热解油基钻屑资源化利用(Ⅱ):掺渣水泥浆体系性能

针对油基钻屑热解吸处理后产生的残渣,尝试将其替代部分油井水泥（YJ）用于制备固井用水泥浆。首先研究了热解油基钻屑（PODC）掺量和水固比对油井水泥浆体性能的影响,同时利用等温量热仪（ICC）、X射线衍射分析仪（XRD）、压汞仪（MIP）和扫描电镜（SEM）分别测试了掺PODC水泥浆体早期水化放热量、水泥石水化产物、孔结构及微观形貌,并以降失水剂CHL、硅灰和晶体膨胀剂KW-4优化了掺PODC水泥浆体的工程性能。结果表明,随着PODC掺量增加,浆体流动度增大,密度减小,凝结时间延长,水泥石抗压强度有所下降;形成了技术套管用掺渣水泥浆体系PODC-6 :40% YJ+60% PODC+3% CHL+4%硅灰+2% KW-4,油层套管（非产层段）用掺渣水泥浆体系PODC-3 :70% YJ+30% PODC+3% CHL+3%硅灰+2% KW-4,水固比均为0.40,掺渣水泥浆体系各项工程性能均满足固井施工基本技术要求。微观分析表明,掺PODC水泥浆体的水化放热量降低,其水化产物主要为C—S—H凝胶和CH,较净浆水泥石水化产物明显减少,密实度有所降低。该研究可为热解油基钻屑资源化利用提供一种新途径,具有潜在的环保效益和经济效益。      

油基水泥早期水化机理研究

油基水泥是一种优良的选择性堵水材料。使用量热仪研究了普通细度水泥和细磨水泥配制的油基水泥早期水化过程的差异,发现油基水泥浆(油基原浆 水)的水化放热速率小于常规水基水泥浆,油基水泥浆的水化热随水浆比的增加而增大;提高水泥细度使其水化速度加快,但水化反应热降低。油基水泥浆的水化过程中存在明显的水化诱导期,且水浆比越大,诱导期越长。力学性能测试表明,硬化油基水泥石的抗压强度随水浆比的变化而有很大的差别,水浆比适中时(0.20~0.30)抗压强度最高;水泥细度提高则早期抗压强度增加。烧失量法测定结果表明,硬化油基水泥石水化程度主要与水浆比有关,温度和水泥细度也有一定的影响;7d龄期硬化油基水泥石水化程度较低(33%~64%),后期抗压强度仍有较大增长潜力。图4表5参6。     

油溶性水泥材料优选试验研究

介绍了一种对油水选择性渗透能力强的新型水泥浆体系,即油溶性水泥浆体系.该水泥浆体系由增孔剂、连通剂和相渗剂3种基本试剂组成.在理论分析的基础上,通过大量的室内试验从天然的油溶性有机物申优选出能大幅度提高水泥石孔隙的增孔剂--ZKJ一1.为了使水泥石孔隙之间相互连通以及进一步提高水泥石对油水的选择性渗透能力,优选出YRJ作为连通剂和相渗剂.3种外加剂配合使用不但可以使水泥石具有良好的油相渗透率,而且还能使水泥石具有较高的强度.     

耐碱玻璃纤维对掺矿渣油井水泥石力学性能的影响

为了改善普通油井水泥物理力学性能的均衡性，提高普通油井水泥浆抗拉伸破坏的能力，实验研究了耐碱玻璃纤维对水泥石抗折强度、抗冲击韧性和抗压强度的影响，并通过孔隙结构和扫描电镜分析研究了耐碱玻璃纤维对水泥石微观结构的影响。结果表明，耐碱玻璃纤维在掺矿渣油井水泥浆中粘接性良好，分布均匀，对水泥石抗折强度、抗冲击韧性有显著提高；在矿渣油井水泥浆中加入0．5％的耐碱玻璃纤维，可以使水泥石的抗折强度提高20％左右，使抗冲击功增加10％左右；从孔隙结构得知，在50℃条件下增加耐碱玻璃纤维的加量可以改善水泥石的微观结构，增加凝胶孔和毛细孔比例降低，大孔比例减少，抗压强度相应增加，水泥浆性能良好，能满足现场施工的需要。     

固井水泥石抗腐蚀性能的研究

许多油田在开发过程中,都遇到了地层中含有的诸如CO2和H2S等腐蚀性介质影响油井水泥环密封效果的问题,加强抗腐蚀水泥外加剂和水泥浆体系的研究变得至关重要.从水泥石腐蚀机理的研究出发,通过试验优选出了抗腐蚀性水泥填充料WG.WG的主要成分为非晶态SiO2,具有粒细(平均粒径约为0.1 μm)、比表面积大、活性高等特点.另外,选用不渗透剂G60S和硅粉,可以提高水泥石密实度,降低水泥石渗透率,从而提高水泥石的抗腐蚀性.通过对9种配方水泥浆固化体进行不同龄期的CO2、H2S腐蚀,测定水泥石腐蚀后的抗压强度、渗透率和腐蚀深度,进行反光显微镜、X-射线衍射分析,比较了填充料WG水泥浆、现场水泥浆、纯水泥浆固化体的抗腐蚀性,优选出了抗腐蚀高密度和低密度水泥浆配方.该抗腐蚀水泥浆体系不但具有抗腐蚀性,还具有良好的防气窜、降低自由水、稳定浆体等综合性能,可以满足不同井深条件下的固井作业需要.     

固井用高镁废渣微膨胀水泥浆体系

高镁废渣是一种与矿渣性质完全不同的特种固体废弃物。利用等温量热（ICT）和XRD 分析了高镁废渣掺量为40% 的油井水泥浆体及其硬化体组成,在80 ℃水浴养护条件下的早期强度不高,但后期强度超过净浆。针对其低早强的特点,研究了不同掺量早强剂对掺渣水泥浆体抗压强度的影响,确定早强剂最佳掺量为3%、降失水剂最佳掺量为1.5%,最终形成高镁废渣微膨胀水泥浆体系。80 ℃下该水泥浆体系膨胀性能、抗压强度和孔径结构的测试结果表明:其1 d、28 d 和90 d 的线膨胀率分别为0.006 2%、0.045%、0.061% ;1 d 抗压强度为18.2 MPa,后期强度超过净浆;掺渣水泥石和净浆水泥石90 d 孔隙率分别为22.99% 和25.47%,且前者中有害孔数量小于后者,与抗压强度测试结果相吻合;同时高镁废渣微膨胀水泥浆体系的综合性能满足固井施工要求。      

改性乙烯醋酸乙烯酯共聚物对水泥浆性能的影响

针对水泥环脆性较高,在固井后的施工作业中其完整性易遭受破坏的问题,将用太古油改性的EVA(乙烯醋酸乙烯酯共聚物)作为增韧材料加入油井水泥中,研究了其对油井水泥浆体系常规性能和力学性能的影响,分析了其对水泥石力学特性的影响机理。结果表明,改性EVA与水泥浆的相容性较好,其对浆体的流动性、失水量影响较小,水泥浆稠化时间随改性EVA掺量增加而延长;改性EVA对水泥石抗压强度影响较小,但能提高水泥石的抗折强度和韧性,当改性EVA加量为3%时,水泥石75℃养护3 d的抗折强度提高4.4%,压折比减小28.0%,掺量为4%时,水泥石弹性模量降低39.5%。改性EVA水解产物和水泥水化产物相结合,生成的晶体和脱水聚合物使水泥石内部结构更加致密,减小或消除了水泥石内应力集中,阻止了裂缝扩展,改善了水泥石的力学特性。     

一种适合油气井防砂堵水的渗透性水泥的研究

渗透性水泥主要用于油气井的防砂和堵水作业.采用渗透性水泥进行防砂、堵水施工后,渗透性水泥石将受到地层水的腐蚀和油流的冲刷,这将对水泥石的渗透率和抗压强度造成极大影响,使渗透性水泥的防砂、堵水有效期缩短.以微细水泥、石英砂为基本材料,增渗剂A、分散剂SXY和降失水荆HS-2A等为外加剂,配制出了一种适合油气井防砂、堵水的渗透性水泥浆.该渗透性水泥最关键的组分是钝化铝粉和多种高分子的复配物--增渗剂A.增渗刺A能改善水泥石内部的孔隙结构,使水泥石包含大量连通性孔隙,从而提高了水泥石的渗透率.室内模拟试验结果表明,该渗透性水泥的性能良好,能满足注水泥施工要求,能够耐碱、油、盐水的侵蚀,水泥石能抵抗5 MPa压差内的油流冲刷.     

油基细水泥水化机理研究

采用热重分析（TG）、差热分析（DSC）、X衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）和压汞（MIP）等方法研究了选择性堵水材料--油基水泥的水化机理，并借助烧失法测定水泥石化学结合水含量，使用甘油法测量Ca(OH)₂含量并分析了油基水泥水化程度。结果表明：油基水泥的初期水化速度快，Ca(OH)₂迅速生成，并形成CSH等大量水化产物，硬化油基水泥石抗压强度主要受水灰比的影响，在水灰比为0.26处达到最高抗压强度，并在较宽的水灰比范围内良好固化，是一种优良的选择性堵水材料。相比水基水泥石，硬化油基水泥石体系孔隙度更大，这是硬化油基水泥抗压强度不高的主要原因。     

新型膨胀剂在胶乳水泥浆体系中的应用

油井水泥固有的收缩特性是造成水泥环-地层、水泥环-套管间胶结质量不理想而诱发气窜的原因之一。在分析油井水泥膨胀剂作用机理的基础上,通过试验研制出了新型膨胀剂PZ-3S,该膨胀剂能有效降低水泥浆的凝结收缩率和提高水泥石的界面胶结强度,改善固井水泥环与套管和地层胶结界面的胶结质量,防止界面窜流,且有助于水泥石抗压强度的提高。同时,验证了该膨胀剂与胶乳水泥浆体系具有良好的相容性,对胶乳水泥浆体系的综合性能(如失水、稠化时间、自由水、流变性等)无不良影响。现场应用表明,膨胀剂PZ-3S加入胶乳水泥浆体系后能有效提高水泥石的抗压强度和胶结强度,能减少微环隙产生的可能性和提高胶孔水泥浆体系的防窜性能。     

高温高压下石英砂粒径对油井水泥石性能的影响

在油井水泥中掺入石英砂是防止水泥石在高温高压下强度衰退的常用手段,通过在G级油井水泥中内掺35%不同粒径的石英砂,并在高温高压（240 ℃×21 MPa）下养护至180 d,来探究石英砂粒径对油井水泥石高温力学性能的影响。实验测试了加入不同粒径石英砂的水泥石的抗压强度和渗透率,分析了水泥石的水化产物和孔隙结构。结果表明,石英砂能够防止水泥石在高温下强度衰退,但是水泥石的抗压强度随石英砂粒径的减小而降低;掺入石英砂可降低水泥石的渗透率,石英砂的粒径越小,水泥石的渗透率越低。掺入较大粒径石英砂的水泥石中,生成的针状硬硅钙石较长,是水泥石具有较高抗压强度的主要原因。以300目35%加砂水泥为基础,复配其他外加剂形成高温高压水泥浆配方,在南海DX-11-2井应用,现场固井施工顺利,24 h时CBL和VDL测井显示固井质量优良。      

复合膨胀剂对掺矿渣油井水泥性能的影响

针对普通油井水泥固井存在水泥浆高失水和水泥凝固过程中的体积收缩等问题，研究了G级油井水泥-矿渣-复合膨胀剂三元复合胶凝材料的膨胀与强度的协调性。通过汞压入法（MIP）和扫描电镜（SEM）等现代测试方法对矿渣油井水泥的水化硬化特性和机理进行了研究。试验结果表明，矿渣对改善G级油井水泥膨胀性能和力学性能有利；掺入煅烧MgO，在80 ℃水浴养护下，可得到比较理想的自生体积膨胀变形率，用限制膨胀来补偿水泥的限制收缩；掺钙镁复合膨胀剂，能改善矿渣油井水泥的微观结构，使得结构致密，抗压强度相应增加，可制备高性能膨胀油井水泥。     

矿物纤维低密度水泥石力学性能研究

目前低密度水泥石多存在韧性不足、抗拉强度、抗折强度低等问题,给低密度水泥浆在深井、超深井井筒完整性带来忧患,因此改善低密度水泥石力学性能具有重要的意义。通过考察抗压强度、抗拉强度、抗折强度、弹性模量,对新型材料玄武岩纤维和目前现场常用的聚丙烯纤维改善水泥石力学性能的效果进行了对比。结果显示:在较低加量范围内玄武岩纤维对水泥浆流动性影响不大,可以和聚丙烯纤维一样显著降低水泥浆API失水和自由水含量,提高水泥石的抗压和抗折强度,显著提高水泥石的抗拉强度,在掺量为0.5%时可使水泥石抗拉强度提高50%;同时可以降低水泥石弹性模量,提高水泥石的韧性。玄武岩具有较好的经济适用性,在油气井固井中有较大的开发应用潜力。     

一种固井合成水泥石的研制与室内评价

对一种基于环氧树脂的合成水泥石技术进行了研究,通过研制不同密度的浆体,考察了浆体在不同温度下的可泵性、力学性能、抗污染性能、胶结强度以及清洗问题。研究结果表明,采用减轻剂(如玻璃微珠)或加重剂(如炭黑、micro Max),并配套防沉降剂,可得到密度范围为0.8~1.80 g/cm3的合成水泥石;采用不同活性芳香胺类固化剂、固化促进剂及其组合,可实现合成水泥浆在45~125℃范围内的泵送要求;合成水泥石力学性能远好于基于橡胶粉改性的弹韧性水泥石;合成水泥浆抗油基钻井液污染可达30%。另外,合成水泥浆还能明显提高油井水泥的胶结强度;使用20%的乙醇水溶液,可较容易地清洗残留在器皿上的合成水泥浆。该合成水泥石是一种非常理想的油井封隔材料。     

用于油基钻井液堵漏的氯氧镁水泥浆体系

氯氧镁水泥具有优良的机械和热性能,常作为工业地板、防火、砂轮和墙体保温材料。针对常规水泥浆存在的抗侵污能力和酸溶性差,无法处理油基钻井液恶性漏失问题。利用氯氧镁水泥硬化体系的多元结晶相,采用DISP-S作为分散剂,DOT和Atmp复配作为缓凝剂,对氯氧镁水泥体系进行了优化,设计了一种可应用于油基钻井液大型漏失的堵漏水泥浆体系。实验结果表明,该堵漏水泥浆的密度为1.76 g/cm3,沉降稳定性良好,自由水含量几乎为0,失水量小于40 mL,在60℃下的稠化时间可达230 min,在中低温范围内水泥石的抗压强度均在30 MPa以上,侵入油基钻井液的水泥石仍然具备一定的力学性能,并且能在浓盐酸中完全溶解。     

-18℃下冻土区负温水泥浆水化微观过程研究

极地冷海地区具有重要的油气勘探开发价值,但常规固井水泥浆液相水分在该地区负温环境下会分凝结冰,水化反应无法进行,导致固井工作难以开展。为此,针对极地冷海冻土区负温环境下固井水泥浆不凝固难题开发了一种负温水泥浆体系,并对比研究了其在-18℃和室温环境下水化反应微观产物的区别。实验结果表明:该体系具有优良的负温固化性能,在-18℃下0.5~3 h内固化,24 h抗压强度达3.5~9 MPa,可有效解决负温条件下常规水泥浆不固化无强度难题;微观成分测试发现,-18℃下冻土区负温水泥浆的水化程度较室温下低,但水化产物中Aft含量较室温下高,这对水泥石的机械性能起到了积极作用。      

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。      

用于油基钻井液堵漏的氯氧镁水泥浆体系

氯氧镁水泥具有优良的机械和热性能,常作为工业地板、防火、砂轮和墙体保温材料。针对常规水泥浆存在的抗侵污能力和酸溶性差,无法处理油基钻井液恶性漏失问题。利用氯氧镁水泥硬化体系的多元结晶相,采用DISP-S作为分散剂,DOT和Atmp复配作为缓凝剂,对氯氧镁水泥体系进行了优化,设计了一种可应用于油基钻井液大型漏失的堵漏水泥浆体系。实验结果表明,该堵漏水泥浆的密度为1.76 g/cm3,沉降稳定性良好,自由水含量几乎为0,失水量小于40 mL,在60℃下的稠化时间可达230 min,在中低温范围内水泥石的抗压强度均在30 MPa以上,侵入油基钻井液的水泥石仍然具备一定的力学性能,并且能在浓盐酸中完全溶解。      

新型油井水泥触变剂的研究与应用

常规油井水泥触变剂常存在触变性不够强、影响施工安全、综合性能欠佳等问题。为此,通过将合成聚合物和超细无机材料以2∶3的比例复配,开发出一种新型油井水泥触变剂BCJ-200S,研究了其应用性能。结果表明,该触变剂可显著提高水泥浆触变性,且温度影响小,90℃加入1.5% BCJ-200S后水泥静浆静置10 min的胶凝强度从2.3 Pa增加到61.0 Pa,静置前后的φ₃₀₀读数分别为206和210,再静置10 min胶凝强度为61.3 Pa,其触变结构可逆性良好,对水泥浆稠化、失水、强度等性能没有产生不良影响;其还可改善水泥石的力学性能,增强水泥石抗破坏能力;另外,配伍性研究结果表明,该触变剂具有良好的现场适应性。其在大港油田官38-22油井进行了首次应用,该井采用12 m3触变水泥浆封堵Ng2出水井段,一次封堵成功,最高挤注压力达16 MPa,钻塞后对封堵层试压8 MPa合格,解决了该井出水难题。