CB-1复合材料提高水泥石塑性强度的试验研究

在实验室条件下研究了CB-1复合材料对水泥石塑性强度的影响,试验考查了随复合材料CB-1加量的增加水泥石抗压、抗折强度的变化,测定了不同CB-1加量下水泥石的渗透率。探讨了油井水泥外加剂对加有CB-1的水泥浆体系的综合性能的影响及加用CB-1提高水泥石抗折强度的机理。研究表明,所采用的塑性水泥浆的适用范围要宽,既能用于常规密度的水泥浆在不同温度下的施工,又要用于高密度或低密度的水泥浆的施工;同时其相容性要好,不但能提高水泥石的塑性,且还应与其他外加剂有良好的配伍性,方可提高水泥石的塑性强度。     

机械振动对油井水泥性能影响规律研究

机械振动水泥浆是振动固井施工中常见的作业方式,可以有效提高固井质量。借助机械振动实验系统和研发的新型水泥石试件制备模具,研究了机械振动对水泥浆各项性能的影响规律。实验结果表明:机械振动在振幅2. 2 mm,振动时间5 min,振动频率6～21 Hz的参数范围内,水泥浆流性指数提高7. 20%,稠度系数下降23. 47%,不仅极大程度地改善水泥浆的流变特性,并将静胶凝强度过渡时间和凝结时间分别缩减7. 89%和5. 65%,水泥石抗压强度提升12. 43%;振动后水泥浆体系的均质性和稳定性会受到扰动,其水泥石强度的波动幅度约为振动前的6. 62倍,并初步确定了振动波作用的最佳范围应是处于激振点与远端的中间位置,为机械式振动固井技术的应用提供一定的理论依据及数据参考。     

镁质晶须对油井水泥石力学性能的影响

为提高油井水泥石强度,选用镁质晶须MBW为增强剂,研究了MBW在不同掺量下对水泥浆体的基本性能及水泥石力学性能的影响,并通过XRD、MIP及SEM等表征方法进行了探讨。结果表明,油井水泥中掺入1%~5%的镁质晶须后,其浆体密度及凝结时间基本不变;流动度随晶须掺量的增加而降低,通过加入减阻剂USZ来改善;水泥石的抗压强度、抗折强度随晶须掺量的增加得到明显提高,当晶须掺量为4%时,80℃下水泥石1、3、7和28 d抗压强度比净浆水泥石分别提高8.3%、15.4%、21.5%和18.8%,抗折强度分别提高9.4%、19.4%、13.1%和0.3%。镁质晶须属于惰性微填料,可填充水泥石内部的有害孔隙,增加水泥石密实度,同时作为微纤维,在水泥石内部通过桥连、拔出、剥离、折断等作用机制起到对水泥石增强增韧的双重功效。     

吉木萨尔页岩油井水泥环性能评价

水力压裂技术是提高页岩油井产能的重要手段,压裂过程中固井水泥石力学行为对油气井安全和高效生产有重要影响。基于吉木萨尔地区固井水泥浆体系配方,设计了水泥试样养护模具及水泥胶结强度测试方案,养护了水泥石标准圆柱试样及水泥石胶结试样,开展了模拟井底条件下单/三轴压缩实验、循环加载实验以及胶结强度实验,探究了固井水泥石本体、胶结面损伤及破坏规律。研究结果表明：单轴压缩条件下,水泥石具有显著的弹脆特性,破坏时水泥本体形成宏观裂隙,水泥弹性模量均值为3.054 GPa,泊松比均值为0.127;三轴条件下水泥石强度及塑性特征得到增强;循环加载过程中,水泥石塑性变形存在双线性累积现象,塑性变形量与载荷峰值呈正相关,载荷峰值由22.7 MPa增至53.2 MPa时,循环20次后的塑性应变由0.24%增至2.46%;水泥胶结面为天然力学弱层,水泥石胶结强度小于1 MPa,远低于水泥石本体强度,是井筒密封失效的风险点位。     

油基钻井液对水泥浆性能的影响及其机理

目前,油基钻井液越来越多地被应用于特殊地质条件和特殊工艺井中,而钻井液与水泥浆之间通常不具有相容性,二者掺混后会产生不同程度的接触污染,可是,油基钻井液对水泥浆性能影响及其机理的研究却相对滞后。为此,实验分析了油基钻井液在不同掺混比例条件下,对水泥浆流动度、稠化时间、抗压强度、胶结强度、孔隙度、渗透率等性能的影响。同时结合超声波抗压强度、XRD、热重分析,初步探索了油基钻井液掺混对水泥性能影响的机理。结果表明,油基钻井液掺混不会大幅度影响水泥浆稠化时间,但会形成絮凝结构,降低水泥浆流动性和顶替效率;掺混后的水泥石抗压强度和胶结强度降低,孔隙度和渗透率升高,影响水泥环封隔能力。油基钻井液掺混对水泥浆性能影响的机理为：水泥浆与油基钻井液掺混形成了乳化结构,造成水泥浆中自由水被束缚,导致水泥浆流动性降低;无法固结的油基钻井液在水泥石中形成孔洞以及油相的润滑作用是使得混浆水泥石强度降低、孔隙度和渗透率升高的主要原因。     

温度对水泥石机械性能非线性影响规律及原因分析

为了表征长封固段固井水泥石在温度梯度下的机械性能，研究了不同温度下水泥石机械性能非线性变化规律并分析了原因。通过检测在用水泥石在30～160℃温度区间下的机械性能，分别建立了水泥石抗压强度、杨氏模量及泊松比随温度变化的关系曲线，同时拟合了水泥石机械性能随温度变化的函数关系式，并形成了考虑温度对水泥石机械性能影响的非线性物理方程；利用热重和XRD实验，对不同温度养护的水泥石进行了物性分析，通过SEM对水泥石的微观形貌进行了对比分析，初步探索了温度影响水泥石机械性能的内在原因。研究发现:相同养护天数下，水泥石在60℃及80℃条件下，机械性能存在突变区间，而80℃以上养护的水泥石其机械性能没有显著差异，同时发现温度介于突变区间以下，机械性能呈二次函数变化，高于突变区间则呈指数函数变化；结合微观分析结果发现，水泥石水化产物及水化程度的不同，是导致水泥石机械性能存在突变区间的原因。      

一种柔性水泥浆体系的室内评价

多分枝井固井作业中需要提高主井眼和分枝井眼连接处水泥石的柔韧性,保证固井作业质量。室内选择胶乳与纤维作为增加水泥石的柔韧性能的材料。通过评价不同胶乳加量下水泥石的柔韧性能,确定了柔性水泥浆体系中胶乳的最优加量;通过评价加入了不同长度纤维的水泥石的柔韧性能,确定了柔性水泥浆体系中纤维的最佳长度,同时研究了纤维加量变化对水泥石力学性能的影响。将所建立的柔性水泥浆体系和常规聚合物水泥浆体系进行对比试验,结果显示柔性水泥石的抗冲击强度以及胶结性能有着大幅度提高,弹性模量大幅度降低。这不仅说明了该柔性水泥浆体系具有良好的柔韧性,同时也确立了柔性水泥浆的优越性与良好的应用前景。     

温度及外加剂对G级油井水泥强度的影响

利用超声波强度测试仪、高温高压养护釜及强度仪等仪器,对各种不同条件下G级油井水泥石强度进行了测试,得出了在不同温度及外加剂条件作用下的水泥石强度的发育及变化特点,确立了水泥石产生高温强度衰退存在2个临界温度,即110℃和150℃;确定了能够有效抑制高温条件下水泥石强度衰退的合理硅砂加量为30%~40%;阐述了在110~150℃及150~200℃ 2种温度范围内,加砂水泥的强度分别具有二级台阶及一级台阶等不同的发育规律。分析了外加剂对水泥石强度及发育特点产生的影响规律和外加剂的适用范围,揭示了温度等对水泥石强度产生影响的内在本质。     

油井水泥石在围压作用下的力学形变行为

目前在单轴条件下研究油井水泥石力学行为通常忽略了井下情况环境对水泥石力学行为的影响，认为凝固后的油井水泥石是非均质脆性体，且在受力超过水泥石屈服极限时瞬间脆裂将会引起井下水泥环层间密封性能失效，但水泥环在井下的实际力学形变能力却受到温度和压力的影响，笼统认为油井水泥石是单纯的脆性材料具有一定的片面性。针对此种情况进行了实验研究，采用美国GCTS公司三轴岩石力学测试系统RTR 100研究了油井水泥石在围压作用下的力学形变行为。实验结果表明，单轴受力下水泥石为典型的脆性材料特征，而围压作用下水泥石破坏前为一定的塑性形变行为，特别是在高围压作用下塑性形变效应更明显；在围压作用下油井水泥石为脆塑性材料力学形变特征。     

振动对水泥颗粒堆积效果影响规律研究

振动对水泥颗粒堆积行为的影响直接决定着水泥石强度特征,也是保障振动固井施工质量的关键因素。利用EDEM离散元数值模拟软件计算了振动对水泥颗粒充填率的影响规律。结果显示:在振动参数方面,颗粒充填率随振动频率的增加而单调递增,随振幅的变化呈现二次函数关系,在振幅1 mm处颗粒充填率最高,在振动时间达到0. 2 s以后,振动对颗粒充填率的提升幅度基本恒定,水平振动对颗粒充填率的提高幅度约为垂直振动时的3. 08倍;在颗粒形貌方面,振动对不同尺寸、不同圆球度颗粒充填率均有提高,颗粒尺寸越大提高效果越显著。此外,不同尺寸颗粒混合后的充填率最高可提升40. 22%,不同圆球度颗粒混合后充填率可提高8. 33%。由于实际水泥颗粒无法保证均匀一致的粒径和圆球度,因此通过施加机械振动来改善颗粒堆积效果是提高水泥石强度的有效手段。     

国内外振动固井技术的发展现状

振动固井是在下套管,注灰,顶替和候凝的过程中,采用机械振动,液压或空气脉冲,水力冲击等手段,产生振动波作用于套管,钻井液和固井液来提高固井质量的一项新技术,实践证明,振动可以提高水泥石强度,提高顶替效率,消除水泥中的气泡,形成完好的水泥五,还可以缩短候凝的时间,防止固井后的油,气,水混窜,有利于提高一,二界面的胶结强度。文中详尽介绍了国内振动固井的各项技术现状及发展。     

火烧吞吐井用抗高温耐腐蚀水泥浆体系

火烧吞吐采油技术是近年来发展很快的一种具有明显优势和潜力的热力采油方法,其特殊的采油工艺需要开发一种同时具有抗550℃以上高温和耐CO₂腐蚀性能的水泥浆体系。从水泥石耐高温和抗腐蚀机理出发,研发了一种磷铝酸盐水泥GWC-500S,该水泥通过对铝酸盐水泥加入磷酸盐、氧化铝粉、耐腐蚀材料、激活材料等进行改性而得,同时研发了配套的多元单体聚合的液体降失水剂GWF-500L及无机酸缓凝剂GWR-500S,并配制出了适用于火烧油层固井的水泥浆体系。对50、300和600℃不同温度下水泥石进行XRD实验,分析了不同温度下水泥水化产物和水化产物随着温度变化的情况;对600℃煅烧后水泥石剖面进行了扫描电镜分析;对磷铝酸盐水泥经过550℃高温煅烧7 d后的强度变化进行了评价;在120℃、CO₂分压约为6.9 MPa条件下,对水泥石耐CO₂腐蚀性能进行了评价。研究结果表明,该体系具有在40~100℃范围内稠化时间可调,API失水量小于50 mL,水泥浆流变性能良好等特点,且该水泥石可耐550℃高温强度不衰退、抗CO₂腐蚀性能良好、密度可调、稠度适中、稳定性良好,与钻井液、隔离液相容性良好。该水泥浆在××油田火烧油层吞吐试验区块英试×井进行了试验应用,经室内实验和现场应用证明,其满足火烧油层固井工艺要求。      

超低密度水泥固井质量评价方法

为了准确评价超低密度水泥浆固井质量,采用室内试验方法,研究了养护时间、温度和密度等参数对超低密度水泥石强度和声学特性的影响规律,拟合得到不同密度水泥石抗压强度与纵波、横波声速之间的关系方程;结合套管井井下声场分析结果,构建了基于抗压强度的超低密度水泥测井评价相对声幅改进算法,并建立了基于抗压强度的相对声幅校核图版。验证结果表明,漂珠类超低密度水泥石的相对声幅与抗压强度之间的对应关系较好,随着抗压强度增加,相对声幅减小;在相同抗压强度条件下,相对声幅随着水泥浆密度升高而减小。研究表明,应用超低密度水泥浆固井质量评价相对声幅校核图版,可以显著地提高固井质量评价的准确性和针对性。     

固井振动器套管内振动对水泥石强度影响试验

为改善调整井固井质量,开展了固井振动器套管内振动技术研究,阐述了Φ139.7 mm套管固井振动器系统,同时开展了振动器套管内振动对水泥石强度影响的试验研究。固井振动器系统主要由地面控制单元、传输电缆、电缆接头和固井振动器等组成,固井振动器振动波穿过钻井液和套管作用于水泥浆,从而改善水泥浆的水化性能。通过室内模拟试验,测得了振动器振动对水泥石抗压强度、第一界面和第二界面胶结强度的影响,试验数据表明水泥石抗压强度提高11.50%~23.32%,第一界面胶结强度提高19.37%~32.55%,第二界面胶结强度提高7.62%~16.90%。试验结果为固井振动器的现场应用提供了理论依据。     

水湿环境下硫化氢对固井水泥石的腐蚀机理

<正>确认识硫化氢对固井水泥石腐蚀的基本规律.对于保障高含硫气藏的安全高效开发具有重要的作用。为此,根据硫化氢在井下的存在形式,在室内建立起气相腐蚀和液相腐蚀两种水湿环境,分别考察了硫化氢对固井水泥石外貌、腐蚀深度、微观形貌、物相组成、抗压强度、孔隙度和渗透率等性能的影响。结果表明:①水泥石在气相腐蚀条件下的腐蚀程度要低于液相腐蚀水泥石的腐蚀程度,说明外部水湿环境对硫化氢与固井水泥石之间的腐蚀有较大影响;②在气相腐蚀水泥石表面会形成一层致密石膏层,能够有效阻止后续腐蚀介质侵入水泥石基体;③在液相腐蚀水泥石表面会形成多孔的无定形硅胶层,致使腐蚀介质进一步侵入水泥石内部。结论指出,不同的水湿环境造成水化产物分解形成的离子在水泥石表面存在状态不同,是造成气相腐蚀和液相腐蚀环境下水泥石性能差异的主要原因。     

声波水泥胶结测井仪器频率对水泥石声学特性的影响

声波水泥胶结测井仪器频率是影响测井结果的关键因素之一。文章以多组分水泥石为主要研究对象,利用超声测试与微观电镜实验手段,探索了声波探头频率对多组分水泥石声学特征的影响。研究结果表明:常规密度与铁矿粉加重类高密度水泥石的声阻抗随声波探头频率的升高而升高;而对空心漂珠类低密度水泥石进行微观扫描电镜实验分析,发现其内部为中空的粗晶粒,在较高频率段时其声阻抗值随声波探头频率的升高而降低,固井后CBL首波幅度将随之增加。因此,声波水泥胶结测井时,需对测井仪器进行声波探头频率校正,否则可能导致测井解释的误判     

基于多孔介质理论的油井水泥石破坏准则

水泥石是一种由水泥骨架和孔隙组成的多孔介质，井下水泥凝固水化后，孔隙中还会有自由水存在，并且与地层相通，所以水泥石力学行为会受到地层孔隙水压和外部载荷的影响。为进一步揭示油气井实际工况下水泥石的力学性能，引入多孔介质力学理论，对水泥石力学性能进行三轴力学实验研究，获得相关参数，从而确定了考虑孔隙水压的水泥石摩尔-库伦破坏准则。实验以嘉华油井水泥作为研究对象，通过改变围压、排水条件以及孔隙水压获得水泥石的各项力学参数。结果显示，孔隙水压是影响水泥石破坏强度的重要因素；不考虑多孔介质力学的水泥石摩尔-库伦准则模型为非线性；考虑多孔介质力学理论的水泥石摩尔-库伦包络线为线性并获得准则公式。      

油气井固井水泥混浆段声学特性分析

套管、水泥环、地层3介质的声学特性是影响声波水泥胶结测井结果的关键因素。井下水泥环形成后,分为纯水泥段和水泥浆与隔离液或钻井液的混浆段。以油气井水泥混浆段为主要研究对象,提出利用超声波测试与孔隙度测试等为实验手段,分析了混浆段的声学特性及其形成机理。结果表明:水泥浆含量越低,混浆段凝固时间越长,抗压强度值越小,孔隙度越高,声阻抗值越小,从而CBL声幅曲线值越高;相同测试条件下,相同体积比的水泥浆与钻井液混浆水泥石的孔隙度高于水泥浆与隔离液混浆水泥石的孔隙度,这是前者声速值低于后者声速值的本质因素之一;GYW201隔离液除能更好地改善第一界面与第二界面实际固井质量外,还能得到更好的CBL声幅曲线,具有较好的工程应用前景;掌握混浆段凝固特性、强度特性、声学特性可对工程测井时间的确定和CBL声幅曲线的水泥环声阻抗校正以及固井质量的精细评价提供参考。     

胶乳对水泥石三轴力学形变能力的作用

针对套管、水泥环、地层三者间形变不协调而引起油气井生产后期层间封隔失效的问题,采用美国GCTS公司三轴岩石力学测试系统RTR-100,准确地测定了在三轴应力直接加载及三轴应力多周循环两种加载方式下水泥石的力学形变能力。实验结果表明,水泥浆中添加一定量的SBR胶乳,在降低油井水泥石抗压强度的同时增大了油井水泥石在低应力作用下的弹性形变和在高应力下的塑性形变,提高水泥石抗冲击破坏的能力。     

硅粉对水泥石强度发展影响规律

硅酸盐油井水泥石强度都有临界温度,当达到临界温度以上时,水泥石强度要发生衰退,水泥石渗透率增大,甚至水泥石强度完全丧失,严重影响了油气井测试、开发等后期作业的顺利进行.在水泥中添加适量的高温强度稳定剂硅粉,将C/S摩尔比降到1.0左右,不但解决了高温下水泥石强度衰退问题,而且能提高水泥石强度.通过室内试验,研究分析了纯油井水泥石强度在高温下强度发展规律及强度发生衰退的原因,并从硅粉细度、加量以及温度等方面,研究分析了硅粉与水泥石强度发展之间的关系,找到了高温强度稳定剂对水泥石强度发展的影响规律.即:高温条件下,随着硅粉加量的增加,水泥石强度增大,而且硅粉细度越小,其强度增高的越大;水泥石在高温下反应初期发生了小幅度强度衰退,当硅粉参与反应后,水泥石进行二次强度发展,而且硅粉越细,二次强度发展越早,强度也越高.