油井水泥用低温促凝剂BH-A401S的开发与性能研究

为解决目前常用促凝剂对AMPS类水泥浆体系低温促凝效果差的难题,通过对不同促凝材料的促凝效果对比,优选开发了一种由NaAlO2、特种促凝材料与有机盐组成的新型低温促凝剂BH-A401S,采用IR、TGA及DSC对该新型促凝剂的结构和耐温性能进行了表征考察,结果表明复配的促凝剂达到了预期设计目标。室内研究表明,该促凝剂在低温条件下对AMPS类水泥浆体系具有良好的促凝效果,温度高于50℃时,稠化时间可缩短到90 min以下,稠化线形整体平稳,过渡时间短,可满足40℃～70℃循环温度范围内的固井施工要求;同时,加有促凝剂的AMPS类水泥浆体系浆体性能稳定,初始稠度低、流变性能良好、稠化时间可调,40℃、加量为1.5%,6 h抗压强度大于4 MPa,低温早强、防窜效果明显,是一种非常适合AMPS类水泥浆体系的低温促凝剂。     

低温浅层油气井固井技术

低温浅层油气井固井易发生窜槽。针对这一问题研究了低温膨胀剂和低温促凝剂，筛选出了低温膨胀剂G502-ⅡB和低温促凝剂CN-2。低温膨胀剂G502-ⅡB初始稠度低，水泥浆流变性能好。早期抗压强度高；使用低温促凝剂CN-2，水泥浆稠化时间短，初始稠度低，促凝效果好。配合一定的固井工艺技术措施。如使用扶正器、控制施工排量达到塞流顶替、用前置液清洗钻井液、采用两凝水泥浆及膨胀水泥浆确保两界面胶结质量等，低温水泥浆体系可解决低温浅层油气井油气水窜等问题。通过现场124口井的应用表明．固井一次成功率为100％。固井合格率为100％，固井优质率为93％，达到了防窜的目的，保证了固井质量。     

新型油井水泥促凝剂LT A及其性能

针对低温或表层段固井候凝时间长的问题,采用价格低廉、早强作用强且性能稳定的促凝剂有利于缩短固井时间和提高固井质量。为此,研制了过渡金属复合盐类促凝剂LT-A并系统评价了该促凝剂不同加量（1%、2%和3%）情况下的油井水泥浆性能,得到了促凝剂LT-A对油井水泥的影响规律：促凝剂LT-A能促进油井水泥的水化能力,缩短水泥浆稠化时间,显著提高水泥石早期抗压强度,加入促凝剂LT-A的水泥浆稠化时间与原浆稠化时间之比小于等于0.5、水泥石6 h抗压强度（39 ℃、常压）大于等于4.0 MPa,完全满足促凝剂评价标准SY/T 5504.4-2008 的相关要求。实验还进一步证实：LT-A对水泥浆流变参数和初始稠度基本无影响,是一种性能优于CaCl^₂的新型促凝剂。     

新型油井水泥促凝剂LT‐A及其性能

针对低温或表层段固井候凝时间长的问题 ,采用价格低廉 、早强作用强且性能稳定的促凝剂有利于缩短固井时间和提高固井质量 。 为此 ,研制了过渡金属复合盐类促凝剂LT‐A并系统评价了该促凝剂不同加量（１％ 、２％ 和３％ ）情况下的油井水泥浆性能 ,得到了促凝剂LT‐A对油井水泥的影响规律 ：促凝剂LT‐A能促进油井水泥的水化能力 ,缩短水泥浆稠化时间 ,显著提高水泥石早期抗压强度 ,加入促凝剂LT‐A的水泥浆稠化时间与原浆稠化时间之比小于等于 ０ ．５ 、水泥石 ６h抗压强度（３９ ℃ 、常压）大于等于 ４ ．０MPa ,完全满足促凝剂评价标准SY／T ５５０４ ．４ — ２００８的相关要求 。 实验还进一步证实 ：LT‐A对水泥浆流变参数和初始稠度基本无影响 ,是一种性能优于CaCl２的新型促凝剂 。     

油井水泥无氯促凝早强剂的研制与现场试验

传统的复合早强剂中通常含氯盐,不适用于AMPS类水泥浆体系,且水泥石高温下长期强度会出现衰退现象,同时对套管有腐蚀作用。针对这些问题,研发出一种复配的无氯促凝早强剂,以硫酸钠、铝酸钠、甲酸钙和氧化钙,按照质量比1:1:1:1均匀混合而成。实验结果表明:该早强剂适用于PVA类和AMPS类水泥浆体系;可使油井水泥在30℃低温下,8 h强度达3.5 MPa,稠化时间缩短至80 min以内,初凝时间缩短至90 min以内,初终凝过渡时间缩短至10 min以内,有利于油气井的防窜。该早强剂在大港油田板37-15井?139.7 mm生产套管固井中得到成功应用,固井质量优质率达81.2%,合格率达93.5%。     

四川长宁页岩气速凝水泥浆体系研究与应用

针对四川页岩气钻进过程中表层易发生失返性漏失,钻井液堵漏效果不佳的情况,研发了液体促凝早强剂ZQ-3、无色无毒液体分散剂ZF-A,形成速凝水泥浆体系。评价了2种外加剂混合液不同加量下速凝水泥浆的性能。实验结果表明,混合液使水泥浆具有良好的流变性能;能显著缩短水泥浆的稠化时间,30℃下混合物加量为3%时,速凝水泥浆与原浆稠化时间之比为0.43;同时显著提高了水泥石早期抗压强度,4 h抗压强度大于3.5 MPa,8 h抗压强度大于8MPa,表现出优异的低温早强效果。该速凝水泥浆在四川长宁区块页岩气现场应用效果显著,候凝时间由原来的14 h缩短至4～8 h。现场应用7口井,施工24次,全部顺利施工,累计缩短候凝等待时间200 h以上。      

深水表层固井硅酸盐水泥浆体系研究

针对海洋深水表层套管固井作业,介绍了一种密度可调（1.20～1.80 kg/L）的低温低密度G级硅酸盐水泥浆体系。对低温低密度G级硅酸盐水泥浆体系的设计原理与水泥浆组分以及不同密度水泥浆配方进行了详细的论述,并对该水泥浆体系在深水环境下的性能进行了评价。结果表明,低温低密度G级硅酸盐水泥浆体系在低温环境下具有较高早期强度、低失水量以及良好的流变性和稠化性能,其中密度为1.20 kg/L的水泥浆在3 ℃温度下的稠化时间≤560 min,稠化过渡时间≤60 min,API失水≤70 mL,水泥石在5 ℃温度下养护24 h后的抗压强度≥3.5MPa。这表明低密度G级硅酸盐水泥浆体系具有良好的低温性能,能够满足海洋深水表层套管固井作业要求。      

固井用高温缓凝剂的研究与应用

针对油井水泥常用的AMPS/IA共聚物类缓凝剂在130～150℃区间易出现稠化时间“倒挂”现象，影响固井施工安全和固井质量的问题。通过AMPS和IA单体进行自由基溶液共聚，在共聚过程中与乙二胺四乙酸二钠EDTA-2Na、十六烷基三甲基氯化铵CTAC复配，研制了一种可防止高温稠化时间倒挂的缓凝剂BH-R103L，并对其综合性能进行了评价。评价结果表明：BH-R103L具有可靠的抗温及调凝效果，加有BH-R103L的水泥浆体系在120～150℃范围内稠化时间可调，150℃下加量为2%(BWOC)时，水泥浆的稠化时间大于300 min，稠化时间与加量呈线性关系，稠化时间倒挂现象消除、初始稠度低、温度和加量敏感性小、稠化线形正常、与AMPS类高温降失水剂配伍性良好，能抑制高温浆体“包心”现象，在60℃下养护的水泥石抗压强度发展快，其他综合性能均满足固井施工要求。BH-R103L在四川泸州区块泸203H153平台深井页岩层进行了现场应用，声幅测井检测封固段固井质量合格。     

深水油气井浅层固井水泥浆性能研究

针对深水油气井浅层固井存在的逆向温度场,对水泥浆在低温下的稠化时间、抗压强度和流变性能进行了分析,结果显示:在低温下水泥浆的稠化时间明显延长,抗压强度发展缓慢,流变性能变差。因此,针对深水固井试验中温度模拟方法与陆地固井的不同,介绍了深水固井循环温度和静止温度的确定方法,设计了可以用来测试深水固井水泥浆性能的稠化试验装置及静胶凝试验装置。同时设计了不同密度的深水固井水泥浆配方,并对其性能进行了测试,结果表明,所设计的不同密度深水固井水泥浆,在低温条件下早期强度发展快（4 MPa/16h）,流变性好,防气窜能力强,沉降稳定性能好,能满足深水表层套管固井的需要。      

纳米基复合增强剂的研究与性能评价

低密度水泥浆体系常面临水泥石强度低、顶部强度发展缓慢的问题,而常规促凝早强材料虽可增加水泥石强度,但多会明显缩短稠化时间,稠化时间和强度之间矛盾突出。针对该问题,通过引入表面改性的纳米材料,搭配高效激活材料,开发出了一种“弱促凝、高早强”型复合增强剂。针对不同低密度水泥浆体系,通过控制增强剂加量、温度、水灰比、密度等变量,对该剂进行了评价实验。结果表明,纳米基复合增强剂可在对稠化时间影响较小的前提下,大幅提高水泥石的抗压强度,其中低密度水泥石顶部强度提高率可达40%以上,在不同类型低密度水泥浆体系中均有提强效果,并在长庆油田进行了应用,效果良好。      

耐高温抗盐固井降失水剂的制备及性能研究

针对目前聚合物降失水剂耐高温性能不佳、抗盐能力差以及低温增黏、高温稀释严重的问题,通过在分子结构上引入特殊阳离子功能单体,采用自由基水溶液聚合方法,制备了一种抗温可达210℃的两性离子型耐高温抗盐降失水剂DRF-4L。采用红外光谱、热失重分析以及环境扫描电镜对聚合物分子结构和耐温性进行了表征,并对其应用性能进行了评价。结果表明,DRF-4L适用温度范围广（30~210℃）,降失水性能优异;210℃（BHCT）时,掺4% DRF-4L的水泥浆API失水量为42 mL;抗盐能力强,可使饱和盐水水泥浆API失水量控制在50 mL以内;此外,DRF-4L低温不增稠、高温弱分散,对改善水泥浆初始流变性能和提高水泥浆高温稳定性具有明显优势;含DRF-4L的水泥石早期强度发展快,90℃下12 h抗压强度高于14 MPa,且后期强度发展正常。同时,以DRF-4L为主剂的低密度、常规密度、高密度水泥浆以及胶乳水泥浆体系等综合性能良好,能够满足高温深井超深井的固井技术需求。      

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。      

低温高强韧性水泥浆在致密油水平井的应用

长庆油田致密油延长组油层埋藏浅,井底静止温度低,常规水泥石强度发展慢、脆性强,大型体积压裂易导致水泥环密封完整性破坏,严重威胁致密油开采和油井寿命。针对以上难题,优选了低温促凝早强剂DRA、低温增强材料DRB和膨胀增韧材料DRE-300S,并结合配套固井外加剂,开发了综合性能良好的低温高强韧性水泥浆体系。该水泥浆体系在55℃条件下,24h抗压强度达到35.8 MPa,168 h抗压强度为50.6 MPa,抗压强度较常规体系提高了33.1%,弹性模量降低了14.3%,表现出良好的低温高强韧性特性,增强了水泥环在交变应力作用下的密封完整性。该体系在长庆致密油水平井φ139.7mm生产套管固井中进行了4次现场应用,现场应用效果良好,为低温高强韧性水泥浆体系的推广应用奠定了技术基础。      

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。      

新型抗高温粉煤灰低密度水泥浆

针对目前粉煤灰低密度水泥浆体系高温下沉降稳定性差及顶部水泥石抗压强度发展缓慢等问题,测试了在中高温条件下粉煤灰、微硅类稳定剂加量对水泥石强度的影响,实验发现微硅类稳定剂在高温条件下(≥125℃)会阻止粉煤灰水泥浆抗压强度正常发展。通过研究出一种新型高温增强剂,保证了粉煤灰低密度水泥浆体系的高温稳定性,并解决了目前粉煤灰低密度水泥浆体系存在的高温强度发展异常、强度很低等问题,最后开发出一套密度为1.50~1.60 g/cm3的粉煤灰低密度水泥浆体系。该体系具有沉降稳定性好、API失水量小、稠化时间可调等性能,水泥石抗压强度较高且顶部抗压强度发展良好,130℃下静胶凝强度的过渡时间为18 min,能够满足85~130℃的大温差高温固井。     

高石梯-磨溪区块高压气井尾管固井技术

针对西南油气田高石梯-磨溪区块高压气井φ177.8 mm尾管固井遇到的气层活跃、安全密度窗口窄、流体相容性差及高温大温差等问题,制定了相应的固井技术措施。开发了适合高温大温差固井的自愈合防窜高密度水泥浆体系,并进行了室内研究。结果表明:该体系密度为2.0~2.8 g/cm3,现场一次混配可达2.6 g/cm3以上;适应温度为常温~180℃;浆体的上下密度差不大于0.05 g/cm3;失水量不大于50 mL;稠化时间与缓凝剂掺量具有良好的线性关系,稠化过渡时间不大于10 min;静胶凝强度过渡时间不大于20 min;24 h抗压强度大于10 MPa,水泥石顶部48 h抗压强度大于3.5 MPa,低温下强度发展快,形成的水泥石体积稳定不收缩,具有类似韧性水泥的力学性能;遇油气产生体积膨胀,保证了界面胶结质量和密封完整性,降低了固井后发生气窜的风险。该固井技术在高石X井和高石Y井中进行了应用,固井优质率和合格率得到较大幅度提高,水泥环后期不带压,获得良好应用效果。      

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。      

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。      

松科2井超高温水泥浆固井技术

针对中国大陆科学钻探松科2井超高温固井难点,采用四元共聚型抗高温降失水剂和三元共聚复合膦酸盐类缓凝剂,提高了水泥浆的耐温稳定性,避免了"热稀释"现象带来的风险,通过调整这2种耐高温外加剂的加量,满足了超高温下控制水泥浆失水量和调整稠化时间的要求。同时,根据颗粒级配及紧密堆积原理,对硅砂的粒径和加量进行优化,使硅钙比接近于1,防止超高温下水泥石后期强度的衰退,另外,优选了由颗粒和纤维共同组成的弹韧性材料,提高水泥石的弹韧性。通过合理配比设计出了抗260℃超高温的水泥浆体系,浆体稳定性好,水泥浆上、下密度差不大于0.03g/cm3,稠化时间为200~420 min,失水量小于100 mL,48 h抗压强度大于20 MPa,后期强度不衰退,7 d抗压强度大于38 MPa。优化尾管悬挂固井工艺,严格控制水泥浆密度,确保不压漏地层,采用耐高温高效冲洗隔离液,提高顶替效率,保证施工安全和固井质量。该体系在井底静止温度为260℃,循环温度为210℃的松科2井四开尾管固井中应用,现场施工顺利,保证了固井质量。