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。     

复合加砂抗高温防衰退水泥浆体系路

普通加砂G级水泥无法满足异常高温固井,水泥石高温强度衰退严重。针对高温深井固井问题,开展了在145~180℃下35%硅粉加量水泥石强度衰退机理研究,探索了170~200℃高温下硅粉粒度、加量及硅粉复配对水泥石强度发展的影响规律,优化出抗高温防衰退水泥浆体系。研究结果表明:①在温度大于160℃下,加量为35%硅粉的水泥石养护30 h时开始强度衰退,温度越高,衰退越早;②根据粗、细硅粉对水泥石强度发展的影响,得出0.18、0.09 mm硅粉及液硅比例为30:60:10,复合加量70%时,可以抑制200℃水泥石强度衰退;③优化出抗温为170~200℃、密度为2.08~2.41 g/cm3的复合加砂抗高温防衰退高密度防气窜水泥浆体系。通过以上研究,不但抑制了水泥石强度持续衰退,也改善了水泥石长期力学性能,对高温高压气井的良好封固提供技术支撑。      

复合加砂抗高温防衰退水泥浆体系

普通加砂G级水泥无法满足异常高温固井,水泥石高温强度衰退严重。针对高温深井固井问题,开展了在145~180℃下35%硅粉加量水泥石强度衰退机理研究,探索了170~200℃高温下硅粉粒度、加量及硅粉复配对水泥石强度发展的影响规律,优化出抗高温防衰退水泥浆体系。研究结果表明:①在温度大于160℃下,加量为35%硅粉的水泥石养护30 h时开始强度衰退,温度越高,衰退越早;②根据粗、细硅粉对水泥石强度发展的影响,得出0.18、0.09 mm硅粉及液硅比例为30:60:10,复合加量70%时,可以抑制200℃水泥石强度衰退;③优化出抗温为170~200℃、密度为2.08~2.41 g/cm~3的复合加砂抗高温防衰退高密度防气窜水泥浆体系。通过以上研究,不但抑制了水泥石强度持续衰退,也改善了水泥石长期力学性能,对高温高压气井的良好封固提供技术支撑。     

加砂油井水泥石高温力学性能衰退机制研究进展

加砂油井水泥是常用高温固井材料,但在部分高温地层服役时存在短期内水泥石力学性能明显衰退及水泥环层间封隔失效问题,明确其高温力学性能失效机制将有助于合理使用加砂油井水泥。为此,笔者调研了国内外加砂油井水泥高温水化产物和石英砂（掺量、粒径）对加砂水泥石力学性能影响的相关文献,并对其进行了归纳分析。结果表明:加砂油井水泥石在110~210℃温度下服役,可长期保持较好的抗高温性能;在210~300℃静态水环境下,通过调整石英砂级配和掺量可延缓水泥石高温下力学性能的衰退;地层温度超过300℃且处于动态水环境时,由于SiO2大量溶出,加砂油井水泥石难以满足热采井固井质量要求。此外,基于对加砂水泥石硅溶出、水化产物脱钙现象及硬硅钙石晶粒形貌变化的分析,探讨了加砂油井水泥石高温力学性能失效作用机制,并提出了改善其高温力学性能的技术措施。      

稠油热采固井技术实现新突破——新型抗高温水泥体系辽河油田应用成功

（通讯员黄盛）在稠油热采井开发过程中,注入地层的蒸汽温度可达300℃-350℃,传统G级水泥在高温条件下的强度衰退一直是困扰稠油热采井生产的一大难题。此外。即便采用G级加砂体系,加砂水泥石在几个热采周期后强度仍然会出现衰退,水泥石变得极为疏松,导致水泥环产生破坏,层间封隔失效,引起套管损坏。     

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.     

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。      

纳米SiO_2溶胶缓解油井水泥高温强度衰退的作用机理

油井水泥石强度衰退是高温固井所面临的主要难题之一,而添加纳米SiO_2能否缓解水泥石的高温强度衰退以及其作用机理是什么,还有待于验证和确认。为此,通过室内试验,基于X射线衍射仪、扫描电子显微镜和能谱仪分析水泥石的矿物组成、微观结构和水化产物的元素,测定了高温条件下(150℃/35 MPa)纳米SiO_2溶胶对G级油井水泥石抗压强度的影响及变化规律,据此研究纳米SiO_2溶胶在高温下对水泥水化产物的作用机理。研究结果表明:①纳米SiO_2溶胶可以提高G级油井水泥浆的稠度系数,对水泥浆的流变性会产生不利的影响;②在高温养护初期,纳米SiO_2溶胶会降低水泥石的抗压强度,但加入纳米SiO_2溶胶的水泥石的抗压强度不会随着养护时间的增加而产生明显的变化;③加入少量纳米SiO_2溶胶的G级油井水泥中的纳米SiO_2颗粒吸附在水泥矿物表面阻碍水化反应,能够缓解水泥水化产物的高温脱水变质,纳米SiO_2颗粒还可以提高水泥微观结构的致密性;④加入大量纳米SiO_2溶胶的G级油井水泥中的纳米SiO_2与氢氧化钙发生火山灰反应生成一种新型的、结构松散的薄片蜂窝状CSH产物,难以提供较高的抗压强度。结论认为,纳米SiO_2可以作为水泥添加剂以缓解油井水泥高温强度衰退,该研究成果为高温固井水泥浆体系的设计提供了一条新的思路。     

钙质晶须在高温加砂水泥中的增强性能研究

为满足稠油开采对油井水泥石高温力学性能的要求,探索了钙质晶须在油井水泥及高温加砂水泥中应用的可行性。首先研究了80℃下硫酸钙晶须(CSW)及两种自制钙质晶须(GZWS和GZWL)对油井水泥石的增强增韧效果,并在此基础上,通过干热养护方式(600℃煅烧6 h)考察了5% GZWL对加砂水泥石的增强效果。结果发现,CSW对油井水泥石无增强增韧作用,而GZWL和GZWS的增强增韧效果明显,且长径比大的GZWL优于GZWS。随GZWL加量增大,油井水泥石的抗压强度和冲击韧度增大,当加量为5%时,1,3,7和28 d水泥石的抗压强度较净浆水泥石分别提高了18.7%,42.4%,20.6%和20.7%,冲击韧度较净浆水泥石分别提高了6.8%,7.0%,12.8%和13.0%;该加量下干热养护后的水泥石抗压强度较纯加砂水泥石提高了108.0%。研究结果表明,晶须表面性质(亲水性)是保障其与水泥石基体良好胶结并发挥其作用的前提,晶须长径比越大,增强效果越显著,故GZWL能有效抑制加砂水泥石的高温强度衰退。      

一种油井水泥石高温稳定剂

针对普通加砂水泥石经受高温后抗压强度衰退的问题,研发出一种油井水泥石高温稳定剂,该稳定剂对水泥浆的稠化时间、水泥石常温强度发育、流变性无副作用,与油井水泥外加剂配伍性良好,形成的水泥石高温下（320℃、450℃）抗压强度不衰退,优于加砂水泥石及超细二氧化硅水泥石。同时加入高温稳定剂的水泥浆还具有很好的胶结强度,约是加砂水泥石环的4倍,超细二氧化硅水泥石环的3.5倍。该高温稳定剂在蒙古林油田现场应用2口井,整个施工过程顺利,固井质量较好,一二界面胶结质量良好,具有良好的应用前景。     

一种油井水泥石高温稳定剂

针对普通加砂水泥石经受高温后抗压强度衰退的问题,研发出一种油井水泥石高温稳定剂,该稳定剂对水泥浆的稠化时间、水泥石常温强度发育、流变性无副作用,与油井水泥外加剂配伍性良好,形成的水泥石高温下（320℃、450℃）抗压强度不衰退,优于加砂水泥石及超细二氧化硅水泥石。同时加入高温稳定剂的水泥浆还具有很好的胶结强度,约是加砂水泥石环的4倍,超细二氧化硅水泥石环的3.5倍。该高温稳定剂在蒙古林油田现场应用2口井,整个施工过程顺利,固井质量较好,一二界面胶结质量良好,具有良好的应用前景。      

高温多功能防气窜水泥浆体系在四川盆地海相超深井中的成功应用

针对四川盆地海相高温、高压、高含硫超深气井所面临的高温水泥浆沉降、气窜、水泥石强度衰退等主要固井技术难题,基于高温高压稠化仪模拟沉降稳定性评价方法、颗粒级配原理优选体系稳定材料,采用直接测定气窜和塑性态渗透率为辅助手段的防气窜评价方法优选防气窜材料,基于乌氏黏度计法的聚合物耐温能力评价方法来优选高温缓凝剂,采用正交法测试、热重法辅助分析180℃高温养护后水泥石抗压强度,优选高温稳定剂石英砂粒径和加量,研究出水泥浆和水泥石性能良好的胶乳弹韧性和低渗透防窜水泥浆体系。结果表明,①水泥浆体系在密度为1.90~2.30 g/cm3、温度为150~180℃范围内具有良好的工程性能和应用前景,为解决该类固井技术难题奠定了基础;②加砂可缓解水泥石强度衰退,高温下,加砂量与抗压强度呈正向关系,相同加砂量下,只加细砂强度表现更优,但长期强度增加幅度不如粗砂;建议150℃和180℃时,硅砂加量分别大于35%和45%;③基于乌氏黏度计法的聚合物耐温能力评价方法能有效评价降失水剂和缓凝剂的抗高温能力,是快速筛选高温井关键处理剂的重要辅助手段;④建议进一步开展H₂S介质等酸性气体对水泥石的腐蚀评价,有利于合理设计防气窜防腐水泥浆体系。      

SiO2晶态物性对高温水泥石力学性能的影响

油井水泥石高温力学性能衰退会对深层油气井安全性及服役寿命造成很大影响。研究水泥石高温强度衰退规律将有助于改善水泥石的长期高温力学性能。硅溶出是造成水泥石高温力学性能衰退的主要原因之一,但未引起重视。重点研究了温度对不同晶态硅溶解度的影响,并结合高温加砂水泥石抗压强度进行分析。结果表明,硅溶解度随温度上升而增加,相同温度下非晶硅的溶解度远大于晶体硅;随硅溶解度的增大,水化前期的硅溶解促进水泥石早期高温抗压强度发展,高温反应后期水化产物会发生硅溶出,造成水泥石高温强度衰退;静态水中水泥石高温抗压强度比动态水中更高且更加稳定;养护环境中硅饱和程度高,水泥石的高温力学性能更稳定。从高温硅溶出角度分析,以晶体硅为主,少量非晶硅为辅的不同晶态硅将有助于保持水泥石高温力学性能稳定。      

青海共和盆地干热岩GR1井超高温固井水泥浆技术

固井是保证干热岩全生命周期井筒质量的关键环节。通过研究共和盆地干热岩地质特征和赋存条件,提出了干热岩固井的主要技术难点。针对干热岩高温固井问题,研制出了高温缓凝剂BCR-320L,优选抗高温降滤失剂BXF-200L（AF）,探索了不同硅粉加量下水泥石强度的衰退机理,形成了干热岩超高温水泥浆体系。实验结果表明,该水泥浆可以满足循环温度为200℃的固井要求,水泥浆稠化时间可调,具有良好的流变性能,在200℃下强度不衰退,72 h抗压强度可达44.1MPa。该水泥浆在青海共和干热岩GR1井中成功应用,现场固井施工顺利,裸眼段固井质量优质,为后续干热岩固井的施工提供了一定的借鉴。     

硅砂对稠油热采井水泥石强度影响的室内试验

为了满足稠油热采对固井水泥石的要求,模拟稠油热采固井水泥常温凝固、高温热采这一特殊的地层环境,先将水泥浆在70℃下常压养护3d后再进行高温高压养护。通过研究不同热采温度下硅砂粒径对水泥石强度发展的影响,以及不同钙硅比在不同的高温梯度下对油井水泥石强度衰退的影响,从机理上阐述了硅砂粒径及钙硅比能提高硅酸盐水泥石强度和热稳定性的原因,找到了最佳的硅砂粒径和合适的钙硅比,为进一步选择和设计稠油固井水泥浆体系提供了依据,对稠油油藏的开发开采具有重要意义。