CO_2腐蚀油井水泥石的深度及其对性能的影响

利用显微镜等仪器检测了CO2对油井水泥石的腐蚀深度,研究了CO2对水泥石的腐蚀深度及其对工程性能的影响。结果表明,水泥石的腐蚀深度随温度、CO2分压及腐蚀时间的增加而增加,可以依据腐蚀深度分别与温度、CO2分压及腐蚀时间之间存在的函数关系建立腐蚀深度计算模型;腐蚀深度可作为评价腐蚀程度的指标,利用腐蚀深度计算模型可对水泥石长期受腐蚀程度进行评价和预测;组成不同的水泥浆,水泥石腐蚀深度、强度降低率及渗透率增量不同,强度降低率及渗透率增量与腐蚀深度间的变化趋势也不同;改善体系组成提高体系初始强度及抗渗透能力能提高水泥石的抗腐蚀能力。设计出了适用于大庆油田120～150℃的深井固井用水泥浆配方。     

抗腐蚀水泥浆体系研究

CO2、H2S等酸性腐蚀介质对油气井水泥环密封效果的影响,会导致套管腐蚀,减少油井寿命,为了改善和提高水泥石在酸性介质下的长期结构完整性和密封性,研究了抗腐蚀水泥浆体系.通过室内试验,对9种配方水泥浆成型后的水泥石块进行了不同龄期的CO2、H2S腐蚀,测定其抗压强度、渗透率和腐蚀深度,并进行了反光显微镜、X射线衍射分析.优选出了抗腐蚀水泥浆主要添加剂WG,同时对井下水泥石腐蚀机理进行了探讨,通过综合分析,优选出了抗腐蚀的低密度水泥浆配方,该抗腐蚀水泥浆体系不但具有抗腐蚀性,还具有良好的防气窜、降自由水、浆体稳定等综合性能,可满足不同井深条件下的固井作业需要.     

固井水泥石抗腐蚀性能的研究

许多油田在开发过程中,都遇到了地层中含有的诸如CO2和H2S等腐蚀性介质影响油井水泥环密封效果的问题,加强抗腐蚀水泥外加剂和水泥浆体系的研究变得至关重要.从水泥石腐蚀机理的研究出发,通过试验优选出了抗腐蚀性水泥填充料WG.WG的主要成分为非晶态SiO2,具有粒细(平均粒径约为0.1 μm)、比表面积大、活性高等特点.另外,选用不渗透剂G60S和硅粉,可以提高水泥石密实度,降低水泥石渗透率,从而提高水泥石的抗腐蚀性.通过对9种配方水泥浆固化体进行不同龄期的CO2、H2S腐蚀,测定水泥石腐蚀后的抗压强度、渗透率和腐蚀深度,进行反光显微镜、X-射线衍射分析,比较了填充料WG水泥浆、现场水泥浆、纯水泥浆固化体的抗腐蚀性,优选出了抗腐蚀高密度和低密度水泥浆配方.该抗腐蚀水泥浆体系不但具有抗腐蚀性,还具有良好的防气窜、降低自由水、稳定浆体等综合性能,可以满足不同井深条件下的固井作业需要.     

气态二氧化碳对气井固井水泥石的腐蚀分析

通过分析和测量水泥石腐蚀后的微观结构、抗压强度、渗透率以及腐蚀量,研究了不同分压、时间、温度下CO2腐蚀对水泥石性能的影响。结果表明:CO2对水泥石产生腐蚀作用的本质在于CO2与水泥的水化产物相作用生成CaCO3等物质,破坏了水泥石的原有组成和微观结构,导致腐蚀后水泥石的抗压强度下降,渗透率增大;随着腐蚀时间、CO2分压和腐蚀温度的增加,腐蚀后的水泥石抗压强度降低、渗透率增大、腐蚀率增加。提出了设计抗CO2腐蚀性固井水泥浆体系的基本方法。研究气态CO2对水泥石的腐蚀规律,对于开发和设计抗CO2腐蚀性固井水泥浆体系、提高油气田开发效益等都具有重要意义。     

SO42?和HCO3?对油井水泥石的侵蚀研究

利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、强度检测仪检测受腐蚀水泥石的产物、微观结构及抗压强度,分析调整井三次采油过程中HCO3? 和SO42?共同作用下油井水泥石的腐蚀作用,研究腐蚀对强度产生的影响规律,为合理设计抗腐蚀水泥浆体系提供基础。结果表明:38~60 ℃条件下,SO42?与HCO3?协同侵蚀作用下,水泥石的主要腐蚀产物为石膏、钙矾石和方解石,水泥石物质组成及微观结构被改变,侵蚀后水泥石的强度比SO42?或HCO3?单独腐蚀时更低;腐蚀达到及超过21 d时,水泥石强度低于未腐蚀水泥石,随腐蚀时间的延长及混合液浓度的增高,强度大幅度下降;腐蚀14 d以内时,腐蚀后水泥石的强度随温度升高呈增加趋势,腐蚀达到及超过21 d时,随温度升高水泥石强度呈下降趋势。     

油井水泥用RF抗腐蚀材料

为了提高水泥石在酸性介质下的长期结构完整性和密封性，试验优选了抗腐蚀材料RF，并对成型后的水泥石块进行了不同龄期的CO2、H2S腐蚀试验，测定了其外观的变化、腐蚀深度和抗压强度，对水泥石样品进行了扫描电镜、X-射线衍射分析。结果表明：RF抗腐蚀材料能够明显地改善水泥石的抗腐蚀性能，并且所开发的抗腐蚀水泥浆体系具有良好的防窜、低失水、浆体稳定等综合性能。     

无固化剂水性树脂提高固井水泥石抗腐蚀性能

含CO₂油气井、CO₂地质封存井等特殊工况对水泥石的抗腐蚀能力要求高。为提高固井水泥石的抗腐蚀能 力,选择了一种无固化剂水性树脂作为防腐材料,分析了水性树脂提高水泥石的防腐能力和作用机理。结果表 明,树脂可有效提高水泥石的抗腐蚀能力。腐蚀28 d 后,水性树脂掺量15%的水泥石腐蚀深度比空白水泥石下 降了68.7%,腐蚀后的抗压强度比未腐蚀的下降了12.8%。树脂掺入水泥浆不仅降低了水泥石的渗透率,而且降 低了水泥石的大孔径体积,增大了CO₂水溶液腐蚀的流动阻力。树脂掺入水泥浆后减少了水泥石腐蚀产物的形 成。掺入树脂的水泥石微观结构致密程度更高,内部存在的膜状物质提高了腐蚀反应的惰性。无固化剂水性树脂 通过降低碱性水化产物形成、提高酸性流体渗入阻力以及增强腐蚀反应惰性多种方式提高水泥石的抗腐蚀能力。     

利用水溶性聚合物防止油井水泥H2S腐蚀的研究

基于水泥石防腐机理,合成出一种水溶性低分子聚合物FH,其遇强酸固化成膜.将FH加入水泥浆后,能有效阻止H<,2>S气体的入侵.对常规水泥、加砂水泥和掺有水溶性聚合物FH的加砂水泥进行H<,2>S腐蚀试验,测定水泥石被腐蚀7 d后的外观变化、腐蚀深度和抗压强度的变化,通过扫描电镜观测、X-射线衍射分析研究了水泥石受腐蚀后的微观结构与成分.结果表明:水溶性聚合物FH能够明显地改善水泥石的抗腐蚀性能,与石英砂复配使用能达到较理想的防H<,2>S腐蚀效果,腐蚀7 d后水泥石抗压强度变化率仅为5.2%;FH的配伍性好,能与多种外加剂配伍使用,除对早期强度略有影响外,对水泥浆体系无较大影响,掺有水溶性聚合物FH的加砂水泥浆综合工程性能良好.     

硅灰对油井水泥抗腐蚀能力的影响

高矿化度地下水和高合CO2、硫酸盐还原菌的地下水,通过溶蚀、化学和膨胀对水泥石进行腐蚀,减低油井寿命。通过特性分析,认为改善水泥石的渗透性,降低水泥石中Ca(OH)2的含量,能从本质上提高水泥石的抗腐蚀能力。在水泥中加入一定比例的硅灰后,使水泥石中Ca(OH)2含量降低,另外,也改变了水泥体系的钙硅比和水化产物的组分,使水泥石结构均匀、致密、孔隙孔径变小、孔隙度降低,使水泥石强度增加,渗透率降低,从而提高了水泥石的抗腐蚀能力。     

高H_2S气体环境下固井水泥石防护技术研究

为了改善油井水泥石在高H_2S气体环境下抗腐蚀能力,提高水泥石长期密封完整性,采用无机超细硅质材料和聚合物防腐材料复配的方式,形成了防腐蚀复合材料WJ-1。通过对水泥基浆、加有复配的防腐蚀材料的水泥浆体系进行了H_2S腐蚀性能评价,测定了腐蚀前后水泥石抗压强度、渗透率等性能和微观形貌及腐蚀物相分析。结果表明,液相腐蚀比气相腐蚀更严重;抗腐蚀复合材料WJ-1提高了水泥的紧密堆积和密实度,降低了钙硅比和水泥石的渗透率,能够明显增加水泥石的抗H_2S腐蚀能力,并且所开发的抗腐蚀水泥浆体系具有良好的流变、稳定、抗温、防窜、低失水等综合性能。     

累积工况下CO2对稠油热采水泥石的修复作用

根据稠油火烧水泥石在井下先经历蒸汽吞吐、蒸汽驱,再经历稠油火烧的实际工况,利用超高温水泥石养护装置及高温高压腐蚀釜,研究累积工况下CO₂对水泥石抗压强度及腐蚀深度的变化规律;同时,利用XRD和SEM等技术探明了CO₂对水泥石化学结构及微观形貌的影响。实验结果表明,水泥石经常温及高温养护后呈现高孔渗、低强度的特征,但累积工况下经CO₂腐蚀釜养护后,抗压强度不减反增,到28 d时已升至53.4 MPa,较蒸汽驱后提高了54.87%;而随着CO₂腐蚀龄期的延长,水泥石腐蚀深度逐渐加深,结构更为致密,且28 d后已被完全碳化。究其原因,水泥石经CO₂腐蚀后,腐蚀产物CaCO₃溶解度较低,并在孔隙中沉淀结晶,堵塞毛细孔或将大孔分割成小孔,使水泥颗粒密实度提高。该研究结果可进一步丰富业界对CO₂腐蚀的认识,同时也为稠油火烧水泥浆体系的性能评价、配方优化提供参考。      

高温高密度防腐水泥浆加重剂研究

针对富含CO₂的高温高压油气井中水泥环的腐蚀问题,进行了高温高密度防腐水泥浆体系加重剂的研究,并对比了相同粒度的锰矿粉、赤铁矿和重晶石3种加重剂对水泥浆性能的影响,在150℃、CO₂分压20 MPa的环境下进行了腐蚀实验。研究结果表明,锰矿粉水泥浆需水量最少,相同条件下具有较好的流变性和较低的失水量;锰矿粉水泥石腐蚀后渗透率最小,抗压强度较高;腐蚀30 d后,锰矿粉水泥石腐蚀深度最低,重晶石水泥石的腐蚀深度约为锰矿粉水泥石的1.5倍;腐蚀后锰矿粉水泥石结构最致密,腐蚀后生成物的特征峰最低;锰矿粉加量为25%、50%和75%的3种水泥石腐蚀27 d后,加量为50%的水泥石腐蚀深度最小。与赤铁矿和重晶石相比,锰矿粉为较好的选择,但加量过多时会对水泥浆防腐蚀性能产生不利影响。     

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。      

CO2液相及气相下铝酸盐水泥石强度发展规律

火烧油层工况下,固井水泥石服役温度高达500 ℃以上。硅酸盐水泥难以在此温度范围下稳定存在,同时井内伴生大量腐蚀性气体。因此,研究了矿渣改性铝酸盐水泥（CAC）力学性能的可行性,同时模拟火烧油层实际工况,探究了改性铝酸盐水泥石强度发展规律。采用X射线衍射仪、扫描电子显微镜等测试了腐蚀前后改性铝酸盐水泥石的物相组成和微观形貌特征,分析了模拟火烧油层工况下改性铝酸盐水泥石的强度发展规律。结果表明,随着矿渣掺量的增加铝酸盐水泥石抗压强度出现先增加后降低的趋势,且当矿渣掺量为30%左右时其改性效果较好。在50 ℃液相环境下,水泥石被腐蚀产生碳酸钙并产生了孔洞和微裂纹,破坏了水泥石的完整性造成抗压强度降低;而在高温气相环境下,二氧化碳未对水泥石产生腐蚀破坏。在高温下改性CAC水泥石仍可保持较高的抗压强度,并且经过二次高温养护后改性CAC水泥石强度进一步得到发展,具有较好的耐高温性能。该研究为火烧油层工况下CAC水泥石力学性能优化和耐CO₂腐蚀提供了一定的理论基础。      

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。     

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。      

新型低温固井早强剂性能研究

针对浅层低温导致水泥浆强度发展缓慢的问题,通过分散-共沉淀法制备了一种新型低温固井早强剂ES-22,并对制备早强剂的粒径及微观结构进行分析。比较了在低温条件下,新型早强剂ES-22与其他无机早强剂对水泥浆强度发展的影响,并研究了新型早强剂不同加量对水泥浆性能的影响规律。研究表明,制备的早强剂ES-22粒径主要集中在15～25μm之间。与其他早强剂相比,新型早强剂ES-22对水泥石早期抗压强度提升最大,且制备的早强剂在低温环境下对水泥石力学性能提升更大。早强剂掺入水泥浆中对水泥浆流变性影响不大,稠化时间无大幅度缩短,失水量降低。在20℃下养护24 h后,含4%早强剂水泥石的抗压强度和抗折强度比空白水泥石分别提高了204%和136%。新型早强剂在固井水泥浆中有很好的应用效果。