锂盐早强剂改善油井水泥的低温性能及其作用机理

为缩短深水低温固井候凝时间,开展了锂盐早强剂对油井水泥低温水化能力和性能影响的研究。结果表明,锂盐早强剂通过加快水化保护膜破裂使水化诱导期缩短的方式提高油井水泥中C₃S、C₂S 低温水化能力,从而明显缩短油井水泥的低温稠化时间,提高低温抗压强度,并且对水泥浆初始稠度无影响,表现出优异的低温早强功效。锂盐早强剂对油井水泥的水化产物类型无影响,水化产物主要为硅酸钙凝胶、Ca(OH)₂晶体和少量钙钒石AFt晶体,与单纯油井水泥水化产物一致,但水化产物的微观结构较常规水泥石致密。     

高酸性气体对硫铝酸盐水泥石腐蚀作用机理

为了研究硫铝酸盐水泥石在含有H₂S的高酸性环境的性能变化及腐蚀机理,采用氮吸附比表面积及孔径分析测试仪(BET和BJH方法)测试了腐蚀前后水泥石比表面积和孔隙结构变化,利用X射线衍射仪(XRD)和热分析仪(TG/DTG)分析了腐蚀前后水泥石水化产物的变化,采用扫描电子显微镜(SEM)观察对比了腐蚀前后水泥石水化产物微观形貌的变化。结果表明：SAC在60℃时强度发展较好,60℃腐蚀14 d后水泥石主要产物为AFt,90℃腐蚀14 d后主要生成物是CaSO₄·2 H₂O;水泥石被H₂S腐蚀后会产生明显的分层现象,外层最先被腐蚀,内层会由于膨胀作用出现短期内的强度提高;H₂S的腐蚀机理为水泥水化产物中的C-S-H和CH分别与H₂S发生反应,生成具有膨胀性的AFt和CaSO₄·2 H₂O,进而使水泥石产生裂纹,导致抗压强度下降。研究结果为硫铝酸盐水泥在高含硫油气井的固井应用提供了一定的实验及理论基础。     

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。      

耐CO2腐蚀磷铝酸盐固井水泥浆的研制

针对目前固井水泥石耐CO₂ 腐蚀不足的问题,根据不同特种胶凝材料水化产物耐 CO2 腐蚀性能的差异,优选出耐 CO₂ 腐蚀好的特种胶凝材料——磷铝酸盐水泥。为了进一步改善磷铝酸盐水泥石的耐腐蚀性能,基于酸基热液反应原理,在磷铝酸盐水泥中引入磷酸盐 SHP,优化其水化产物组成和改善水泥石的耐 CO₂ 腐蚀性能。同时选用复合缓凝剂 CSB 和聚合物降失水剂 AADI 来调节耐 CO₂ 腐蚀复合固井材料的性能。结果表明,复合材料的稠化性能和失水性能可调,且性能对添加剂加量的敏感程度能够满足工程要求,具有“直角稠化”的特点,失水量能控制在 50 mL以内,静胶凝强度“过渡时间”短,具有优良的耐 CO₂ 腐蚀性能。      

干热岩工况下水泥高温劣化性能的调控措施

干热岩地热井固井中,井底温度常常高达200℃以上。针对干热岩工况下井底高温导致的水泥石强度衰退的问题,从水泥的化学组分入手,通过调控C₃S和C₂S的比例,并在硅粉的协同作用下复配具有更低钙硅比的低热硅酸盐水泥来改善这一问题。首先对复相C₃S-C₂S矿物体系的比例调控可知,当C₃S∶C₂S=1.0时其力学性能最好,结合XRD、TGA、SEM测试可知,钙硅比的降低对有利相硬硅钙石的生成有积极作用。引入具有更低钙硅比的低热水泥增强G级水泥,结果表明：“30%G级水泥+70%低热水泥”复配水泥体系(C₃S与C₂S的比例为1.07)在40%硅粉的作用下,其抗压强度达27.34 MPa。在实际生产中适当调整水泥中的矿物组分,使C₃S与C₂S的比例为1.0左右,可从水泥本身大幅度提高水泥石耐高温性能。     

页岩油原位转化工况下微硅复合六偏磷酸钠改性铝酸盐水泥石性能评价

低成熟度页岩油原位转化工况下极端高温会导致固井水泥石强度发生衰退。因此，研究了微硅复合六偏磷酸钠改性铝酸盐水泥在650℃处理前后的宏观性能及微观结构。结果表明，50℃下六偏磷酸钠能显著降低铝酸盐水泥石的渗透率，但对抗压强度提升不明显，微硅复合六偏磷酸钠改性铝酸盐水泥石的渗透率明显降低，同时抗压强度提升明显。650℃处理后，5.0%六偏磷酸钠改性铝酸盐水泥石的抗压强度最高，为47.19 MPa，而微硅复合六偏磷酸钠改性铝酸盐水泥石的抗压强度呈现降低趋势。铝酸盐水泥石在650℃处理前后水化产物发生明显转化，主要是C₃AH₆和AH₃转化为C₁₂A₇和CA，其中，C₃AH₆和AH₃主要在180～400℃期间发生热分解，同时水泥石由于晶型的转化导致孔隙增大。微硅促使铝酸盐水泥石在50℃环境下生成的C₂ASH₈，有助于改善水泥石的微观结构，但是，650℃处理后由于C₂     

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。      

稳定性对水泥浆过渡时间的影响研究

为了探索稳定性对水泥浆过渡时间的影响规律,采用静胶凝强度/超声波抗压强度分析仪、高温高压油井水泥浆凝结仪和高温高压稠化仪研究了水泥浆在相同条件下的静、动态凝结特性。研究表明,浆体稳定性越好,水泥水化速度越快,初凝和终凝时间、初终凝过渡时间、静胶凝强度过渡时间越短,水泥浆凝固后体积收缩率越小;水泥浆的高温高压稠化过渡时间短并不代表静胶凝强度过渡时间短,动态条件下的稠化过渡时间与静态条件下的静胶凝强度过渡时间并不等价。     

纳米级水化硅酸钙晶种作为油井水泥促凝剂的研究

纳米材料对水泥水化有促凝作用，近几年研究的重点为纳米级二氧化硅，但高的比表面积使其对水泥浆体增稠明显。水化硅酸钙晶种是采用人工合成的纳米级水化硅酸钙，其成核作用可以加速水泥的水化反应，因此，以四水硝酸钙和五水偏硅酸钠为原料，通过沉淀反应制备水化硅酸钙晶种，并开展了晶种作为油井水泥促凝剂的研究。结果表明，在10℃下，采用Tam air微量热仪对水泥水化热和水化速率进行了96 h不间断测试，随着晶种添加量的增加，水泥水化的诱导期呈现明显缩短趋势，放热量呈现增加趋势；用超声波强度分析仪实时跟踪水泥石强度的发展过程表明，加入晶种后起强度的时间明显缩短，水泥石强度发展速率得到了明显提升，且随着晶种添加量的增加，趋势更加明显；而水泥浆黏度并没有随着晶种添加量增加而呈现出明显的增加趋势。因此，水化硅酸钙晶种具有加速水泥水化反应、提高水泥石早期强度以及缩短静胶凝过渡时间的特点，是一种具有应用潜力的低温促凝剂。      

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.     

Mechanism and performance of a lithium chloride accelerator

To address present concerns about thickening time and high early-strength in deepwater cementing at low temperatures when using conventional accelerators,a new type of set-accelerating admixture comprising of lithium chloride,aluminium hydroxide and alkaline metal chlorides,named as LS-A,was studied in this paper.Mechanism analysis and performance tests show that the accelerator LS-A accelerated the hydration of tri-and dicalcium silicates (C 3 S and C 2 S) at low-temperatures by speeding up the breakdown of the protective hydration film and shortening the hydration induction period.Therefore,LS-A could shorten the low-temperature thickening time and the transition time of critical gel strength from 48 to 240 Pa of the Class-G cement slurry,and improve the early compressive strength of set cement at low-temperatures.It exhibited better performance than calcium chloride and had no effect on the type of hydration products,which remain the same as those of neat Class-G cement,i.e.the calcium silicate gel,Ca(OH) 2 crystals and a small amount of ettringite AFt crystals.LS-A provides an effective way to guarantee the safety of cementing operations,and to solve the problems of low temperature and shallow water/gas flowing faced in deepwater cementing.     

改性高铝水泥浆的负温硬化性能及其增强机制

针对负温环境下固井水泥浆水化反应减缓甚至停滞,导致固井施工难以进行的问题,开展了改性高铝水泥浆的硬化特性优化和早期强度的增强机制研究.在0,–10和–18℃温度下,进行了改性高铝水泥浆的凝结时间、流动度及抗压强度等性能对比试验,研究了负温环境下水泥浆关键性能的变化规律及与凝结时间调节剂SCEG之间的关系;在分析水化产物...     

纳米二氧化硅复合早强剂的开发与性能评价

针对深水固井中油井水泥早期强度增长缓慢的问题,考察了纳米二氧化硅低温早强特性,并通过递进式叠加优化获得一种纳米二氧化硅复合早强剂NS-4。模拟深水固井的温度、压力条件,测试了该早强剂对油井水泥稠化性能、静胶凝强度和抗压强度的影响。研究结果表明:纳米二氧化硅复合早强剂组成方案为0.8% 纳米二氧化硅（质量分数,下同）+2% 硫酸钠+0.05% 三乙醇胺+0.2% 铝酸钠,掺量为水泥的3.05%;15 ℃、10 MPa 条件下掺入该早强剂的水泥浆稠化时间为236 min,其中稠化过渡时间为34 min;30 ℃、15 MPa 条件下静胶凝强度0~576 Pa 发展时间为180 min,其中胶凝过渡时间为48 min;在4 ℃、15 ℃、30 ℃下,加入该早强剂的水泥石24 h 抗压强度分别是纯G 水泥的9 倍、4.7 倍、2.4 倍。该早强剂优异的低温早强、防气窜性能,有助于解决深水固井面临的低温、浅层水/ 气流动的难题。     

深水固井面临的挑战和解决方法

水深超过500m的深水海域所蕴藏的油气资源是非常诱人的,进一步开发利用深水油气资源大势所趋。但深水所带来的低温、地层破裂压力低、浅层流体流动和高昂的深水钻井装置费用等问题又提出了严峻的挑战。通过对深水注水泥温度确定、低密度水泥浆稳定性、流变性、胶凝强度、候凝时间、水泥石具有的机械力学性能等一系列的特殊要求分析,提出了以准确预测深水注水泥温度为前提,以深水固并材料体系研究为基础。以新型钻 井液同井液一体化技术为方向,以深水固井时可能存在的风险为指导,有针对性地优化深水固井水泥浆的性能和注水泥丁艺,以有效解决深水固井中所面临的困难。     

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。      

氯氧镁水泥在水热环境下强度变化机理

常规水泥在漏层封堵、调剖堵水及储层改造中会伤害储层,且由于封堵层酸溶蚀效果差,将影响后期酸化改造,氯氧镁水泥可以改善这些问题.采用xRD和sEM.EDx技术研究了水热环境下氯氧镁水泥的相态物质对强度的影响,结果表明强度随养护温度和时间的增加而降低,水化产物组分和形态发生了不利于强度增加的转变.常压养护条件下表明,氯氧镁水泥石获得最佳强度的原材料配比为活性MgO:Mgcl2:H2O=8:1:16.     

深水表层固井水泥浆体系应用现状及发展方向

首先对国内外深水表层固井水泥浆体系进行了介绍,阐述了各水泥浆体系的现场应用情况及先进经验,并针对性的提出了存在的问题。结合存在的问题和国内深水海域环境温度的特点,自主研发了适用于表层套管固井的低温、低密度、低水化、热防窜和低温早强防浅层流水泥浆体系,并成功应用于现场作业。最后提出了深水表层固井技术未来的发展方向。     

气态二氧化碳对气井固井水泥石的腐蚀分析

通过分析和测量水泥石腐蚀后的微观结构、抗压强度、渗透率以及腐蚀量,研究了不同分压、时间、温度下CO2腐蚀对水泥石性能的影响。结果表明:CO2对水泥石产生腐蚀作用的本质在于CO2与水泥的水化产物相作用生成CaCO3等物质,破坏了水泥石的原有组成和微观结构,导致腐蚀后水泥石的抗压强度下降,渗透率增大;随着腐蚀时间、CO2分压和腐蚀温度的增加,腐蚀后的水泥石抗压强度降低、渗透率增大、腐蚀率增加。提出了设计抗CO2腐蚀性固井水泥浆体系的基本方法。研究气态CO2对水泥石的腐蚀规律,对于开发和设计抗CO2腐蚀性固井水泥浆体系、提高油气田开发效益等都具有重要意义。     

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。