火烧油层工况下加砂油井水泥石失效演化研究

采取火烧油层方式开采稠油过程中,高温和CO2环境时常引发固井水泥石强度衰退,渗透率增大,层间封隔失效,极大缩短稠油井生产寿命.本文针对该问题,通过测试分析加砂油井水泥石强度、渗透率等性能衰退规律,结合物相分析、微观形貌观察等,研究了稠油火烧油层工况下加砂油井水泥石性能失效演化规律及机理.结果表明:高温和碳化环境导致加砂油井水泥石中C-S-H凝胶和Ca(OH)2等水化产物持续被消耗,微观结构劣化失效越发严重,水泥石完整性不断破坏,强度衰退率增大.碳化条件下低温50℃时,加砂油井水泥石微观结构致密,渗透率、孔隙度较低,受碳化作用影响较小,故强度发展稳定;300℃时,加砂水泥石物相、微观形貌处于即将劣化失效的临界点,水泥石强度衰退率16.07％,渗透率急剧增大;400℃时,水化产物C-S-H和Ca(OH)2含量递减,碳化产物CaCO3含量递增,微观结构劣化演变加剧,水泥石试样开裂膨胀,表面出现大量纵横交错的裂纹,完整性遭到严重破坏,导致强度大幅度衰退,已不能满足固井施工要求.     

用于油井水泥的JAS型无皂胶乳的合成及性能研究

采用无皂乳液聚合方法,合成以苯乙烯(St)、甲基丙烯酸甲酯(MMA)、丙烯酸丁酯(n-BA)为单体,以2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）为乳化剂的无皂乳液JAS。通过;粒径分析、Zeta 电位、透射电镜及热重分析等方法,研究AMPS用量对乳液粒径分布、Zeta电位值以及乳液热稳定性等性能的研究。该乳液无需加入稳定剂,即可用于油井水泥,制成的JAS胶乳水泥。JAS胶乳水泥石养护72 h的抗压强度和胶结强度与基浆水泥石的抗压强度和胶结强度相比,分别提高13.35MPa和1.15MPa。这说明JAS乳液可以显著地改善油井水泥的性能。     

用于油井水泥的JAS型无皂胶乳的合成及性能

采用无皂乳液聚合法,合成以苯乙烯(St)、甲基丙烯酸甲酯(MMA)、丙烯酸丁酯(n-BA)为单体,以2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)为乳化剂的无皂乳液JAS。通过粒径分析、Zeta电位、透射电镜及热重分析方法,考察了AMPS用量对乳液粒径分布、Zeta电位值以及乳液热稳定性等的影响。该乳液无需加入稳定剂,即可用于油井水泥,制成JAS胶乳水泥。JAS胶乳水泥石养护72 h的抗压强度和胶结强度与基浆水泥石的抗压强度和胶结强度相比,分别提高13.35 MPa和1.15 MPa。这说明JAS乳液可以显著地改善油井水泥的性能。     

抗H_2S腐蚀外掺料在油井水泥中的研究

为改善油井水泥石抗H2S腐蚀能力,研究了外掺料FB和CB(铁族化合物)对油井水泥抗腐蚀性能的影响。通过对腐蚀前后水泥石抗压强度、渗透率、孔结构(MIP法)等性能的测试和水泥石样品的微观形貌及腐蚀产物成分分析,评价两种外掺料对油井水泥石的抗腐蚀性能的影响。结果表明:80℃下,H2S溶液腐蚀养护至28d,FB掺量为10%时,抗压强度达26.52MPa,比净浆水泥石提高35.6%,CB掺量为3%时,达29.86MPa,比净浆水泥石提高52.7%;FB和CB的掺入能有效降低水泥石有害孔(100nm)比例,且孔径分布趋于无害孔(50nm);FB和CB的掺量为10%时水泥石在7MPa驱替压力下的渗透率为零(原浆水泥石为0.96×10-3μm2)。FB和CB的掺入有利于水泥石抗H2S腐蚀能力的提高。     

油井水泥的粒度区间与其组成及性能的关系

从定量角度研究G级油井水泥不同粒度区间对其组成及性能的影响规律.对油井水泥进行精确分级后,测定不同粒度区间油井水泥的矿物、化学组成、微观结构和强度性能.油井水泥在分级过程中出现分相现象,细颗粒中C3S含量较高,粗颗粒中C2S含量较高.不同粒度油井水泥微观结构和强度性能差别大,细颗粒水化速度快,水泥石早期强度高,但后期发展不足;中颗粒水化速度适中,早期和后期强度均很高,G3水泥石比G级水泥3d抗压强度和抗折强度分别提高39.4％和25.7％;粗颗粒的水化程度低,强度发展慢.5～30 μm粒度区间对油井水泥的水化及强度的贡献较大,为指导G级油井水泥的生产和高性能复合固井水泥浆的制备提供理论依据.     

一种新型油井水泥用早强剂的性能评价

低温固井时,水泥石强度往往发展缓慢,影响固井周期。为此研制开发了一种新型油井水泥用早强剂,该早强剂中某组分能够为水泥水化产物的生长提供额外的生长位;同时复配多种有机及无机组分,加速水泥中各矿物的水化生长过程。其双重早强作用能够明显地提高低温下水泥石早期强度、缩短水泥浆稠化时间,其综合性能满足固井施工要求。     

废弃玻璃粉对水泥石高温抗压强度和微观结构的影响

废弃玻璃粉作为一种高SiO₂含量的固体废弃物,可以有效防止油井水泥石在高温下的强度衰退,从而提升深井、超深井固井水泥环长期封隔完整性。本文研究了150 ℃、21 MPa下,不同粒径废弃玻璃粉对水泥石抗压强度、渗透率和微观结构的影响。结果表明:150 ℃、21 MPa下净浆水泥石180 d抗压强度为8.57 MPa,较1 d衰退76.04%;掺入废弃玻璃粉可以提高水泥石抗压强度的长期稳定性,在内掺40%(质量分数)粒径为45 μm的废弃玻璃粉情况下,水泥石在180 d时抗压强度为31.85 MPa,较1 d仅衰退3.95%,渗透率为1.28×10^-2 mD,较1 d降低16.88%;掺入废弃玻璃粉改变了水泥石150 ℃、21 MPa下的物相组成,净浆水泥石的主要结晶相为氢氧化钙和水硅钙石,掺入不同粒径废弃玻璃粉的水泥石主要结晶相为硬硅钙石和托贝莫来石;内掺40%粒径为45 μm的废弃玻璃粉的水泥石中托贝莫来石晶粒尺寸稳定;随龄期增加,净浆水泥石孔结构向大孔径发展,内掺40%粒径为45 μm的废弃玻璃粉的水泥石的孔结构更加致密,180 d内各龄期均以凝胶孔为主。     

针状硅灰石微粉改善固井水泥浆性能研究

油井水泥是一种脆性材料,其抵抗外力破坏的能力较差,不利于油气井开发.为解决这一问题,研究了一种兼有矿物微粉和纤维特性的硅灰石微粉对油井水泥性能的影响,评价了不同加量的针状硅灰石微粉水泥浆的常规性能、抗压强度、抗折强度、抗冲击强度,并测试了水泥石应力-应变曲线,最后使用扫描电镜对针状硅灰石微粉水泥石微观形貌进行观察.研究结果表明,与纯水泥浆相比,硅灰石微粉加量在0.5％～4％时,流变影响最大时流变仪300转读数大于300,稠化时间最大缩短18 min,失水量最大下降13 mL,养护1 d水泥石气体渗透率最大下降38.3％.养护28 d后,加入4％硅灰石微粉的水泥石较空白水泥石的抗压强度、抗折强度、抗冲击强度分别提高了17.6％、20.9％、21.1％.加入3％硅灰石微粉的水泥石弹性模量比空白试样降低约26.9％.针状硅灰石微粉在水泥石中分散,在水泥石内部形成"搭桥"作用,可在一定程度上阻止水泥石裂纹发生和扩展,起到增强水泥石力学性能的作用.     

粗糙套管提高煤层气固井胶结强度实验研究

由于煤层有机质含量高、节理发育、节理面光滑,导致煤岩与固井水泥石界面胶结强度弱,煤层段固井质量差。提出了通过对套管壁面进行粗糙化处理从而提高胶结强度的方法,设计了凹圆槽、网纹、螺纹状及外表面光滑4种模拟套管,并对其进行了水力胶结强度实验、剪切胶结强度及粘结强度实验。结果表明:粗糙化处理后的套管其胶结强度均得到了不同程度的提高,且螺纹处理后套管与水泥石之间的综合胶结强度最好。     

动态冲击下纤维素固井水泥石力学性能及增韧机理研究

为研究动载荷下纤维素固井水泥石抗冲击性能及内部纤维素增韧机理,采用杆径50 mm的霍普金森杆(SHPB)对不同纤维素加量的油井水泥石进行动态加载,并利用高速摄影仪记录破裂形貌.通过动载荷下的应力-应变、韧性及总能量吸收图等研究纤维素固井水泥石的力学性能.利于扫描电镜SEM研究纤维素的微观增韧机理及纤维素对水泥基材料的增韧作用.结果 表明,动载荷下,纤维素水泥石的强度、韧性及能量吸收能力在加量0.3％时最高.纤维素水泥石表面裂纹量少且曲折度并不明显,破裂程度较轻.纤维素的增韧机理为拔出机制、裂纹偏转,弯曲机制由于冲击速度太快,基体变硬而被抑制.