两界面胶结良好.     

纳米硅乳液水泥浆体系在川东北元坝地区的应用

川东北元坝地区生产套管固井具有井深、温度高、气层压力高等特点,固井防气窜难度大。针对该地区的固井技术难点,设计研究了纳米硅乳液水泥浆体系。该水泥浆体系具有流动性好、API失水量小、零自由液、稠化过渡时间短、防窜效果好等特点,其形成的水泥石具有更低的渗透率,更高的抗压强度、抗冲击韧性、界面胶结强度和抗酸性气体腐蚀能力。研究结果表明,与常规水泥石相比,10%纳米硅乳液加量可以使水泥石抗折强度提高24.2%、抗压强度提高32.0%、弹性模量降低40.4%、渗透率降低81.8%、腐蚀后渗透率降低57.4%,并显著提高界面胶结强度和水泥环防气窜能力。此外,将纳米硅乳液与常规硅粉复配还可以提高水泥石的高温稳定性能。纳米硅乳液水泥浆体系在川东北元坝地区多口井成功应用,固井优良率100%,且井口不带压,较好地解决了元坝地区超深高温高压气井固井技术难题。     

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。      

深井高温条件下油井水泥强度变化规律研究

对深井高温条件下G级油井水泥石强度变化特点进行了实验研究,分析了温度、硅砂加量对G级油井水泥石强度的影响.实验表明:G级油井水泥石在高温条件下产生强度衰退,强度衰退的临界温度分别为110℃和150℃.在水泥中加入硅砂可以抑制水泥石的高温强度衰退,硅砂的合理加量为水泥量的0%～40%.由于高温下水泥中的水化产物会发生变化,因此温度对水泥石强度也产生影响.     

长庆油田洛河水层防腐固井水泥浆及配套工艺技术

长庆油田洛河水层固井水泥环腐蚀后引起水泥环渗透率升高,造成洛河水层固井套管腐蚀严重,套管腐蚀穿孔导致油井含水率上升,注水井水驱动用程度低,注采井网失调。为此,在常规固井水泥基础上,加入环氧树脂乳液非渗透剂及由阻锈材料和抑菌材料组合而成的缓蚀剂,减少固井水泥的腐蚀性和渗透率,降低套管腐蚀。固井水泥样品渗透率实验表明,在低密度水泥中加入10%非渗透剂和2%缓蚀剂,水泥石样品渗透率从0.075 mD降低到0.021 mD。在常规密度水泥中加入10%非渗透剂和2%缓蚀剂,水泥石样品渗透率从0.041 mD降低到0.0009 mD。水泥石抗腐蚀性能评价实验表明,在水泥中加入10%非渗透剂和2%缓蚀剂,水泥样品抗腐蚀性能提升6倍。同时水泥样品稠化时间和抗压强度与常规水泥相比保持不变。优选配套防腐工具工艺措施,并通过防腐水泥浆现场应用,总结出了一套防腐固井工艺技术,为长庆油田洛河水层防腐提供了有力的技术支撑。      

S形水泥浆强度发展曲线成因分析及消除方法

水泥石在高温时会出现强度衰退现象,添加硅粉可以防止高温下水泥石强度的衰退,但在研究和实际应用中发现添加硅粉后水泥石在高温下还会出现强度衰退现象,导致水泥浆高温下的超声波强度发展曲线呈现S形。为了防止水泥石发生高温强度衰退影响固井质量,消除S形强度发展曲线,利用X射线粉末衍射仪（XRD）分别对抗高温高密度水泥浆在强度发展过程中12,24,48和90 h等时间点处的水泥石进行物相分析,根据物相分析结果探究S形强度发展曲线的成因。结果表明:水化反应前24 h,硅粉未参与反应,且5.0%的微硅粉不足以阻止C-S-H凝胶向低强度α-C2SH转变,因而水泥石出现高温强度衰退现象;水化反应24 h后,硅粉开始参与水化反应,阻止水泥石发生强度衰退。研究表明,硅粉活性不足是导致水泥浆强度发展曲线呈现S形的原因,增大硅粉比表面积可以提高其活性,防止水泥石出现短暂高温衰退现象,消除S形水泥浆强度发展曲线。      

复合加砂抗高温防衰退水泥浆体系路

普通加砂G级水泥无法满足异常高温固井,水泥石高温强度衰退严重。针对高温深井固井问题,开展了在145~180℃下35%硅粉加量水泥石强度衰退机理研究,探索了170~200℃高温下硅粉粒度、加量及硅粉复配对水泥石强度发展的影响规律,优化出抗高温防衰退水泥浆体系。研究结果表明:①在温度大于160℃下,加量为35%硅粉的水泥石养护30 h时开始强度衰退,温度越高,衰退越早;②根据粗、细硅粉对水泥石强度发展的影响,得出0.18、0.09 mm硅粉及液硅比例为30:60:10,复合加量70%时,可以抑制200℃水泥石强度衰退;③优化出抗温为170~200℃、密度为2.08~2.41 g/cm3的复合加砂抗高温防衰退高密度防气窜水泥浆体系。通过以上研究,不但抑制了水泥石强度持续衰退,也改善了水泥石长期力学性能,对高温高压气井的良好封固提供技术支撑。      

高温多功能防气窜水泥浆体系在四川盆地海相超深井中的成功应用

针对四川盆地海相高温、高压、高含硫超深气井所面临的高温水泥浆沉降、气窜、水泥石强度衰退等主要固井技术难题,基于高温高压稠化仪模拟沉降稳定性评价方法、颗粒级配原理优选体系稳定材料,采用直接测定气窜和塑性态渗透率为辅助手段的防气窜评价方法优选防气窜材料,基于乌氏黏度计法的聚合物耐温能力评价方法来优选高温缓凝剂,采用正交法测试、热重法辅助分析180℃高温养护后水泥石抗压强度,优选高温稳定剂石英砂粒径和加量,研究出水泥浆和水泥石性能良好的胶乳弹韧性和低渗透防窜水泥浆体系。结果表明,①水泥浆体系在密度为1.90~2.30 g/cm3、温度为150~180℃范围内具有良好的工程性能和应用前景,为解决该类固井技术难题奠定了基础;②加砂可缓解水泥石强度衰退,高温下,加砂量与抗压强度呈正向关系,相同加砂量下,只加细砂强度表现更优,但长期强度增加幅度不如粗砂;建议150℃和180℃时,硅砂加量分别大于35%和45%;③基于乌氏黏度计法的聚合物耐温能力评价方法能有效评价降失水剂和缓凝剂的抗高温能力,是快速筛选高温井关键处理剂的重要辅助手段;④建议进一步开展H₂S介质等酸性气体对水泥石的腐蚀评价,有利于合理设计防气窜防腐水泥浆体系。      

松科2井超高温水泥浆固井技术

针对中国大陆科学钻探松科2井超高温固井难点,采用四元共聚型抗高温降失水剂和三元共聚复合膦酸盐类缓凝剂,提高了水泥浆的耐温稳定性,避免了"热稀释"现象带来的风险,通过调整这2种耐高温外加剂的加量,满足了超高温下控制水泥浆失水量和调整稠化时间的要求。同时,根据颗粒级配及紧密堆积原理,对硅砂的粒径和加量进行优化,使硅钙比接近于1,防止超高温下水泥石后期强度的衰退,另外,优选了由颗粒和纤维共同组成的弹韧性材料,提高水泥石的弹韧性。通过合理配比设计出了抗260℃超高温的水泥浆体系,浆体稳定性好,水泥浆上、下密度差不大于0.03g/cm3,稠化时间为200~420 min,失水量小于100 mL,48 h抗压强度大于20 MPa,后期强度不衰退,7 d抗压强度大于38 MPa。优化尾管悬挂固井工艺,严格控制水泥浆密度,确保不压漏地层,采用耐高温高效冲洗隔离液,提高顶替效率,保证施工安全和固井质量。该体系在井底静止温度为260℃,循环温度为210℃的松科2井四开尾管固井中应用,现场施工顺利,保证了固井质量。      

掺硅粉高水灰比水泥石高温强度衰退现象分析

实验发现,通过增加水固比为0.74获得的密度为1.65 g/cm3的低密度水泥浆（加有40%粗细搭配的硅粉）,在185℃、21 MPa养护48 h,抗压强度衰退率为20.3%,超声波强度衰退率高达50.6%。对该配方低密度水泥浆不同养护龄期的水泥石进行物相分析及微观形貌分析,认为其强度高温衰退的原因为:高水固比的水泥石机体内微孔隙本身较大,在高温养护过程中,随着水泥石机体内部物相的结晶化,微孔隙进一步增加,导致了强度衰退现象的发生,而且由于微孔隙对声波传输速度影响很大,这种衰退现象在声波强度上体现更加明显。通过外掺25%粒径为0.154 mm、密度为1.35 g/cm3的碳粉C-filler配制1.65 g/cm3低密度水泥浆,水固比降低为0.51,固相体积分数由32.0%升为46.0%,高温养护后水泥石密实、机体内微孔隙较少,强度衰退现象可得到改善。      

川深1井超高温高压尾管固井技术

针对川深1井四开井段超高温高压地层尾管固井长效密封的需求,通过增大硅粉加量和合理匹配硅粉粒径抑制水泥石强度衰退,优选高温苯丙胶乳、纳米液硅等改善水泥浆的防气窜能力、力学性能、稳定性等,设计了适用于超高温高压地层的高密度防气窜水泥浆。其性能为:密度2.05 kg/L,防气窜系数SPN值小于0.43,气窜模拟未见气窜现象发生;水泥石在180 ℃下养护14 d抗压强度达到了41 MPa,未见强度衰退现象;水泥石气测渗透率0.008 1 mD,单轴弹性模量为7.54 GPa。川深1井四开井段采用高密度防气窜水泥浆,并采取“替净”、“压稳”和“封严”等固井技术措施,有效封隔了高压气层,为后期作业提供了良好的井筒环境。这表明,超高温高压地层通过优选合适的水泥浆,并采取相应的技术措施,可以解决超高温高压地层的固井技术难点,提高固井质量。      

高温防窜水泥浆体系的研究及应用

高温高压油气井的窜槽问题一直是困扰各油田固井的一大难题,尤其是高温高压长封固段井的油气窜槽问题更难以解决.高温防窜水泥浆体系具有优异的防窜性能及稳定性,稠化时间易调,低温条件下强度能较好地发展,采用多凝水泥浆方案可更好地解决高温高压长封固段油气井的固井质量问题.     

SN井区抗高温液硅-胶乳防气窜水泥浆

SN井区井底静止温度高,气层非常活跃,压稳与防漏难度大,单纯胶乳防气窜水泥浆体系应用效果不理想。液硅乳液作为纳米级防气窜剂,活性SiO₂颗粒可参与水泥水化反应,具有增强水泥石强度、降低水泥石弹性模量和渗透率作用。在优化硅粉加量和粗细硅粉复配的基础上,研制出抗高温液硅-胶乳防气窜水泥浆,其具有API失水量小于50 mL、直角稠化、SPN值小于1、防气窜效果好、沉降稳定性好等特点;SEM和XRD分析显示,水泥石致密性好,水化产物中无Ca（OH）₂,而具有较多的雪钙硅石和硬钙硅石,高温下水泥石表现出良好的强度稳定性。液硅-胶乳防气窜水泥浆在SN井区进行了入井应用,实现了对高压气层的有效封固,取得了良好的效果。      

海上超高温高压探井弃井水泥塞技术

莺琼盆地超高温高压探井高密度弃井水泥塞面临着流动性与沉降稳定性矛盾突出,水泥石强度易衰退,封固段长,温差大,顶部强度发展缓慢,安全密度窗口窄,水泥浆漏失与气窜风险并存等难题。通过使用球形微锰矿加重水泥浆,改善高密度水泥浆流变性,同时提高其沉降稳定性,优选高温成膜防气窜剂,降低气窜风险,优化硅粉加量,提高水泥石高温抗压强度,强化隔离液防漏性能,配合挤入式固井注水泥塞工艺,形成了一套莺琼盆地超高温高压弃井水泥塞技术。该技术在莺琼盆地应用最高井底静止温度达213℃,水泥浆最高密度达2.50 g/cm3。现场应用表明,弃井水泥塞流动性及沉降稳定性好,高温强度发展快且不衰退,稠化时间稳定,具有良好的防窜及防漏能力,均成功封固住高压气层。      

高强微弹水泥浆在延长油田致密油水平井中的应用

为了提高延长油田致密油水平井的环空密封能力、保证多级缝网压裂开发效果,对水泥浆进行了功能化改性。结合该油田南部致密油储层特征、水平井井身结构和多级缝网压裂对固井水泥浆性能的要求,建立了套管–水泥环–地层受力模型,分析得到了水泥石杨氏模量与界面压力的关系图版,并据此设计了水泥浆;对丁苯胶粉进行了粒径优选、表面处理,并与甲酰胺及无机盐复配制得高强微弹剂,辅之以其他外加剂,形成了满足性能要求的高强微弹水泥浆。研究发现,水泥石杨氏模量越低、地层杨氏模量越高、压裂施工压力越低、井眼扩大率越小,则满足环空密封要求的水泥石抗压强度越小;与空白样相比,高强微弹水泥浆抗压强度提高51.8%、杨氏模量降低10.5%、抗折抗拉强度提高75.0%以上。该水泥浆在延长油田南部10余口致密油水平井进行了现场应用,水平段固井质量合格率达95%以上,分段压裂时未发生窜流。研究结果表明,高强微弹水泥浆可以提高延长油田致密油水平井压裂后的环空密封性,具有推广应用价值。