玻璃纤维对硫铝酸钙水泥石力学性能的影响

随着油气田开采难度和井下情况复杂化程度的增加，常规水泥环易发生脆裂，进而影响水泥环的层间封隔作用，影响井筒完整性。硫铝酸钙水泥是一种性能优良的固井水泥材料，为了了解硫铝酸钙水泥在固井工程中应用的潜力，制作了玻璃纤维增强硫铝酸钙水泥石（CSA/GRC）样品，利用X射线衍射法分析不同龄期硫铝酸钙水泥的晶体水化产物；通过三轴应力-应变实验，测试CSA/GRC固井水泥石的力学性能；采用扫描电子显微镜观察CSA/GRC固井水泥石断裂面的微观形貌，分析玻璃纤维在硫铝酸钙水泥石中的增韧机理。研究结果表明:CSA/GRC固井水泥石具有良好的韧性和力学形变能力，轴向抗压强度和极限应变值比常规玻璃纤维固井水泥石分别提高了约45%和300%；玻璃纤维与硫铝酸钙水泥体系之间有良好的复合能力，纤维抗腐蚀性能强；通过应力分散作用和桥联作用，玻璃纤维可约束裂缝的进一步扩展，从而提高固井水泥石的韧性。     

三高条件对弹韧性水泥浆性能的影响及短期腐蚀机理

针对固井水泥石所处的高温高压含H2S/CO2腐蚀环境以及复杂工况，开展三高条件下弹韧性水泥浆的性能变化及短期腐蚀机理研究。基于弹韧性外掺料的3种主要类型，采用向G级油井水泥中分别加入10%橡胶粉末、0.3%玄武岩纤维以及10%丁苯胶乳的方式制备弹性水泥浆。通过力学性能测试、XRD、FTIR、MIP及SEM-EDS测试，分析弹韧性材料添加前后及腐蚀前后，水泥石的力学性能、孔径分布、水化产物类型及微观结构变化。结果表明，掺入3种弹韧性材料均有利于水泥石的脆度系数降低、韧性提高，其中玄武岩纤维最利于控制材料破坏时裂缝的发展，而丁苯胶乳最利于降低材料的弹性模量和保持较大的抗折强度。经过短期液相腐蚀后，水泥试样的力学强度均出现增长，特别是掺入玄武岩纤维和丁苯胶乳的试样。玄武岩纤维在该研究中的腐蚀条件下性能稳定，腐蚀反应生成的致密碳酸钙晶体堆积于玄武岩纤维与水泥基质界面孔隙处，引起了腐蚀后材料总孔容的减小及力学强度的大幅度增长。丁苯胶乳在水泥石中形成聚合物膜，覆盖及包裹水泥基质，可提高复合水泥表面的耐腐蚀性能。     

陆相页岩气水平井中增韧防气窜固井水泥浆体系的研究

针对陆相页岩气水平井固井低压易漏、大型多级压裂对水泥环韧性要求高等特点,研发了增韧防气窜固井水泥浆体系。首先,通过套管-水泥环-地层的地质力学模型,确定了页岩气井固井水泥石的力学性能要求;然后,通过水泥石的室内力学实验,优选了增韧剂的类型,优化了增韧剂和其他外加剂加量范围,确定了增韧防气窜水泥浆体系配方;最后通过室内实验评价了固井水泥浆体系综合性能,实验结果表明:增韧防窜水泥浆体系稠化过渡时间1 min,滤失量控制在20 m L以内,SPN值小于1,防窜性能好,制成的水泥石弹性模量较常规水泥石降低了27.5%,抗折强度增加了53.5%,渗透率降低了46.9%,韧性良好。所提出的增韧防气窜固井水泥浆体系能够满足页岩气水平井多级大型压裂增产改造的需要。     

胶乳水泥在大位移井中的性能

大位移井固井水泥浆凝固时易在环空上侧形成游离液通道,同时,由于重力作用,环空上下侧容易形成密度差,使得环空上侧形成的水泥石强度低、渗透率高,极易破碎而引发窜流,严重影响固井质量以及后续增产作业。采用新型胶乳BCT-800L,设计了一种零析水,低失水,24h抗压强度大于21 MPa,渗透率低于0.001×10-3μm2的胶乳水泥配方,并利用三轴岩石力学测试系统和环境扫描电子显微镜,分析了大位移井水泥石的力学形变行为以及微观形貌。实验结果和初步机理分析发现,胶乳通过胶结方式转变,运移阻滞和高分子网架成膜等机理有效提高大位移井固井液的稳定性,减小水泥环上下侧差异,降低水泥石渗透率,提高水泥石的韧性,有效防止油气、水窜的发生。     

超细防气窜水泥浆在华北油田潜山井的应用

华北油田冀中探区潜山油气藏井底温度高达170℃,注水泥作业难度大,部分天然气井或含气油井由于水泥与地层界面胶结质量较差,发生层间互窜现象,造成能源流失和油气井产量下降。超细防气窜水泥浆体系具有防气窜、低密度、低失水、抗水泥石高温强度退化等优点,适用于超深油气井注水泥作业。在现场应用中,该体系成功地完成了多次固井注水泥作业和打塞注水泥作业,解决了超深天然气井固井技术难题。     

一种溶黏型仿生自愈合水泥浆体系

随着固井水泥浆技术的发展，固井自愈合技术已然成为预防和治理油气窜、提高水泥环长期密封能力最为有效的技术之一。针对固井水泥环长期密封性能失效引发的环空油气窜技术难题，基于“先防后堵”的技术思路，从化学仿生的角度，研发了一种溶黏型仿生自愈合水泥浆体系，分别评价了该仿生自愈合水泥浆体系工程性能和凝固后的自愈合水泥石力学性能，并通过劈裂造缝的方式，评价了自愈合水泥石在甲烷养护条件下的力学性能恢复能力和渗透率的降低率。最后通过SEM微观测试和红外光谱分析了该自愈合水泥的愈合机理。研究结果表明：(1)水泥石力学性能优异，在抗压强度降低15%的情况下水泥石弹性模量减少41%，显示出良好的韧性，起到了“先防”的作用；(2)破坏后的水泥石遇烃激发，能生成一种溶黏型凝胶状酯类物质，重新黏合水泥石骨架，自愈合水泥石在甲烷养护条件下抗压强度恢复率达94.5%，抗折强度恢复率达58.6%，气测渗透率降幅为99%，液测渗透率降幅为100%，起到了“后堵”的作用。结论认为，溶黏型仿生自愈合水泥浆体系可有效实现固井完整性并在水泥环破坏后通过自愈合实现长期密封完整性，为防止环空异常带压这一油气井生产安全隐患提供了有力的...     

“双防”水泥浆在JS油田中深井固井中的应用

针对JS油田在中深井固井中存在的问题,以及油田开发中采用稳产增产措施对中深井固井质量提出的更高要求,在室内进行了大量的实验研究,优选出防窜、防水泥石脆裂的"双防"水泥浆体系。现场应用表明:该水泥浆体系具有良好的稳定性、较好的失水控制能力和很好的防窜效果,水泥环具有良好的韧性,可实现不同层系之间,尤其是薄油层之间的有效封隔,提高JS油田中深井固井质量。     

热采井固井水泥添加剂研究

为了满足稠油热采工艺对油井固井水泥石强度的要求，通过对固井水泥石强度耐高温机理的分析，以及硅粉水泥浆耐高温试验，硅粉水泥浆与添加剂性能试验，耐高温低密度水泥浆性能试验，筛选出较为适宜的热采井固井水泥添加剂及其适用配比，较好地改善了固井水泥石的耐高温强度。     

固井水泥石三轴力学试验的试样制备方法

固井水泥石力学性能直接关系到水泥环的长期密封效果。获取固井水泥石的力学性能参数主要通过三轴力学试验进行，有效制备试样对固井水泥石三轴力学试验研究乃至水泥环完整性分析至关重要。基于固井水泥石三轴力学试验试样的特殊性，设计探索了正方体水泥石养护成形后取心的正方体取心制样以及借助于模具一次养护成形制样等2种试样制备方法；研制了用于模具养护制样方法的?25.4 mm×50.8 mm小试样和?50.8 mm×101.6 mm大试样2套圆柱形水泥石养护模具；通过散点分布、均方根误差分析、标准差分析等对比研究了56组不同制样方法获取试样的力学试验数据，结果表明，小试样模具制样养护方法在数据可靠性、制样效率及成本等方面均优于其他方法，推荐作为固井水泥石三轴力学试验试样制备方法。     

固井水泥石蠕变试验研究

本文用自行设计制作的蠕变试验架对四川嘉华75℃油井水泥进行了蠕变试验研究,内客包括:绘制固井水泥石的蠕变曲线;确定固井水泥石的蠕变模型;用非线性最小二乘曲线拟合法拟合了蠕变参数。所得结果可用来分析粘弹性围岩中套管的围压。同时还试验了水灰比、含盐量、含砂量及其它外加剂含量对固井水泥石蠕变性能的影响,这对降低套管围压及防止套管损坏具有一定参考价值。     

GJ-1保护气层防气窜水泥浆体系研究

分析了低渗透气田气层对水泥浆性能的要求和水泥浆抗气窜水泥浆体系。对该水泥 本系从宏观到微观，从水泥浆性质到水泥石特性进行了试验。结果表明，GJ－1水泥外加剂调整了水泥石内部的微观结构，提高了水泥石的韧性和抗冲击性；低失水量降低了水泥浆对产层的污染性；该水泥浆体系具有塑性胶乳特性，可使水泥浆具有良好的束缚自由水和固相微粒的能力和提高界面胶结的能力，在低失水量条件下具有形成致蜜坚韧的胶膜的特性，使水泥浆在候期间具有较强的防止地层流体窜入环空的作用，降低了水泥石的弹性系数，改善了水泥石的抗冲击韧性，提高了气层的封固质量，能防止油气水容，保护油气层。     

防气窜泡沫水泥浆的研究与应用

长庆气田属低压低渗透气田．气层多．含气井段长，压力梯度不等，固井时易发生气侵窜槽．造成水泥石界面胶结不良。针对长庆气田的特点，研究出了防气窜泡沫水泥浆，外加剂由氮气发气剂GFQ-1和GFQ-2、稳泡剂GWP和缓凝剂GH-2组成，GFQ-1和GFQ-2与GWP之问的最佳比例为4g：5mL；8mL。现场试验表明，GFQ-1与GFQ-2的反应平稳，气体量易控制；泡沫封闭稳定，渗透率低，泡沫细小、均匀．不易破裂．在浆体中均匀分布；浆体稳定性和流动性好．游离液为零；水泥石抗压强度高。水泥浆密度低；水泥浆具有可膨胀性和可压缩性．直角稠化，水泥石胶结强度高，可有效防止油气水窜．防气窜泡沫水泥浆配方简单．施工方便，成本低。气层井段优质率为87％，合格率为100％。     

DRK韧性水泥浆体系的研制

为了提高油井水泥环抗射孔、压裂等动态冲击能力,提高水泥环射孔后层间密封能力,进行了提高水泥石韧性试验研究。研制出了抗冲击韧性水泥外加剂。该外加剂主要是在胶联剂的作用下通过高分子聚合物型增韧剂提高水泥石的韧性和变形能力,并在室内进行水泥浆常规性能评价试验基础上,利用材料动态力学性能测试装置和射孔模拟实验装置进行了抗射孔冲击能力的评价试验和现场射孔对比试验。试验表明,DRK韧性水泥浆具有速凝、早强、低失水和"直角稠化"的特性,有利于防止和控制水、气窜的发生,不仅能有效地提高固井质量,而且能够提高水泥环的抗射孔(或压裂)冲击能力,有利于延长油井寿命,提高产能。     

纤维水泥浆防窜性能实验

针对固井过程中的气窜及开发过程中“二次窜流”等问题，在碳纤维水泥浆体系防窜性能研究的基础上，进行了纤维水泥浆的析水率（自由水量）、水泥石胶结强度及渗透率等实验研究。结果表明：纤维可以有效地增强水泥石的胶结强度、降低水泥石的渗透率、增加水泥的致密性，在合理长度和掺量条件下可以形成零析水率的纤维水泥浆体系；膨胀剂在固井工程中虽然可以满足特定情况下的施工要求，但是它会使水泥石的渗透率增加即密封性变差。综合分析结果认为，适当长度和掺量的纤维水泥浆体系既可以提高水泥石的抗压强度、改善水泥石的韧性，又可以有效地提高水泥浆的防窜性能。     

歧深1井高温深层小间隙尾管固井技术

歧深1井尾管裸眼封固段油气活跃、温度高、环空间隙小，在固井过程中易出现层间互窜、顶部水泥石超缓凝等复杂情况。针对以上难题开展了技术攻关，提出综合采用套管居中、井眼清洁及界面清洗、隔离液、防窜水泥浆及动态压力平衡固井技术。该套技术的运用，确保了该井Φ177.8 mm和Φ127 mm尾管固井环空水泥环分布均匀，且现场施工作业安全顺利，有效地解决了歧深1井尾管固井过程中易出现层间互窜、施工泵压过高（易压漏地层）、顶替效率差、水泥环薄且分布不均匀、顶部水泥石易超缓凝等问题。施工结束后候凝24 h测井固井质量合格。     

苏里格气田分层压裂段固井水泥浆体系的研究与应用

针对苏里格气田部分井压裂施工过程中出现的天然气窜槽问题,通过实验优选出性能良好的胶乳与外加剂,研发出防气窜高强度水泥浆体系。室内评价结果表明,该体系在不同温度下游离液低、流变性能好,水泥石抗折强度较常规水泥石提高了10%左右,48 h最大抗压强度29.5 MPa。现场试验3口井,储层段第一界面优质率100%,第二界面优质率大于94%,压裂施工中压力正常,未出现环空窜流,满足了苏里格气田分层压裂对环空水泥石完整性的要求。     

自愈合水泥浆体系在四川地区的应用

针对油气井开发过程中水泥环受损产生裂缝而破坏固井封隔效果,以烃触发溶胀型聚合物为自愈合乳液粒子,形成自愈合水泥浆体系。结果表明,自愈合乳液粒子的粒径在200～250 nm,其加量为10%时水泥石吸油愈合效果及机械性能较佳;8 d内水泥石裂缝愈合率达70%～100%,2 d抗压强度为16.2 MPa,弹性模量为6 GPa;渗流实验结果表明,水泥石出现大于0.1 mm裂缝时,柴油气流速由9 g/min降至6 g/min,小于0.1 mm的裂缝时柴油流速由6 g/min可降低为0。说明自愈合水泥石一旦产生损伤,裂缝中渗入的油气分子使自愈合乳液粒子自发膨胀黏连并逐步修复闭合裂隙,裂缝越小自愈合效果越好,实现了水泥石自愈合修复功能。现场应用表明,该水泥浆体系固井质量优质率达到 88.9%,固井及压裂后技术套管均不带压,显示出良好的应用效果。      

水泥浆防窜性能实验评价及其应用

固井防窜一直是困扰石油工业多年的问题,因水泥浆候凝期间的环空有效静液柱压力不断降低,在其降低到地层流体压力之后,水泥浆能不能抵御地层气体对其液相的置换是固井防窜的关键。为此,从水泥浆窜流能力评价方面着手, 结合现场井况和固井工艺的水泥浆窜流试验方法,对目前常用的一些防窜材料,诸如成膜类、AMPS合成共聚物类、改性纤维素类降滤失剂及胶乳、膨胀剂、微硅等的窜流性能进行了评价。结果表明：在不同条件下各类外加剂的防窜特性不一,低温下成膜聚合物水泥浆的防窜性能有一定保障,但随着温度的升高,其性能就会受到一定影响;胶乳水泥浆体系的防窜能力相对较稳定,在不同条件下保证胶乳的有效掺量就可以保障水泥浆的防窜性能。实验评价结果在川渝地区、长庆苏南、吐哈鲁克沁、玉门酒东等气田进行了超过150口井的胶乳水泥浆现场应用,未发生窜流,固井效果良好。     

玄武岩纤维对铝酸盐水泥石性能的影响

为进一步改善稠油热采井固井用铝酸盐水泥石的性能，研究了玄武岩纤维对水泥石性能的影响。通过测试水泥浆工程性能、水泥石力学性能及渗透性，结合扫描电镜（SEM）分析其微观结构，探讨了玄武岩纤维增强铝酸盐水泥石力学性能的作用机理。结果表明:铝酸盐水泥中掺入适量的玄武岩纤维，低温常压环境下，水泥浆的工程性能变化不大，纤维水泥石力学性能有效提高，具有明显的韧性；高温高压环境下，纤维水泥石强度、渗透性保持稳定，具有良好的耐高温性能。观察水泥石微观形貌并分析纤维作用机理发现:铝酸盐水泥石中的玄武岩纤维稳定存在，水泥石的微观孔结构得到改善，微裂纹的产生和发展得到控制，纤维与水泥水化产物紧密黏结，起到了阻裂作用，纤维脱离黏结和拔出，增加了水泥石的断裂能，从而实现了玄武岩纤维对固井用铝酸盐水泥石性能的改善。     

华北油田复杂井固井技术

针对华北油田二连阿南，哈南高压注水采油区块和冀中潜山深井区块固井难度大和固井质量差等问题。华北石油管理局钻井工艺研究院在二连地区采用早强，膨胀和低失水水泥浆，并配合使用套管外封隔器，两凝固井工艺技术。解决了低温高压注水调整井固井作业中存在的问题，提高了固井质量；在冀中地区采用低密度，高强度，零析水，成膜型降失水水泥浆，配合采用双压双凝固井工艺技术，有效防止了井漏，油水互窜等井水复杂事故，提高了固井质量。早强，膨胀和低失水水泥浆低温早强，失水量小于200mL，在凝结过程中能产生有效膨胀，初凝和终凝时间较短，能有效防止气窜及油水互窜，成膜型降失水水泥浆失水量小于100mL，密度和稠化时间易调；有机塑性高分子胶粒在水泥凝结过程中由于被压缩而微膨胀，能有效补偿水泥石孔隙压力，达到防窜，改善水泥石韧性和变形能力的目的。