一种新型低放热水泥材料的室内性能研究

海洋深水钻探常常钻遇浅层水合物层,常规低温水泥浆放热量大,固井期间会引起水合物层不稳定,影响固井质量。通过对几种胶凝材料的筛选研究,开发了一种新型低放热水泥材料,从而建立了一套可适于深水浅层水合物层固井的低热水泥浆体系。该水泥浆体系在密度为1.40～1.60 g/cm3时,3 d的水化热均小于200 J/g,水泥石在10℃下养护24 h后的抗压强度大于3.5 MPa,降失水性能较常规低热水泥有较大提高,均小于50 mL,流变性测试φ₃₀₀均在300以下,同时新型低热水泥性能比普通低热水泥水化热更低,稠化时间可调,室内实验表明,新型低热水泥浆体系在低温环境下具有低水化热、高早强、低失水以及稠化性良好等特点,能够满足海洋深水水合物层固井作业的要求。      

国外新型水泥浆体系——UniSlurry通用型水泥浆

UniSlurry通用型水泥浆具有很宽的适用温度范围及密度范围，能应用于常规固井、尾管固井、打水泥塞以及挤水泥作业等，由斯伦贝谢公司开发。UniSlurry所用水泥外加剂主要包括Uniflace降失水剂（液体及固体）和Uniset缓凝剂（低温及高温）。Uniflace为一种通用型降失水剂，性能可靠，加量少，对温度及加量的敏感性低，对水泥品种适应性强，能进行干混或水溶，适应井底循环温度为10～260℃，水泥浆密度范围为1．20～2．88kg／L，水质为淡水或盐水。通过调整缓凝剂Uniset的加量，能满足不同井深及不同井温条件下的固井要求。UniSlurry通用型水泥浆适用性强，能极大地简化固井设计，降低施工风险。     

JSS低温抗盐水泥浆体系的研究及应用

为解决低温盐层固井问题,开发了一种新型的低温抗盐水泥浆体系。该体系以抗盐降失水剂JSS为主体,并添加有配套的分散剂及消泡剂。对常规密度抗盐水泥浆的失水、稠化、流变、强度等性能进行了室内评价。该体系在西气东输江苏金坛盐穴型储气库注采气井的固井施工中进行了应用。室内研究和现场试验证明:该低温抗盐水泥浆体系具有失水量低、流变性能好、稠化时间可调、抗压强度高等特点,综合性能能够满足低温盐层固井施工的技术要求。     

深水水合物层固井低水化热水泥浆体系研究及应用北大核心CSCD

深水表层水合物层固井常规水泥浆体系水化放热量大,导致水合物层吸热分解而影响固井质量,存在井喷风险。通过分析深水表层水合物层特点,基于水泥浆密度低、水化放热量低、低温强度发展满足封固地层与支撑套管需求及对作业时效影响小等要求,构建了深水水合物层固井低水化热水泥浆体系。性能评价结果表明,所构建的低水化热水泥浆体系具有低温条件下放热量低、抗压强度满足施工要求等优良特性,可避免水合物层发生分解。目前深水水合物层固井低水化热水泥浆体系已在南海某深水井固井作业中取得成功应用,未发生水合物分解引发的气窜问题,可满足深水天然气水合物层固井作业要求,具有较好的推广应用价值。     

韧性防气窜固井水泥浆体系研究

为开发具有较好韧性和防气窜性能的水泥浆用于气井固井,研究了用于水泥浆体系设计的增韧剂、防气窜剂等添加剂材料,构建了韧性防气窜水泥浆体系,并对水泥浆体系性能进行评价。实验结果表明,通过添加剂研究,构建的水泥浆体系配方为:100%G级油井水泥+44%淡水+2%微硅+2%降失水剂RL-30+0.5%分散剂ERA60+0.5%缓凝剂HN-3+2%防气窜剂AGC-1+3%增韧剂ETA-30。开发的韧性防气窜水泥浆体系在不同温度条件下流变性好,失水量低,稠化时间可调,浆体稳定,抗压强度满足固井施工的要求,各项施工性能较好。此外,开发的水泥浆体系的防气窜性能优异,韧性高,抵抗外部载荷破坏能力强。     

抗高温抗盐降失水剂DRF-100L的研制及性能评价

中国使用的降失水剂普遍存在抗高温、抗盐能力差的问题,因此采用水溶液自由基聚合法制备出了油井水泥抗高温、抗盐降失水剂DRF-100L.DRF-100L为多元共聚物,抗高温能力达到180℃;能将淡水及盐水水泥浆的API失水量控制在100 mL以内;对水泥水化影响较小,对水泥石的强度发展无不良影响;以DRF-100L为主剂的常规密度水泥浆及高密度水泥浆均具有良好的综合性能,能够满足深井、超深井、复杂地层固井的需要.     

深水水合物层固井低水化热水泥浆体系研究及应用

深水表层水合物层固井常规水泥浆体系水化放热量大,导致水合物层吸热分解而影响固井质量,存在井喷风险。通过分析深水表层水合物层特点,基于水泥浆密度低、水化放热量低、低温强度发展满足封固地层与支撑套管需求及对作业时效影响小等要求,构建了深水水合物层固井低水化热水泥浆体系。性能评价结果表明,所构建的低水化热水泥浆体系具有低温条件下放热量低、抗压强度满足施工要求等优良特性,可避免水合物层发生分解。目前深水水合物层固井低水化热水泥浆体系已在南海某深水井固井作业中取得成功应用,未发生水合物分解引发的气窜问题,可满足深水天然气水合物层固井作业要求,具有较好的推广应用价值。     

天然气水合物层固井低热水泥浆研究

海洋深水表层固井作业环境具有低温、低地层破裂压力以及存在天然气水合物等突出问题,开发低热水泥浆,形成一套能够在天然气水合物层的低温环境下高效封固表层的硅酸盐水泥浆体系,是保证海洋深水勘探开发有效开展的关键。通过筛选和研制放热平衡抑制剂,使其在低温下能够吸收水泥水化产生的热量,平衡抑制热量,控制温度上限,可有效地降低水泥水化热,从而确立了一套可适于天然气水合物层固井的低热水泥浆体系。该体系在低温环境下具有低水化热、高早强、低滤失以及良好稠化和防气窜等性能,能够满足海洋深水天然气水合物层固井作业要求。     

华北油田复杂井固井技术

针对华北油田二连阿南，哈南高压注水采油区块和冀中潜山深井区块固井难度大和固井质量差等问题。华北石油管理局钻井工艺研究院在二连地区采用早强，膨胀和低失水水泥浆，并配合使用套管外封隔器，两凝固井工艺技术。解决了低温高压注水调整井固井作业中存在的问题，提高了固井质量；在冀中地区采用低密度，高强度，零析水，成膜型降失水水泥浆，配合采用双压双凝固井工艺技术，有效防止了井漏，油水互窜等井水复杂事故，提高了固井质量。早强，膨胀和低失水水泥浆低温早强，失水量小于200mL，在凝结过程中能产生有效膨胀，初凝和终凝时间较短，能有效防止气窜及油水互窜，成膜型降失水水泥浆失水量小于100mL，密度和稠化时间易调；有机塑性高分子胶粒在水泥凝结过程中由于被压缩而微膨胀，能有效补偿水泥石孔隙压力，达到防窜，改善水泥石韧性和变形能力的目的。     

硅烷偶联剂包覆油井水泥的性能与应用

为提高固井水泥环的耐久性,使用硅烷偶联剂KH-560对油井水泥颗粒表面进行包覆处理后以10%的加量加入固井水泥浆中配制成新型的自修复固井水泥浆体系。通过润湿性和水化放热试验研究了硅烷偶联剂包覆油井水泥的表面特性;通过SEM扫描电镜分析和固井水泥环微间隙与微裂缝自修复模拟试验研究了加入硅烷偶联剂包覆油井水泥的固井水泥浆体系固化体的微观结构和自修复性能。研究结果表明:硅烷偶联剂包覆处理后的油井水泥颗粒表面形成了憎水保护膜,降低了水化反应活性;将硅烷偶联剂包覆油井水泥以10%加量加入固井水泥浆后,明显增加了固井水泥环中的未水化产物数量,能够发生多次水化反应,为固井水泥环自修复性能的建立提供了有利条件;加入硅烷偶联剂包覆油井水泥的固井水泥浆固化体损伤试样(模拟微间隙与微裂缝)经过养护后抗窜强度恢复值高于50%,自修复能力优于普通的固井水泥浆,固井水泥环的耐久性和完整性增强,提高了复杂条件下的油气井和储气库的固井质量。     

大庆油田低密度低温防窜水泥浆体系

针对大庆油田低温浅层气井长封段固井中,低密度水泥浆终凝时间长,胶凝强度发展缓慢,失水大,防窜性能差,易产生环空气窜及管外冒气等现象,影响了固井质量。研究了低密度低温防窜水泥浆体系,采用复合型早强剂、聚丙烯酸酯聚合物胶乳降失水剂、可分散聚合物胶粉防窜剂,改善低密度水泥浆综合性能,在低温条件下,凝结时间缩短了50%,早期强度提高了46%,渗透率降低了50%,界面胶结强度提高了47%。现场应用18口井,固井优质率提高了11.1%,管外冒发生率降低了1.6%,低密度低温防窜水泥浆体系能够满足固井施工作业要求,提高了低温浅层长封井固井质量。      

一种新型超深水低温早强剂

近年来,中海油在中国南海已经开发了多口超深水井,水深最深超过2000 m,极端的低温环境对水泥石的强度发展提出了严峻的挑战。针对超深水的固井技术难题,开发出了新型超深水低温早强剂ACC与NS,并对其低温下的增强性能展开了研究。结果表明,ACC与NS的最佳加量分别为8%和3%;在3～15℃的低温下,ACC与NS能提高水泥石的24 h和48 h抗压强度;在15℃下,采用水化热分析仪和超声波强度分析仪对水泥浆进行24 h不间断监测,与空白样和原有早强剂相比,ACC和NS能够使水泥水化放热量和水化反应速率明显增加,水泥石强度发展速率得到明显地提升,同时静胶凝强度过渡时间明显缩短。该新型早强剂ACC与NS已经在中国南海WN-XX井进行了现场应用,效果良好。      

新型相变材料对低热水泥浆性能的影响

深水低温天然气水合物地层固井,需要水泥浆体系在水化过程中少发热,尽量降低水合物地层温度上升的程度。因此,针对深水天然气水合物地层固井,研究了一种用于低热水泥浆体系设计的新型相变材料,并研究了相变材料的热存储性能及其对水泥浆体系性能的影响。实验结果表明,新型相变材料相变峰值温度为15.5℃,相变温度在井下低温与常温之间,且相变潜热较大。当相变材料在77.8℃以下时,具有良好的热稳定性,且在0℃～60℃之间经历多次升降温后,相变材料化学结构没有发生变化。随着相变材料加量的增加,水泥浆的流变数据呈现增大的趋势,但加量达到8%时流变性依然满足固井施工要求。此外,新型相变材料可以改善水泥浆体系的稳定性。相变材料对低热水泥浆体系的抗压强度影响不大,加入8%相变材料的水泥石抗压强度也达到8.9 MPa,抗压强度最大下降幅度小于5%。当加入2%、4%、6%、8%相变材料后,水泥浆体系稠化时间比无相变材料水泥浆体系最大缩短约15 min,水泥浆体系72 h水化热较空白水泥浆体系分别下降5.2%、29.1%、35.6%、47.6%。研究结果为天然气水合物层低热水泥浆体系的设计提供了支持与参考。      

AMPS水泥浆体系低温促凝剂的研究

为了研究一种对AMPS水泥浆体系有效的低温促凝剂,对不同组分促凝材料促凝效果进行了研究。采用正交实验,优选出了一种可以在AMPS水泥浆体系中起到良好促凝效果的促凝剂BCA-210S。结果表明,该促凝剂能促进AMPS油井水泥低温水化能力,缩短其在低温下的稠化时间,能将稠化时间控制在60 min左右;使静胶凝强度过渡时间降低到10min;在30℃、8 h条件下抗压强度可达到5.3 MPa。结论认为,该促凝剂能显著提高水泥石早期抗压强度,表现出优异的低温早强、防窜性能,有助于解决低温井、调整井固井面临的问题,是一种新型多功能促凝剂。      

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。      

一种低温早强低密度水泥浆

低温下,常规低密度水泥浆体系早期强度发展缓慢,水泥石胶结能力差,影响了水泥环封固质量,浅层易漏井固井质量问题日益突出,为此,进行低温早强低密度水泥浆体系研究。根据紧密堆积理论及综合室内实验研究,研制了密度为1.30~1.50 g/cm3的低温早强低密度水泥浆体系,主要优选了超细胶凝材料和锂盐复合早强剂,增加了低密度水泥石的致密性,提高了低密度水泥石的早期强度,25℃凝结时间为13 h,24 h抗压强度为10.2 MPa。该体系具有低温早期强度高,凝结时间短,稳定性好等优点。在大庆油田现场成功应用2口井,固井质量合格率100%,取得良好的应用效果。      

大温差低密度水泥浆体系在NP36-3804井的应用

NP36-3804井是新堡古2平台的一口开发井,钻井液密度为1.35 g/cm3,完钻井深为4 714 m,要求水泥浆一次性封固至地面,对水泥浆的稳定性和温度敏感性提出了更高的要求。通过实验,优选BXE-600S作减轻剂,其是一种根据颗粒级配理论配制的具有水化活性的水泥外掺料;用BCJ-310S作悬浮剂,其由无机材料与有机材料复合得到,其对混灰影响小;用AMPS多元共聚物BCG-200L防气窜剂,优选了耐高温、温度加量敏感性小、性能稳定的大温差缓凝剂BCR-260L,开发并使用了1.35和1.50 g/cm3的高强度低密度水泥浆体系。实践表明,该水泥浆体系流变性好,无游离液,密度差控制在0.03 g/cm3,API失水量在50 m L以内,稠化时间均满足施工要求,具有低温早强和水泥石抗压强度高等性能,能够满足封固生产套管的抗压强度要求。     

一种固井用腐植酸-AMPS/DMAM/FA接枝共聚物降失水剂

采用自由基聚合法将AMPS、N,N-二甲基丙烯酰胺（DMAM）、反丁烯二酸（FA）进行接枝共聚,在AMPS∶DMAM∶FA为1∶0.38∶0.08,单体总量与腐值酸钠的质量比为1∶0.2、引发温度为60℃,单体溶液的pH为7的条件下,合成了一种抗高温油井水泥降失水剂G85L,为黑色黏稠液体,固含量为20%。通过单体残留分析与红外表征证明了合成产物为接枝共聚物,并通过热重分析证明该产品抗温达265℃。参考API RP 10B-2 2013进行实验,评价了该产品在水泥浆中的各项性能,结果表明,该产品不仅在中低温有较好的控制失水能力,当加量为4%时可以将API失水量降至40 mL,而且在高温条件下也具有较强的控制失水能力,200℃下失水量可以控制在50 mL以内,并且对水泥浆的稠化时间、抗压强度无副作用,与多种水泥浆体系配伍性好,是一种普适性优良的抗高温产品。      

低成本超低密度水泥浆体系研究与应用

针对低压易漏失、长封固段地层的固井难题,同时适应当前油气勘探低成本战略,开发出一种复合增强材料BCE-650S。该材料具有稳定性好、高活性、高蓄水等特点,且来源广泛、价格低廉。对其辅以适当外加剂,形成了密度在1.20～1.30 g/cm3的超低密度水泥浆体系。该体系在扩大水灰比、降低密度的同时,还具有优良的性能,使低密度水泥浆的成本大幅降低,水泥浆在60℃养护24 h后的抗压强度大于8 MPa,72 h抗压强度在10 MPa以上;浆体稳定性、耐压性能良好;失水量可控,稠化时间可调,满足施工要求。该体系已经应用于吉林油田,现场固井效果良好,具有推广应用前景。